文摘

调查异形筒复合甲板的力学行为与修改回旋曲线(制程)连接器在疲劳载荷下,剩余的一种计算方法,提出了复合甲板的承载能力,并建立了有限元(FE)模型来分析疲劳失效后的复合甲板的机制。之间的最大误差理论方法和试验结果是4%,有限元模型,最大误差为9%。结果表明,复合甲板的剩余承载能力从理论方法和有限元模型获得一致的测试结果。参数执行分析剪切跨度的影响进行调查l_sp,修改后的回旋曲线形状连接器间距l_mc,和上法兰深度h_c混凝土板。这表明,随着剪跨长度的增加和制程连接器间距,剩余承载能力指数降低。此外,之间的关系h_c和剩余容量的复合甲板是线性的。这项研究有助于的疲劳设计异形筒复合甲板。

1。介绍

随着中国的经济发展,异形筒组合结构广泛应用于桥梁工程。与钢筋混凝土(RC)梁相比,异形筒复合甲板与回旋曲线修改连接器的优势更好的力学性能,施工方便,节省时间(1,2]。复合甲板将会受到各种各样的负载在其使用寿命,其中车辆荷载的影响最大。在车辆荷载的作用下,会发生疲劳损伤的复合甲板,导致其失败。因此,它是重要的剩余承载能力调查异形筒复合甲板下的疲劳载荷。

近年来,复合甲板的疲劳性能的研究主要集中在刚度和位移。张(3)调查的疲劳性能正交的核心筒复合甲板由数值模拟和疲劳试验。结果表明,混凝土裂缝加速复合甲板的疲劳损伤的发展,但理论方法和试验结果之间的误差相对较大的疲劳载荷的后期。疲劳测试是由寺庙(4]研究复合甲板的力学行为与不同剪跨长度。结果表明,复合甲板长剪切疲劳载荷下更有可能失败。然而,疲劳损伤和剪切跨度之间的关系并没有指定的研究。调查的影响循环加载的残余强度复合甲板与螺柱连接器、El Zohairy et al。5)在四个标本进行了疲劳试验。结果显示,复合甲板部分剪切连接更容易被损坏在疲劳载荷。探讨残余挠度变化规律,歌曲等。6)在复合甲板进行了疲劳试验,提出了一个分析模型来预测复合甲板下的残余挠度消极的时刻。

然而,文献的剩余承载能力的计算疲劳载荷下的异形筒复合甲板是有限的(7]。材料剩余强度理论的基础上,他提出了一个计算方法复合甲板的剩余承载能力(8]。湘和他发达剩余承载能力的计算方法,考虑初始缺陷的复合甲板的领导钉9]。然而,没有考虑裂纹扩展的影响的计算方法。

本文剩余承载能力的理论方法计算异形筒复合甲板与制程连接器疲劳载荷下材料强度退化理论的基础上,提出和建立了有限元模型,分析了复合甲板后失败的机制。理论方法和有限元模型验证的测试结果。此外,执行参数分析研究几何参数和剪切跨度的影响力学性能的复合甲板。

2。剩余承载能力计算的理论方法

计算剩余承载能力的异形筒复合甲板在疲劳载荷下,每个组件的强度退化规律的复合甲板考虑根据材料剩余强度理论(10]。

2.1。混凝土板强度退化规律

根据(11),混凝土板的强度退化规律可以表示如下: 在哪里f_cr(0)代表了最初的混凝土抗压强度,n代表负载周期,N代表了复合甲板疲劳载荷下的疲劳寿命。

2.2。钢板强度退化规律

刚度退化模型的钢板8,9,12可以制定如下: 在哪里f_老(0)的初始抗拉强度钢板,f_老(n)的钢板的抗拉强度nth加载周期,σ_{年代,马克斯}是钢板的最大发辫,是材料常数,如果没有测试数据,= 1。

2.3。有效截面积

的异形筒复合甲板在疲劳载荷下,裂缝一般出现在纯弯曲部分。在疲劳试验的早期阶段,裂纹在焊接启动剪切连接器和钢板之间的一部分,沿着钢板的横向方向传播。循环数的增加,裂纹穿透钢板的下法兰和扩展到钢板的肋骨,导致失败的复合甲板,如图1。

图2显示的细节在异形钢板裂纹。复合甲板的承载力下降明显由于裂缝的存在。因此,裂纹长度的影响应考虑在计算剩余承载能力的复合甲板。横截面的有效面积,继续承受疲劳载荷可以计算如下: 在哪里一个_eff(n)的有效横截面积的钢板nth负载周期和一个_向上(n),一个_中期(n),一个_机器人(n)的有效截面上法兰,肋骨,分别和钢板的下法兰。他们可以制定如下: 在哪里b₁和b₂的宽度是钢板的上法兰和下凸缘与单一的波形,分别b_中期的长度是钢板的肋骨,如图3,l_向上(n),l_中期(n),l_机器人(n)的裂纹长度上法兰,肋骨,和较低的法兰nth加载周期,分别t钢板的厚度。

2.4。复合甲板部分剪切连接

通常,剪切连接器的复合甲板将会损坏由于裂缝的存在,和复合甲板通常是部分剪切连接。因此,剩余承载能力计算的复合甲板可以分为两种情况基于中性轴的位置:(1)中性轴的横截面内钢板和(2)中性轴外部钢板的截面,如图4。

此外,可以进行以下假设:(1)之间的相对滑动钢板和混凝土板可以忽略不计,(2)采用平面部分的假设分析,(3)的上翼缘混凝土板在分析考虑,而其他的部分将不考虑混凝土板,和(4)相对裂纹增长率在钢板连接器基础是一样的,如下: 在哪里l_c,米(n)是裂纹的长度在剪切连接器nth负载周期和h_米的高度是连接器基础。

2.4.1。案例1:中性轴截面以外的钢板

如果中性轴外的钢板的截面,如图4(一)力平衡条件的基础上,然后方程(8)- (11)可以表示如下:

根据方程(8)- (11),剩余承载能力的复合甲板nth负载周期可以如下: 在哪里F_c混凝土抗压合力的部分,b_c复合甲板的宽度,x_c混凝土受压区高度,F_年代的拉伸复合钢板,F_米是连接器的拉伸合成基础,一个_制程连接器的面积是基地在张力下,f_制程(n)的连接器的抗拉强度nth加载周期,d_年代是距离的位置吗F_年代的顶面钢板的上法兰,d_米是距离的位置吗F_米顶部的上法兰钢板表面,和h_c混凝土板的上部法兰深度。

2.4.2。例2:在钢板的截面中性轴

如果中性轴在钢板的截面,如图4 (b),方程可以推导出如下:

根据方程(13)∼(17),剩余承载能力的复合甲板n——负载周期可以表示如下: 在哪里F_加州大学的压合钢板的上法兰,F_信用证肋骨压合,一个的高度是钢板的压缩区,然后呢一个_老(n)的横截面积下钢板张力。

2.5。复合甲板完全剪切连接

在完全剪切连接的复合甲板,其承载力计算可分为两种情况如下:

2.5.1。案例1:中性轴截面以外的钢板

如果中性轴外的钢板的截面,如图5(一个),然后可以制定如下方程:

剩余承载能力的复合甲板nth负载周期可以计算如下:

2.5.2。案例2:中性轴的横截面内钢板

如果中性轴在钢板的截面,如图5 (b),那么方程可以表示如下:

根据方程(24)∼(28),可以获得如下:

3所示。验证的理论方法

3.1。实验

恒幅疲劳测试了三个异形筒复合甲板调查他们的疲劳性能,如图6。标本被指定为sp 1、sp 2和太白。复合甲板长3200毫米,宽1000毫米,180毫米高。上翼缘混凝土板的深度是115毫米。钢板措施高度65毫米,6毫米厚度。横截面的形状如图7。表1列表的横截面的尺寸复合甲板。制程连接器长3000毫米和110毫米高。它由钢销子和连接器基础。连接器底是30毫米高。连接器是钢板焊接。图8显示复合甲板的细节。两钢钉之间的间距为200 mm,如图9。底部的酒吧与直径16毫米钢销子的两侧对称布置。净杆底部之间的距离和插筋是22毫米。

16毫米直径的钢筋净安排30 mm的距离从混凝土板的顶部。纵筋的长度是3000毫米,而横向的酒吧,这是900毫米。酒吧之间的间距为100毫米。表2显示了材料性能的复合甲板。

3.2。有限元分析

调查的力学行为与静载荷下裂纹的复合甲板,有限元法(FEM)是用于分析。此外,有限元分析的结果与实验的比较来验证其准确性。

建立了一个参考点(RP)来模拟实际加载过程的静态测试。点之间的距离和混凝土板的上表面是200毫米。RP是加上加载面混凝土板的模型,如图10。

固体元素被用于模拟混凝土板,钢板,制程连接器。桁架元素来模拟酒吧网和底部的酒吧。进行网格敏感性分析,混凝土板的网格大小是60毫米,50 mm, 40毫米。相对应的剩余承载能力不同的网格大小是327.1 kN, 317.9 kN,分别和319.3 kN。考虑到计算效率,50 mm的筛孔尺寸是用于混凝土板模拟。钢板和制程连接器是网状的元素大小30毫米和10毫米,分别如图11 (d)。在有限元模型中,裂缝出现的地区被削减的模型。

约束“嵌入式”是用来模拟钢筋和混凝土板之间的交互和约束“领带”是用来模拟制程连接器之间的交互和钢板。采用硬接触模拟混凝土板和钢板之间的相互作用在正常的方向,而点球产权摩擦系数为0.4是用来模拟在切线方向的交互14- - - - - -16]。

理想的弹塑性本构关系采用钢组件,如图12。混凝土损伤塑性模型(CDP)根据2010年模式代码采用混凝土板的力学行为分析(17),是显示在图13。的抗压强度f_c混凝土板的nth负载周期可以通过方程计算(1)。方程(2)是用来计算张力强度的钢板nth负载周期。混凝土的应力-应变关系压缩可分为三个阶段。在第一阶段,应力线性从0增加到0.4f_c。在第二阶段,应力-应变关系曲线是非线性压力从0.4f_c来f_c。在第三阶段,压力下线性随着应变的增加。紧张,混凝土的应力-应变关系可以定义使用断裂能量。

3.3。有限元结果

描述钢板的应力分布,钢板被分为四个部分:板,板,板C, D板,如图14。标本的sp 1在极限载荷下,如果裂纹长度小于钢板的下凸缘的宽度,裂缝附近的应力在A和B板仍能达到屈服强度。板D裂纹附近的应力显著降低由于原因,裂缝穿透钢板的下法兰,如图(15日)。

如图15 (c),盘子B, C和D的裂缝被分成两个部分,分别。此外,板未裂开的。B板的最大应力达到屈服强度自相邻板a与B压力板相比,压力板C显著降低,压力板D是微不足道的。观察钢板的应力分布,它表明,钢板的应力是由于裂缝的存在重新分配。拉应力主要是由板,板板B, C。

图16显示了有限元模型的荷载位移曲线和实验。从有限元模型获得的残余承载力接近试验结果。然而,对于标本sp 1和sp 2,从有限元模型获得的最大位移是不同的测试结果。原因是静态测试时停止中跨的钢板的应力达到屈服强度。

3.4。验证的理论方法

在疲劳试验,被发现在钢板和混凝土板裂缝,这表明,复合甲板部分剪切连接的状态。此外,混凝土板在局部压缩的状态。获得的最大力矩可以根据方程(12)。图17描述了图的垂直荷载下的复合甲板。最大垂直载荷可以通过(30.)如下: 在哪里l_sp是剪切跨度。

终极垂直载荷的复合甲板从理论方法和有限元模型获得与测试结果比较,显示在表中3。之间的最大误差测试结果和理论计算为4%。它表明,理论方法是可靠的。此外,测试结果和有限元模型之间的最大误差为9%,这表明,有限元模型是可以接受的。

4所示。参数分析剩余承载能力

研究剪切跨度的影响l_sp,制程连接器间距l_mc,上法兰混凝土板的深度h_c力学性能的复合甲板上,进行参数分析。分析这些参数有助于疲劳设计的复合甲板。

4.1。剪切跨度的影响

剪切跨度l_sp被设置为400毫米,500毫米,600毫米,800毫米,1000毫米和12000毫米。图18显示了剪跨长度之间的关系l_sp和剩余承载能力F_u、铁得到的有限元模型。当l_sp增加从400毫米到800毫米(100%),F_u、铁从1260.8 kN下降到572.3 kN (54.6%)。当l_sp增加从800毫米到1200毫米(50%),F_u、铁减少从572.3 kN - 327 kN (42.9%)。随着剪跨长度l_sp增加,残余承载能力F_u、铁在初期迅速减少,然后趋于稳定。之间的关系l_sp和F_u、铁是指数。

4.2。制程连接器间距的影响

图19显示制程连接器间距的影响l_mc剩余承载能力的复合甲板。间隔l_mc为200毫米,300毫米,400毫米,500毫米,600毫米,1500毫米和3000毫米。剩余承载能力F_{u,有限元分析}下降了9.4%l_mc从200毫米到300毫米增加(50%)。当l_mc增加从300毫米到400毫米,F_{u,有限元分析}从296.1 kN下降到276.2 kN (6.7%)。当l_mc增加从500毫米到600毫米,F_{u,有限元分析}从253.4 kN下降到239.7 kN (5.4%)。的增加l_mc,F_{u,有限元分析}下迅速在最初的阶段,然后趋于稳定。复合甲板的纵向剪切阻力下降,因为制程连接器的数量减少,导致剩余承载能力的下降的复合甲板。

4.3。混凝土板的上部法兰深度的影响

图20.显示了混凝土板的上部法兰深度之间的关系h_c和剩余承载能力的复合甲板。深度h_c被设置为115毫米,145毫米,175毫米,205毫米,235毫米和265毫米。当h_c增加从115毫米到145毫米,F_{u,有限元分析}从327 kN 451.8 kN (38.2%)。当h_c增加从145毫米到175毫米,F_{u,有限元分析}从451.8 kN 565.6 kN (25.2%)。当h_c增加从205毫米到235毫米,F_{u,有限元分析}从650 kN - 768 kN (18.2%)。当h_c增加从235毫米到265毫米,F_{u,有限元分析}从768 kN - 826 kN (7.6%)。之间的关系h_c和F_{u,有限元分析}是线性的,如图20.。它表明,残余承载力的复合甲板可以改善提高h_c适当。混凝土板的深度的增加提高了截面的惯性矩的复合甲板,这提高了抗弯性能的复合甲板。

5。结论

上面的调查的基础上,主要研究结果可以得出如下:(1)之间的最大误差理论结果和试验结果是4%。它表明,理论方法基于材料强度退化理论是可靠的。(2)钢板的应力再分配发生由于裂缝的存在。如果裂纹的长度小于低凸缘的宽度钢板,钢板的下法兰的压力仍然可以达到屈服强度。(3)之间的最大误差试验结果和有限元模型是9%。它表明,有限元模型的仿真结果是可以接受的。(4)在参数分析,l_sp和l_mc增加,残余容量指数下降。此外,之间的关系h_c剩余承载能力是线性的。本研究是有益的疲劳设计的复合甲板。

数据可用性

本研究中所有生成的数据或分析包括在发表的这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。