CN117721699A - 采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁及其设计方法 - Google Patents
采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁及其设计方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117721699A CN117721699A CN202311748675.XA CN202311748675A CN117721699A CN 117721699 A CN117721699 A CN 117721699A CN 202311748675 A CN202311748675 A CN 202311748675A CN 117721699 A CN117721699 A CN 117721699A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- steel
- uhpc
- section
- bearing capacity
- pbl
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011374 ultra-high-performance concrete Substances 0.000 title claims abstract description 158
- 238000013461 design Methods 0.000 title claims abstract description 19
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 13
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims description 70
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 179
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims abstract description 179
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims abstract description 81
- 239000004567 concrete Substances 0.000 claims description 70
- 238000010008 shearing Methods 0.000 claims description 60
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 24
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 23
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 19
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 19
- 229910001294 Reinforcing steel Inorganic materials 0.000 claims description 17
- 239000006260 foam Substances 0.000 claims description 15
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 9
- 238000006386 neutralization reaction Methods 0.000 claims description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 8
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 claims description 6
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 5
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 claims description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 18
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 10
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000004574 high-performance concrete Substances 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 2
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 2
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000004566 building material Substances 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 229910052752 metalloid Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002738 metalloids Chemical class 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
- 238000003079 width control Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Rod-Shaped Construction Members (AREA)
Abstract
本发明公开了一种采用多种PBL连接件混合连接的钢‑UHPC组合梁及其设计方法，所述钢‑UHPC组合梁包括UHPC构件、工字钢梁以及多个盖梁，所述盖梁设置在所述工字钢梁的下面，所述UHPC构件设置在所述工字钢梁的上面，所述UHPC构件的正弯矩区段排列设置有多个采用NPR钢筋的PBL连接件，所述UHPC构件的负弯矩区段排列设置有多个抗拔不抗剪PBL连接件。本发明将采用NPR钢筋代替普通钢筋的PBL连接件应用在组合结构正弯矩区段，增强了组合结构的延续能力和承载能力，提高了结构整体性和结构稳定性。本发明有效释放了组合结构负弯矩区段的拉应力，显著提高了组合结构的使用性能、长期性能和耐久性能。
Description
技术领域
本发明涉及桥梁设计技术领域，尤其涉及一种采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁及其设计方法。
背景技术
钢-混凝土组合梁桥是通过不同形式的抗剪连接件将钢梁和混凝土组合起来，使钢梁和混凝土协同受力变形，充分发挥钢材的高抗拉强度性能和混凝土的高抗压强度性能，已被广泛应用于国内外各种梁桥建设中。组合梁桥相比于普通的混凝土桥，结构高度降低，自重更轻、地震效应更小，使得结构延性得到提高，基础造价减少；相比于纯钢梁桥，混凝土桥面板可增强钢梁的稳定性，充分发挥钢高强度的材料优势，明显提高梁桥抗弯承载力，减少用钢量。同时，组合梁桥还具有便于工厂化生产，现场安装质量更高、施工费用更低、工期更短等诸多优势。
组合结构充分发挥了钢材和混凝土的材料优势，但相应结构的短板也暴露出来。连续组合梁桥、组合刚构桥、斜拉桥和悬索桥组合桥面系、组合框架结构、大跨承重组合等结构体系中，其正弯矩区段混凝土处于受压状态，钢梁处于受拉状态，钢-混组合结构承载能力较强，结构稳定性较高。但在其负弯矩区段，组合结构处于混凝土受拉、钢构件受压的不利状态，由于混凝土抗拉强度较低，在很小的荷载时混凝土就会发生开裂。不仅导致组合结构的刚度发生降低，同时也会造成钢筋及钢构件腐蚀，降低梁桥的耐久性能，给组合梁桥后期的维护工作带来很大的困难。此外，组合梁桥应用于大跨梁桥时，由于混凝土桥面板自重较大，会使组合梁桥的经济适用跨径受到限制。上述组合梁桥在工程应用中面临的两个问题均是由于混凝土材料强度较低，容易开裂导致的，发展具有更高力学性能和裂缝控制能力的新型混凝土材料是解决上述问题的有效途径。
超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，UHPC)是根据颗粒最紧密堆积、水胶比小于0.25和纤维增强等原则进行设计，从而具备超高力学性能、韧性、耐久性能及良好施工性能等特点的新型水泥基复合材料。与普通混凝土(Normal Concrete，NC)和传统的高性能混凝土(High Performance Concrete，HPC)相比，UHPC的强度(抗压强度和抗折强度等)和耐久性能(抗氯离子侵入和抗碳化等)有数量级或倍数的提高。此外高密实的UHPC基体大幅增强了UHPC基体与钢纤维的界面粘结强度，使得UHPC基体开裂后仍然具有较高的抗拉强度，实现了类金属拉伸和应变强化特性，显著提升了UHPC材料的韧性和延性。由于UHPC优异的力学性能和耐久性能，将钢-混凝土组合结构中的混凝土层替换为UHPC，形成的钢-UHPC组合结构，相比传统的钢-混凝土组合结构，可有效减小组合构件的截面尺寸，降低构件自重。将其应用于钢-混凝土组合梁桥，UHPC优异的力学性能不仅可以有效解决钢-混凝土组合梁桥负弯矩区段易开裂的问题，同时还能提高正弯矩区段的承载能力，进一步增强梁桥结构的稳定性。
除了钢和混凝土材料本身对钢-混组合梁桥的影响，抗剪连接件也是影响其性能的关键因素。在水平方向承受并传递钢梁和混凝土之间的纵向剪力，抵抗两者之间滑移；在竖直方向，抗剪连接件的抗拔作用防止混凝土和钢梁发生掀起或分离。在传统的钢-混凝土组合梁桥中，栓钉连接件和PBL(Perfobond Leiste，PBL)连接件是最常用的两种抗剪连接件。栓钉连接件四向抗剪，施工简单，性能良好，但栓钉连接件承载力较低。PBL连接件承载力较高，疲劳性能优秀，但结构复杂。然而，上述抗剪连接方式会导致负弯矩作用下上部混凝土板的拉应力过大，因此在保留上述连接件抗拔作用的基础上取消其抗剪作用，使钢-混凝土界面在不发生分离的条件下产生自由滑移是释放混凝土板拉应力、降低混凝土板开裂风险的有效途径。为此，结合钢-UHPC组合梁的受力特征，研发与其性能相匹配的新型抗拔不抗剪连接件是进一步提高钢-UHPC组合梁桥负弯矩区裂缝控制能力的关键所在。
图1为现有技术中的NPR钢筋和普通HRB400钢筋的应力-应变关系对比示意图。在组合梁桥正弯矩区段，组合结构处于钢梁受拉，混凝土受压的状态，且UHPC与普通混凝土力学性能差异较大，钢-UHPC组合结构正弯矩区段对抗剪连接件的承载力要求更高，普通的抗剪连接件无法发挥UHPC的高强特性，难以满足构造要求。栓钉连接件普遍直径较小，承载力较低，为了达到一定的承载力，需要增加栓钉连接件的直径或者个数，过大的栓钉直径和过多的连接件数量都会减小施工区域，增加焊接工序难度，降低施工效率。
发明内容
为解决现有技术存在的局限和缺陷，本发明提供一种采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁，包括UHPC构件、工字钢梁以及多个盖梁，所述盖梁设置在所述工字钢梁的下面，所述UHPC构件设置在所述工字钢梁的上面，所述UHPC构件和所述盖梁为长方体结构，所述工字钢梁的横截面为工字形状；
所述UHPC构件的内部设置有纵横向钢筋网，所述UHPC构件的正弯矩区段排列设置有多个采用NPR钢筋的PBL连接件，所述UHPC构件的负弯矩区段排列设置有多个抗拔不抗剪PBL连接件；
所述工字钢梁对应所述UHPC构件的正弯矩区段的上翼缘焊接有多个第一穿孔钢板，相邻两个第一穿孔钢板之间填充有第一泡沫塑料，所述第一穿孔钢板的开孔为圆形孔，所述第一泡沫塑料为长方体结构；所述工字钢梁对应所述UHPC构件的负弯矩区段的上翼缘焊接有多个第二穿孔钢板，相邻两个第二穿孔钢板之间填充有第二泡沫塑料，所述第二穿孔钢板的开孔为方形孔，所述第二泡沫塑料为长方体结构；
所述采用NPR钢筋的PBL连接件包括第一穿孔钢板、NPR钢筋、混凝土销钉，所述NPR钢筋穿过所述第一穿孔钢板的开孔，所述混凝土销钉包裹在所述NPR钢筋的周围，填充所述NPR钢筋与所述第一穿孔钢板的开孔之间的空间；所述抗拔不抗剪PBL连接件包括第二穿孔钢板、穿孔钢筋、弹性模量材料，所述弹性模量材料的弹性模量小于预设值，所述穿孔钢筋穿过所述第二穿孔钢板的开孔，所述弹性模量材料包裹在所述穿孔钢筋的周围，填充所述穿孔钢筋与所述第二穿孔钢板的开孔之间的空间。
可选的，所述采用NPR钢筋的PBL连接件与所述抗拔不抗剪PBL连接件的中轴线处于同一水平面。
可选的，所述第一穿孔钢板、所述第一泡沫塑料、所述第二穿孔钢板、所述第二泡沫塑料、所述UHPC构件、所述工字钢梁与所述盖梁的中轴线处于同一垂直面。
本发明还提供一种采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的设计方法，所述采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁为上述的钢-UHPC组合梁，所述设计方法包括：
根据所述钢-UHPC组合梁的内力状态确定不同，在弯矩作用下达到承载力受弯极限状态，分别进行正弯矩区段和负弯矩区段的截面设计；
所述钢-UHPC组合梁的正弯矩区段按照完全剪切连接设计原则，根据所述UHPC构件的受压承载力和所述工字钢梁的受拉承载力确定组合截面塑性中和轴的位置；
当Af≤befcxy时，所述组合截面塑性中和轴位于所述UHPC构件翼缘板内部，按照公式(1)计算所述UHPC构件的受压区高度x，按照公式(2)计算所述组合截面的抗弯承载力Mu；
Mu＝befcxy (2)
其中，x为所述UHPC构件的受压区高度，A为所述工字钢梁的截面面积，f为所述工字钢梁的屈服强度，be为所述UHPC构件的翼缘宽度，fc为所述UHPC构件的轴心抗压强度，Mu为所述组合截面的抗弯承载力，y为所述工字钢梁的截面应力合力至所述UHPC构件的受区截面应力合力之间的距离；
当Af＞befcxy时，所述组合截面塑性中和轴位于所述工字钢梁的截面内，按照公式(3)计算所述工字钢梁的受压区域Ab，按照公式(4)计算所述组合截面的抗弯承载力Mu；
Mu＝behefcy1+Abfy2 (4)
其中，Ab为所述工字钢梁的受压区域，he为所述UHPC构件的翼缘厚度，y1为所述工字钢梁的受拉区截面应力合力至所述UHPC构件的受压区截面应力合力之间的距离，y2为所述工字钢梁的受拉区截面应力合力至所述工字钢梁的受压区截面应力合力之间的距离；
进行抗弯承载力验算，若Mu≥M，所述组合截面满足构造要求，若Mu≤M，取Mu＝M，其中M为弯矩设计值；
按照公式(5)计算所述钢-UHPC组合梁的受剪承载力V，Nu＝befche为所述组合截面塑性中和轴以上受压区的承载力，Np＝Af为所述组合截面塑性中和轴以下受拉区的承载力；
V＝min[Nu,Np] (5)
其中，V为所述钢-UHPC组合梁的受剪承载力；
按照公式(6)计算所述正弯矩区段的抗剪连接件数量n，按照公式(7)计算单个所述采用NPR钢筋的PBL连接件的承载力Nv；
nNv＝V (6)
其中，n为所述正弯矩区段的抗剪连接件数量，Nv为单个所述采用NPR钢筋的PBL连接件的承载力，ρst为所述UHPC构件的配筋率，Vf为钢纤维体积掺量，Lf为钢纤维长度，φf为钢纤维直径，fcu为所述UHPC构件的立方体抗压强度，tp为所述穿孔钢板的厚度，D为开孔直径，Ac为所述穿孔钢板的开孔面积，λ为所述NPR钢筋的强度折减系数，As为所述穿孔钢筋的截面面积，fy为所述穿孔钢筋的屈服强度；
当所述钢-UHPC组合梁的负弯矩区段为正常使用阶段时，所述穿孔钢筋周围的弹性模量材料允许钢-混界面发生预设距离的滑移，所述钢-UHPC组合梁处于所述UHPC构件受拉，所述工字钢梁受压的状态，对所述UHPC构件的受拉区按照公式(8)进行配筋；
Arfs＝(A1+A2+A3)f-behef t(8)
其中，Ar为所述负弯矩区混凝土翼缘有效宽度范围内纵向钢筋的截面积，fs为钢筋屈服强度，A1为所述工字钢梁的腹板的净截面面积，A2为所述工字钢梁的下翼缘的净截面面积，A3为所述工字钢梁的上翼缘的净截面面积，ft为所述UHPC构件的抗拉强度；
当所述钢-UHPC组合梁的负弯矩区段为承载能力极限阶段时，按照公式(9)计算所述组合截面的抗弯承载力Mu；
Mu＝Ma+Mr+Mt (9)
其中，所述组合截面抵抗的最大弯矩包括所述工字钢梁的抵抗弯矩Ma，纵向钢筋的抵抗弯矩Mr和混凝土的抵抗弯矩Mt；
进行抗弯承载力验算，若Mu≥M，所述组合截面满足构造要求，若Mu≤M，取Mu＝M；
按照公式(10)计算所述负弯矩区段的抗拔不抗剪连接件数量n，按照公式(11)计算钢-UHPC组合梁的受剪承载力V，按照公式(12)计算单个抗拔不抗剪PBL连接件的承载力Nv；
nβNv＝V (10)
V＝Arfs+beheft (11)
其中，β代表连接件承载力降低系数，对于中间支座负弯矩区段区取0.9，对于悬臂梁的负弯矩区段取0.8；ft为所述UHPC构件的抗拉强度。
本发明具有下述有益效果：
本发明提供一种采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁，包括UHPC构件、工字钢梁以及多个盖梁，所述盖梁设置在所述工字钢梁的下面，所述UHPC构件设置在所述工字钢梁的上面，所述UHPC构件的正弯矩区段排列设置有多个采用NPR钢筋的PBL连接件，所述UHPC构件的负弯矩区段排列设置有多个抗拔不抗剪PBL连接件。本发明将采用NPR钢筋代替普通钢筋的PBL连接件应用在组合结构正弯矩区段，增强了组合结构的延续能力和承载能力，提高了结构整体性和结构稳定性。本发明有效释放了组合结构负弯矩区段的拉应力，显著提高了组合结构的使用性能、长期性能和耐久性能。
附图说明
图1为现有技术中的NPR钢筋和普通HRB400钢筋的应力-应变关系对比示意图。
图2a为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的轴测图。
图2b为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的侧视图。
图2c为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的俯视图。
图2d为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的正视图。
图3为本发明实施例一提供的抗拔不抗剪PBL连接件的结构示意图。
图4为本发明实施例一提供的采用NPR钢筋的PBL连接件的结构示意图。
图5为本发明实施例一提供的第一穿孔钢板的结构示意图。
图6为本发明实施例一提供的第二穿孔钢板的结构示意图。
图7为本发明实施例一提供的盖梁的结构示意图。
图8为本发明实施例一提供的泡沫塑料的结构示意图。
图9为本发明实施例一提供的穿孔钢筋和弹性模量材料的结构示意图。
图10为本发明实施例一提供的NPR钢筋和混凝土销钉的结构示意图。
图11为本发明实施例一提供的抗拔不抗剪PBL连接件的两个阶段荷载-滑移曲线示意图。
图12为本发明实施例二提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的设计方法的流程图。
图13为本发明实施例二提供的采用NPR钢筋的PBL连接件与传统PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。
图14为本发明实施例二提供的采用NPR钢筋的双孔PBL连接件与单孔PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。
图15为本发明实施例二提供的抗拔不抗剪PBL连接件与普通PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。
图16为本发明实施例二提供的双孔抗拔不抗剪PBL连接件与单孔抗拔不抗剪PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。
其中，附图标记为：UHPC构件-1；工字钢梁-2；盖梁-3；第二穿孔钢板-4；第一穿孔钢板-5；NPR钢筋-6；穿孔钢筋-7；混凝土销钉-8；弹性模量材料-9；泡沫塑料-10。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁及其设计方法进行详细描述。
实施例一
PBL连接件承载力更高，结构稳定，为了使其满足钢-UHPC组合结构的构造要求，将PBL连接件的普通钢筋用NPR钢筋代替。NPR钢筋是一种具有负泊松比特性，在受力时体积产生微膨胀，且拉断时不发生颈缩现象以及高强度和高延性等良好性能的新型建筑材料，与普通钢筋相比，具有高强度，高延性和高耐腐蚀性。钢筋强度过高在服役时会导致混凝土产生较大裂缝，而UHPC的高抗压强度、高抗拉强度和良好的裂缝控制能力使其成为NPR钢筋的良好载体，可以提高结构的承载力和延性。将采用NPR钢筋的PBL连接件应用在钢-UHPC组合梁桥正弯矩区段，可以充分发挥UHPC的高强特性，提高钢-UHPC组合梁桥的结构稳定性和承载能力。
在组合梁桥负弯矩区段，组合结构处于钢梁受压，混凝土受拉的不利状态。保留传统连接件抗拔作用的同时取消其抗剪作用，允许钢-混界面发生局部的滑移，释放混凝土内部的拉应力是解决负弯矩区段混凝土易开裂的问题关键。通过在穿孔钢筋外侧包裹低弹性模量材料，允许PBL连接件在钢-混界面发生一定的滑移，释放混凝土拉应力的同时保证钢-混界面在不发生分离。抗拔不抗剪PBL连接件与PBL连接件相比，取消了其抗剪作用，有效释放了混凝土内部的拉应力。与抗拔不抗剪栓钉连接件相比，承载力更高。将抗拔不抗剪PBL连接件应用于钢-UHPC连续组合梁桥的负弯矩区段，可以有效解决负弯矩区段UHPC开裂问题，提高负弯矩区段的抗裂性能。
图2a为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的轴测图。图2b为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的侧视图。图2c为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的俯视图。图2d为本发明实施例一提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的正视图。本实施例采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁桥由工字钢梁，UHPC构件，盖梁，正弯矩区段的采用NPR钢筋的PBL连接件和负弯矩区段的抗拔不抗剪PBL连接件组成。在UHPC构件中配置纵横向钢筋网；在钢梁的上翼缘焊接有穿孔钢板，每个穿孔钢板之间采用泡沫塑料填充。采用NPR钢筋的PBL连接件由穿孔钢板，穿过开孔的NPR钢筋，以及浇筑混凝土时流入孔内包裹在NPR钢筋周围的混凝土销钉组成。抗拔不抗剪PBL连接件由穿孔钢板，穿过开孔的钢筋，包裹在钢筋周围的低弹性模量材料组成。
图3为本发明实施例一提供的抗拔不抗剪PBL连接件的结构示意图。图4为本发明实施例一提供的采用NPR钢筋的PBL连接件的结构示意图。图5为本发明实施例一提供的第一穿孔钢板的结构示意图。图6为本发明实施例一提供的第二穿孔钢板的结构示意图。
图7为本发明实施例一提供的盖梁的结构示意图。图8为本发明实施例一提供的泡沫塑料的结构示意图。图9为本发明实施例一提供的穿孔钢筋和弹性模量材料的结构示意图。图10为本发明实施例一提供的NPR钢筋和混凝土销钉的结构示意图。由于组合结构正弯矩区段对抗剪连接件的承载力要求较高，传统的抗剪连接件无法满足构造要求。NPR钢筋具有高强度，高延性，高耐腐蚀性的特性。将PBL连接件中的普通钢筋用NPR钢筋代替后，PBL连接件具有更高的抗剪能力，可以充分发挥UHPC材料的高强特性，同时穿孔钢筋和混凝土销钉的存在保证了连接件的抗拔力，防止UHPC板与钢梁发生掀起或分离，不仅满足钢-UHPC组合梁桥的构造要求，还可以进一步提高钢-UHPC组合梁桥正弯矩区段的承载能力和整体稳定性。
图11为本发明实施例一提供的抗拔不抗剪PBL连接件的两个阶段荷载-滑移曲线示意图。在组合梁桥负弯矩区段，传统抗剪连接件的抗剪作用限制了钢-UHPC界面的滑移，导致UHPC内部产生拉应力，造成UHPC易开裂。将抗拔不抗剪PBL连接件应用在负弯矩区段后，在正常使用阶段，穿孔钢筋周围的低弹性模量材料允许钢-UHPC界面发生局部滑移，释放了UHPC内部的拉应力，有效解决负弯矩区段UHPC易开裂问题，此阶段的荷载滑移曲线如图11所示。在极限承载能力阶段，抗拔不抗剪PBL连接件的穿孔钢筋开始承受剪力，发挥连接件的抗剪作用，是钢-UHPC界面处于完全连接状态，满足钢-UHPC组合梁桥的构造要求，此阶段的荷载滑移曲线如图11所示。
本实施例提供一种采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁，包括UHPC构件、工字钢梁以及多个盖梁，所述盖梁设置在所述工字钢梁的下面，所述UHPC构件设置在所述工字钢梁的上面，所述UHPC构件的正弯矩区段排列设置有多个采用NPR钢筋的PBL连接件，所述UHPC构件的负弯矩区段排列设置有多个抗拔不抗剪PBL连接件。本实施例将采用NPR钢筋代替普通钢筋的PBL连接件应用在组合结构正弯矩区段，增强了组合结构的延续能力和承载能力，提高了结构整体性和结构稳定性。本实施例有效释放了组合结构负弯矩区段的拉应力，显著提高了组合结构的使用性能、长期性能和耐久性能。
实施例二
图12为本发明实施例二提供的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的设计方法的流程图。本实施例采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁桥及抗剪连接件的设计方法具体步骤如下：
(1)根据组合梁的内力状态确定不同，在弯矩M作用下达到承载力受弯极限状态，分别进行正弯矩区段和负弯矩区段的截面设计。
(2)组合梁正弯矩区段按照完全剪切连接设计原则，根据UHPC板的受压承载力和钢梁的受拉承载力确定组合截面塑性中和轴的位置，有以下两种情况：
1)当Af≤befcuxy时，组合截面塑性中和轴位于UHPC翼缘板内部,按照(1)式计算UHPC板受压区高度x，按照(2)式计算组合截面抗弯承载力Mu。
Mu＝befcxy (2)
2)当Af≥befcuxy时，组合截面塑性中和轴位于钢梁截面内，按照(3)式计算钢梁受压区域Ab，按照(4)式计算组合截面抗弯承载力Mu。
Mu＝behefcy1+Abfy2 (4)
(3)进行抗弯承载力验算，若Mu≥M，组合梁截面满足构造要求，若Mu≤M，取Mu＝M。
(4)按照(5)式组合梁受剪承载力计算，Nu＝befche，为中和轴以上受压区的承载力，Np＝Af，为中和轴以下受拉区的承载力
V＝min[Nu,Np] (5)
(5)按照(6)式计算正弯矩区段抗剪连接件个数，Nv为单个采用NPR钢筋的PBL连接件承载力计算方程，按照式(7)计算。
nNv＝V (6)
(7)组合梁截面负弯矩区段按照两个阶段设计，第一阶段为正常使用阶段，穿孔钢筋周围的低弹性模量材料允许钢-混界面发生一定滑移，此阶段按照部分剪切连接设计；第二阶段为承载能力极限阶段，穿孔钢筋承受剪力作用，限制钢-混界面发生滑移，此阶段按照完全剪切连接设计。
1)正常使用阶段
组合结构处于UHPC板受拉，钢梁受压的状态，UHPC具有良好的抗拉能力，其抗拉强度不可忽略，对UHPC受拉区按照式(8)进行配筋。
Arfs＝(A1+A2+A3)f-beheft (8)
2)承载能力极限阶段
根据完全剪切连接原则设计，按照(9)式计算组合截面抗弯承载力Mu，截面所抵抗的最大弯矩由钢梁抵抗提供的抵抗弯矩Ma，纵向钢筋的抵抗弯矩Mr和混凝土的抵抗弯矩Mt组成。
Mu＝Ma+Mr+Mt (9)
(8)进行抗弯承载力验算，若Mu≥M,组合梁截面满足构造要求，若Mu≤M，取Mu＝M。
(9)按照公式(10)计算所述负弯矩区段的抗拔不抗剪连接件数量n，按照公式(11)计算钢-UHPC组合梁的受剪承载力V，按照公式(12)计算单个抗拔不抗剪PBL连接件的承载力Nv。
(10)抗剪承载力计算
nβNv＝V (10)
V＝Arfs+beheft (11)
式中：β代表连接件承载力降低系数，对于中间支座负弯矩区段区0.9，对于悬臂梁的负弯矩区段取0.8；ft为所述UHPC构件的抗拉强度。
图13为本发明实施例二提供的采用NPR钢筋的PBL连接件与传统PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。图14为本发明实施例二提供的采用NPR钢筋的双孔PBL连接件与单孔PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。正弯矩区段使用采用NPR钢筋的PBL连接件，与使用同等直径HRB400钢筋的PBL连接件相比承载力提高了24.7％，极限滑移增加了26.6％。可以看出，将采用NPR钢筋代替普通钢筋的PBL连接件应用在组合结构正弯曲区段，组合结构的延续和承载能力大大增加，整体性和结构稳定性明显提高。采用NPR钢筋的PBL连接件与普通PBL连接件的和荷载-滑移曲线的对比图如图13所示。为进一步提升组合梁正弯矩区段的承载能力，图14所示为采用NPR钢筋的单孔PBL连接件和双孔连接件的荷载-滑移对比图，可以看出双孔PBL连接件相比单孔连接件，承载力提高了37.8％，极限滑移增加了7.6％，采用NPR钢筋的双孔PBL连接件展现出更优秀的力学性能。
采用NPR钢筋的PBL连接件极限承载力计算方程如式(13)，式(14)所示。
(1)单孔PBL连接件
(2)双孔PBL连接件
图15为本发明实施例二提供的抗拔不抗剪PBL连接件与普通PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。图16为本发明实施例二提供的双孔抗拔不抗剪PBL连接件与单孔抗拔不抗剪PBL连接件的荷载-相对滑移曲线对比示意图。负弯矩区段采用抗拔不抗剪PBL连接件，抗拔不抗剪PBL连接件的抗剪承载力约为普通PBL连接件的87％、但其极限滑移是传统PBL连接件极限滑移的174％，可有效释放钢-混组合构件负弯矩区段UHPC中的拉应力，显著提高组合结构的使用性能、长期性能和耐久性能，抗拔不抗剪PBL连接件的相对滑移值可达到21mm以上，明显满足欧标4规定的延性抗剪连接件的滑移需求，满足负弯矩区段“抗放结合”的基本理念，即水平的纵横向释放内力，而竖向则保持抗掀起功能。抗拔不抗剪PBL连接件与传统PBL连接件的典型荷载-滑移曲线的对比如图15所示。双孔抗拔不抗剪PBL连接件和单孔抗拔不抗剪PBL连接件的荷载-滑移曲线如图16所示，双孔抗拔不抗剪PBL连接件的极限承载力是单孔PBL连接件的141％,极限滑移几乎没有变化，将双孔抗拔不抗剪PBL连接件应用在组合结构负弯矩区段，与传统PBL连接件相比，抗剪承载力更高，延性更好。
抗拔不抗剪PBL连接件的极限承载预测方程如式(15)和式(16)所示：
(1)单孔抗拔不抗剪PBL连接件
(2)双孔抗拔不抗剪PBL连接件
本实施例中，采用NPR钢筋的PBL连接件由孔洞内部的穿孔钢筋和混凝土销钉共同提供剪力和抗拔力，承载能力和延性高于普通穿孔连接件。抗拔不抗剪PBL连接孔洞内的低弹性模量材料是其允许钢-UHPC界面发生局部滑移，释放混凝土拉应力的关键所在，与抗拔不抗剪栓钉连接件相比具有更高的承载力和更优秀的疲劳性能。采用NPR钢筋的PBL连接件与普通PBL连接件相比具有更高的抗剪能力和延性，将其应用在组合梁桥正弯矩区段，不仅满足构造要求，还可以充分发挥UHPC的高强特性，进一步提高组合梁桥的承载能力和结构稳定性。
本实施例中，抗拔不抗剪PBL连接件与普通PBL连接件相比，具有“抗放结合”的特性，满足构造要求的同时可以有效解决负弯矩区段混凝土易开裂问题，提高负弯矩区段的抗裂性能，增强钢-UHPC组合梁桥的耐久性。上部采用常温养护型UHPC，可有效减小构件截面尺寸，降低构件自重，进一步提升钢-混组合梁桥的适用跨径。同时，UHPC优异的裂缝宽度控制能力进一步有利于钢-混组合梁桥负弯矩段混凝土的裂缝控制。采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁桥相比于传统的钢-混组合梁桥，正弯矩区段承载力更高，稳定性更强，负弯矩区段混凝土抗裂能力更强，梁桥的耐久性能更好，使用寿命更长。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁，其特征在于，包括UHPC构件、工字钢梁以及多个盖梁，所述盖梁设置在所述工字钢梁的下面，所述UHPC构件设置在所述工字钢梁的上面，所述UHPC构件和所述盖梁为长方体结构，所述工字钢梁的横截面为工字形状；
所述UHPC构件的内部设置有纵横向钢筋网，所述UHPC构件的正弯矩区段排列设置有多个采用NPR钢筋的PBL连接件，所述UHPC构件的负弯矩区段排列设置有多个抗拔不抗剪PBL连接件；
所述工字钢梁对应所述UHPC构件的正弯矩区段的上翼缘焊接有多个第一穿孔钢板，相邻两个第一穿孔钢板之间填充有第一泡沫塑料，所述第一穿孔钢板的开孔为圆形孔，所述第一泡沫塑料为长方体结构；所述工字钢梁对应所述UHPC构件的负弯矩区段的上翼缘焊接有多个第二穿孔钢板，相邻两个第二穿孔钢板之间填充有第二泡沫塑料，所述第二穿孔钢板的开孔为方形孔，所述第二泡沫塑料为长方体结构；
所述采用NPR钢筋的PBL连接件包括第一穿孔钢板、NPR钢筋、混凝土销钉，所述NPR钢筋穿过所述第一穿孔钢板的开孔，所述混凝土销钉包裹在所述NPR钢筋的周围，填充所述NPR钢筋与所述第一穿孔钢板的开孔之间的空间；所述抗拔不抗剪PBL连接件包括第二穿孔钢板、穿孔钢筋、弹性模量材料，所述弹性模量材料的弹性模量小于预设值，所述穿孔钢筋穿过所述第二穿孔钢板的开孔，所述弹性模量材料包裹在所述穿孔钢筋的周围，填充所述穿孔钢筋与所述第二穿孔钢板的开孔之间的空间。
2.根据权利要求1所述的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述采用NPR钢筋的PBL连接件与所述抗拔不抗剪PBL连接件的中轴线处于同一水平面。
3.根据权利要求2所述的采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁，其特征在于，所述第一穿孔钢板、所述第一泡沫塑料、所述第二穿孔钢板、所述第二泡沫塑料、所述UHPC构件、所述工字钢梁与所述盖梁的中轴线处于同一垂直面。
4.一种采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁的设计方法，其特征在于，所述采用多种PBL连接件混合连接的钢-UHPC组合梁为权利要求1-3任一所述的钢-UHPC组合梁，所述设计方法包括：
根据所述钢-UHPC组合梁的内力状态确定不同，在弯矩作用下达到承载力受弯极限状态，分别进行正弯矩区段和负弯矩区段的截面设计；
所述钢-UHPC组合梁的正弯矩区段按照完全剪切连接设计原则，根据所述UHPC构件的受压承载力和所述工字钢梁的受拉承载力确定组合截面塑性中和轴的位置；
当Af≤befcxy时，所述组合截面塑性中和轴位于所述UHPC构件翼缘板内部，按照公式(1)计算所述UHPC构件的受压区高度x，按照公式(2)计算所述组合截面的抗弯承载力Mu；
Mu＝befcxy (2)
其中，x为所述UHPC构件的受压区高度，A为所述工字钢梁的截面面积，f为所述工字钢梁的屈服强度，be为所述UHPC构件的翼缘宽度，fc为所述UHPC构件的轴心抗压强度，Mu为所述组合截面的抗弯承载力，y为所述工字钢梁的截面应力合力至所述UHPC构件的受区截面应力合力之间的距离；
当Af＞befcxy时，所述组合截面塑性中和轴位于所述工字钢梁的截面内，按照公式(3)计算所述工字钢梁的受压区域Ab，按照公式(4)计算所述组合截面的抗弯承载力Mu；
Mu＝behefcy1+Abfy2 (4)
其中，Ab为所述工字钢梁的受压区域，he为所述UHPC构件的翼缘厚度，y1为所述工字钢梁的受拉区截面应力合力至所述UHPC构件的受压区截面应力合力之间的距离，y2为所述工字钢梁的受拉区截面应力合力至所述工字钢梁的受压区截面应力合力之间的距离；
进行抗弯承载力验算，若Mu≥M，所述组合截面满足构造要求，若Mu≤M，取Mu＝M，其中M为弯矩设计值；
按照公式(5)计算所述钢-UHPC组合梁的受剪承载力V，Nu＝befche为所述组合截面塑性中和轴以上受压区的承载力，Np＝Af为所述组合截面塑性中和轴以下受拉区的承载力；
V＝min[Nu,Np] (5)
其中，V为所述钢-UHPC组合梁的受剪承载力；
按照公式(6)计算所述正弯矩区段的抗剪连接件数量n，按照公式(7)计算单个所述采用NPR钢筋的PBL连接件的承载力Nv；
nNv＝V (6)
其中，n为所述正弯矩区段的抗剪连接件数量，Nv为单个所述采用NPR钢筋的PBL连接件的承载力，ρst为所述UHPC构件的配筋率，Vf为钢纤维体积掺量，Lf为钢纤维长度，φf为钢纤维直径，fcu为所述UHPC构件的立方体抗压强度，tp为所述穿孔钢板的厚度，D为开孔直径，Ac为所述穿孔钢板的开孔面积，λ为所述NPR钢筋的强度折减系数，As为所述穿孔钢筋的截面面积，fy为所述穿孔钢筋的屈服强度；
当所述钢-UHPC组合梁的负弯矩区段为正常使用阶段时，所述穿孔钢筋周围的弹性模量材料允许钢-混界面发生预设距离的滑移，所述钢-UHPC组合梁处于所述UHPC构件受拉，所述工字钢梁受压的状态，对所述UHPC构件的受拉区按照公式(8)进行配筋；
Arfs＝(A1+A2+A3)f-beheft (8)
其中，Ar为所述负弯矩区混凝土翼缘有效宽度范围内纵向钢筋的截面积，fs为钢筋屈服强度，A1为所述工字钢梁的腹板的净截面面积，A2为所述工字钢梁的下翼缘的净截面面积，A3为所述工字钢梁的上翼缘的净截面面积，ft为所述UHPC构件的抗拉强度；
当所述钢-UHPC组合梁的负弯矩区段为承载能力极限阶段时，按照公式(9)计算所述组合截面的抗弯承载力Mu；
Mu＝Ma+Mr+Mt (9)
其中，所述组合截面抵抗的最大弯矩包括所述工字钢梁的抵抗弯矩Ma，纵向钢筋的抵抗弯矩Mr和混凝土的抵抗弯矩Mt；
进行抗弯承载力验算，若Mu≥M，所述组合截面满足构造要求，若Mu≤M，取Mu＝M；
按照公式(10)计算所述负弯矩区段的抗拔不抗剪连接件数量n，按照公式(11)计算钢-UHPC组合梁的受剪承载力V，按照公式(12)计算单个抗拔不抗剪PBL连接件的承载力Nv；
nβNv＝V (10)
V＝Arfs+beheft (11)
其中，β代表连接件承载力降低系数，对于中间支座负弯矩区段区取0.9，对于悬臂梁的负弯矩区段取0.8；ft为所述UHPC构件的抗拉强度。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN2023111800014 | 2023-09-13 | ||
| CN202311180001 | 2023-09-13 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117721699A true CN117721699A (zh) | 2024-03-19 |
Family
ID=90210282
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311748675.XA Pending CN117721699A (zh) | 2023-09-13 | 2023-12-19 | 采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁及其设计方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117721699A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114991318A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-09-02 | 中国化学工程第十一建设有限公司 | 连接装置、钢混凝土结构及钢混凝土结构安装方法 |
-
2023
- 2023-12-19 CN CN202311748675.XA patent/CN117721699A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114991318A (zh) * | 2022-06-13 | 2022-09-02 | 中国化学工程第十一建设有限公司 | 连接装置、钢混凝土结构及钢混凝土结构安装方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liew et al. | Lightweight steel–concrete–steel sandwich system with J-hook connectors | |
| Gentry et al. | Wide beam-column connections under earthquake-type loading | |
| CN117721699A (zh) | 采用多种pbl连接件混合连接的钢-uhpc组合梁及其设计方法 | |
| CN206385460U (zh) | 组合型桥面板 | |
| CN219365030U (zh) | 一种新型结构的剪力墙 | |
| Ngo et al. | Effects of steel fibres and prestress levels on behaviour of newly proposed exterior dry joints using SFRC and CFRP bolts | |
| CN112227200B (zh) | 一种无栓钉韧性组合桥面板体系 | |
| CN112227199B (zh) | 一种冷弯z形钢组成的韧性组合桥面板 | |
| CN116541918B (zh) | 一种计算钢筋混凝土剪力墙的方法和一种新型剪力墙 | |
| Sermet et al. | Investigation of punching behaviour of steel and polypropylene fibre reinforced concrete slabs under normal load | |
| CN116479741A (zh) | 一种剪弯段填充部分uhpc的梁体结构及其预制方法 | |
| CN112733219B (zh) | 一种配筋式蒸压加气混凝土板抗弯承载力校核方法 | |
| CN109914656B (zh) | 一种带pbl剪力键的薄壁钢板pec组合剪力墙结构 | |
| Salama | Punching Shear Behavior of GFRP-RC Edge Slab Column Connections with and without Shear Stirrups Reinforcement | |
| Briggs et al. | Cyclic Behavior of Composite Connections in Composite Floor Diaphragms | |
| CN218643163U (zh) | 采用贯入式与锚拉板式钢桁架组合桥钢混结合段连接结构 | |
| CN217680010U (zh) | 一种具有自防火防腐功能的高承载力钢混组合翼缘梁 | |
| CN112227201B (zh) | 一种带箱型肋的冷弯型钢韧性组合桥面板 | |
| CN220686418U (zh) | 一种新型剪力墙 | |
| CN211772736U (zh) | 一种混凝土受拉状态下钢-混凝土组合连接结构 | |
| CN215802674U (zh) | 一种型钢部分包裹混凝土组合梁 | |
| Al‐Lami et al. | Flexural behavior of cold‐formed U‐shaped steel members encasing concrete composite beam using continues stud bolts | |
| CN109930467B (zh) | 钢-ecc-混凝土组合梁及其制备方法 | |
| CN210766389U (zh) | 一种无横肋的超高性能混凝土密肋板 | |
| Irawan et al. | Experimental Study of Two-way Half Slab Precast Concrete using Rextangular Rigid Connection |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |