STUDY ON THE PULL-OUT PERFORMANCE OF COMPOSITE DOWELS IN STEEL-UHPC STRUCTURES
-
摘要:
为研究一种新型钢-UHPC组合销连接件的拉拔性能，基于长沙市万家丽匝道桥单箱双室钢箱+UHPC桥面板的组合销连接件，在准确反应上述钢混组合箱梁连接部位竖向抗剪能力的基础上，设计制作了2组共16个组合销连接件即钢销-栓钉组合连接件和纯钢销连接件，开展抗拉拔试验。辅以ABAQUS有限元数值模拟和理论公式推导分析，提出了单个钢销及多个钢销在UHPC中的极限拉拔承载力计算公式。研究表明：组合销连接件初始破坏形态均为UHPC延性破坏，包括剪切破坏和轴拉破坏；钢销-栓钉连接件在拉拔过程中的刚度和承载力均高于纯钢销连接件，加入栓钉后，试件可提高约47%~85%的拉拔承载力；增大钢销的有效埋置深度、UHPC抗拉强度及承托体积，可以增大组合销连接件的抗拔极限承载力。基于混凝土承载力设计(concrete capacity design, CCD)模型理论，推导出组合销连接件的抗拉拔锚固能力的计算公式；对比组合销连接件的抗拉拔承载力的理论计算值与试验值，两者吻合较好。
-
关键词:
- 桥梁工程 /
- 钢-UHPC组合结构 /
- 组合销连接件 /
- 拉拔试验 /
- 拉拔极限承载力
Abstract:In order to study the pullout performance of a new type of steel-UHPC composite dowel connector, based on the steel dowel connector of a single-box double-cell steel box of UHPC bridge deck of Wanjiali Ramp Bridge in Changsha City, and on the basis of accurately reflecting the vertical shear resistance of the connection parts of the steel-concrete composite box girder, two groups of 16 composite dowel connectors (steel dowel-stud and steel dowel) were designed and manufactured, and pull-out tests were carried out. The formula for calculating the ultimate pull-out capacity of a single steel dowel and multiple steel dowel in UHPC was proposed by the grounds of ABAQUS finite element numerical simulation and on theoretical formula derivation analysis. The results showed that the initial failure modes of the composite dowel connectors were UHPC ductile failure, including shear failure and axial tensile failure. The stiffness and bearing capacity of steel dowel-stud connectors were higher than those of steel dowel ones. After adding studs, the pull-out bearing capacity of the specimen could be increased by about 47% ~ 85%. The ultimate pull-out bearing capacity of the new composite dowel connector could be increased by increasing the effective embedding depth of the steel dowel, the tensile strength of UHPC and the supporting volume. Based on the Concrete capacity design (CCD) model theory, the calculation formula for the pull-out anchorage capacity of the tenon-type composite dowel was derived. Comparing the theoretical calculation value and the experimental value of the pull-out bearing capacity of the tenon-type composite dowel, the two were in a good agreement.
-
近年来，国内外学者将超高性能混凝土(ultra-high-performance concrete, UHPC)材料应用于钢-混凝土组合梁中，新型钢-UHPC组合结构桥梁具有减小截面尺寸和自重、提高结构承载力与耐久性等优势[1]，已在工程建设领域得到广泛应用。钢混间的剪力连接件，是保障全寿命周期内组合梁中钢结构与混凝土结构层协同受力，并保持结构力学性能稳定的前提。当前各类钢-UHPC组合结构，通常采用栓钉连接件和PBL连接件。栓钉连接件在使用寿命期间会出现一些疲劳问题[2]，PBL连接件解决了栓钉的疲劳问题，并具有较高的承载能力[3]，但其孔内钢筋的定位和安装存在一定的困难。2008年，由PBL连接件演化而来的组合销连接件被成功应用于波兰沃索西纳河铁路桥上[4]。相较于栓钉和PBL连接件，组合销连接件采用切割加工成型的生产技术；且在组合梁中应用时不需要设置上部钢翼缘。上述采用组合销连接件的钢-UHPC组合结构具有承载能力高、延性佳的优点，抗疲劳特性以及便捷的施工特点[5]，在欧洲中小型跨径的钢-混预制组合桥梁中得到了广泛应用[6]，如图1所示。
诸多学者开展了大量有关组合销连接件的研究工作，包括室内试验、有限元分析和理论研究。在国外，LORENC等[7 − 8]提出了钢销破坏的剪切设计方法，提出了在剪切[9]和拉伸荷载[10 − 11]以及拉剪相互作用下的混凝土破坏模型[12]。LECHNER等[13]发现，组合销在UHPC中具有更好的力学性能，并确定了组合销在UHPC构件中的两种失效模式，钢销破坏和UHPC劈裂破坏。在国内，聂建国等[14]针对可有效改善组合梁负弯矩区受力性能的抗拔不抗剪连接件，提出了其承载力简化设计公式与构造措施要求。程震宇等[15]提出组合销在钢-UHPC波形桥面板结构中纵桥向与横桥向的极限抗剪承载力公式。当前组合销的相关研究主要集中在其抗剪性能，关于UHPC中组合销的拉拔性能研究尚未深入开展，组合销连接件的主要应用形式如图2所示。
为了防止在外力作用下混凝土板和钢构件之间发生分离，组合销必须为钢混连接件中的拉力传递提供足够的锚固能力，因此需重视组合销连接件的抗掀起设计。为研究UHPC中组合销的拉拔破坏模式，揭示其在受力过程中力学性能的变化规律，阐明破坏机理。本文基于一座钢-UHPC组合梁桥所采用的组合销连接件设计拉拔试件并进行试验，采用试验与理论分析相结合的方式，对UHPC中组合销的拉拔性能开展研究。
1 抗拉拔试验设计
长沙市万家丽匝道桥采用了全预制钢-UHPC组合箱梁。与原钢箱梁设计方案相比，采用UHPC作为顶板来替代正交异性钢桥面板。全预制的钢-UHPC结构既降低了工程造价，又避免出现正交异性钢桥面板桥面铺装开裂等病害，整体经济性更佳，施工也可快速吊装完成。UHPC桥面板增加承托，既保证了腹板处钢-UHPC界面的连接，也同时增大了UHPC桥面板的刚度。如图3所示，钢-UHPC预制组合箱梁在承托位置处采用组合销连接件进行连接，该连接件的钢销部分采用倒梯形的组合销连接件/(榫型组合销)，避免应力集中，在四个角处增加较大的圆形倒角, 如图4所示。同时为避免组合销连接件在抵抗掀起力时对UHPC锚固能力不足，在钢销侧向加入栓钉，通过增加侧向连接来提高组合销连接件在竖直方向上的连接性能。为了研究组合销连接件的抗剪性能，本文依据实桥尺寸设计了16个组合销拉拔试件进行试验研究工作。
![]()
图 4 组合销连接件组成部分Figure 4. Components of ' tenon ' type composite with overall prefabrication dowel shear connectors1.1 模型设计
为研究组合销连接件的拉拔性能，偏保守的不考虑顶板UHPC和钢板的粘结，仅考虑组合销连接件与UHPC的抗拉拔性能，尺寸依据实桥承托与腹板的连接形式，取一个组合销的间距ex，进行足尺模型实验。分别设计两种连接件形式(如图4)进行对比分析，分别为：① 纯钢销连接件(D组试件)；② 钢销-栓钉组合连接件(S组试件)。其中，hd为钢销高度；ex为一个组合销连接件的间距长度。各组试件正面尺寸相同，具体尺寸如图5所示。试件上部矩形区域为加载区；下部梯形部分为承托，承托是UHPC和组合销连接件的锚固部分。试件中的钢销采用与实桥相同尺寸的100 mm和70°倾角，并设置了高度为60 mm作为对照组，以及65°倾角作为对照组；试件的厚度取一个组合销连接件的间距ex。钢销-栓钉组合连接件采用ϕ19×60的栓钉，试件构造参数如表1所示。在受拉过程中，试件可能会因钢销滑移导致下部UHPC受拉开裂，所以应对试件加设底部纵向钢筋。同时，为研究底部纵向钢筋对试件抗拉拔性能的影响，对每种连接件形式均设置了未加设底部纵向钢筋的试件作为对照组。
表 1 抗拉拔试验试件的构造参数Table 1. Structural parameters of pull-out test component编号 连接件形式 UHPC承托尺寸 钢销尺寸 承托厚度(组合销间距)ex/mm 倾角/(°) 宽度/mm 高度hd/mm 
D-60-65-1 钢销 237 65° 94 60 D-60-65-2 钢销 237 65° 94 60 
D-60-70-1 钢销 237 70° 97 60 D-60-70-2 钢销 237 70° 97 60 
D-100-65-1 钢销 217 65° 143 100 D-100-65-2 钢销 217 65° 143 100 
D-100-70-1 钢销 217 70° 146 100 D-100-70-2 钢销 217 70° 146 100 
S-60-65-1 钢销+栓钉 168 65° 94 60 S-60-65-2 钢销+栓钉 168 65° 94 60 
S-60-70-1 钢销+栓钉 168 70° 97 60 S-60-70-2 钢销+栓钉 168 70° 97 60 
S-100-65-1 钢销+栓钉 156 65° 143 100 S-100-65-2 钢销+栓钉 156 65° 143 100 
S-100-70-1 钢销+栓钉 156 70° 146 100 S-100-70-2 钢销+栓钉 156 70° 146 100 1.2 试件制作
试件的具体制作流程为：工厂预制钢销钢板→焊接栓钉→布置应变片→钢板涂油→架设模板并架设钢筋笼→浇筑UHPC→自然养→高温蒸养→作完成。试件制作流程如图6所示。
1.3 材料特性
试件中钢筋均采用HRB400带肋钢筋，栓钉材料采用ML15，钢板和钢销均采用Q345钢材。UHPC材料掺入钢纤维规格为直径0.16 mm、长13 mm的平直型钢纤维，其体积掺量为2%。按照GB/T 31387−2015《活性粉末混凝土》[16]的要求制作材性试件并测得UHPC的立方体抗压强度为152.9 MPa，弹性模量为47.1 GPa，抗拉强度为9.1 MPa。其他材料的基本力学性能见表2，材性试验如图7所示。
表 2 钢材的基本力学性能Table 2. Basic mechanical properties of other materials材料 型号 弹性模量/
GPa屈服强度/
MPa抗拉强度/
MPa抗压强度/
MPa泊松比 钢筋 HRB400 195.0 462 583.0 583.0 0.3 栓钉 ML15 206.0 400 530.0 530.0 0.3 钢板 Q345 206.0 374 521.0 521.0 0.3 UHPC(钢纤维
掺量2%)− 47.1 − 9.1 152.9 0.2 1.4 测点布置及加载方案
组合销连接件抗拉拔试验的加载布置见图8(a)，采用高强度螺栓将钢腹杆固定在台座上，并采用1对100 t的千斤顶对UHPC两侧加载部位进行对称同步加载，同时严格控制对中以免产生偏心荷载。架设DIC设备用于观察试件正面应变变化、裂缝形态和试件各点的位移情况。预加载时以5 kN一级加载至30 kN，随后卸载；正式加载分为力加载和位移加载2个阶段。加载时，以10 kN每级加载，当试件接近破坏时，进行位移加载，当试件达到极限承载力的80%后停止加载，同时停止千分表读数。位移计1和位移计2位于球铰中心线上，用于记录千斤顶加载的位移值，以便控制位移加载和保证对称加载。在钢板和试件承托底部之间的左、右两侧各架设1个千分表(位移计3和位移计4)，用于记录连接件钢板和UHPC之间的相对位移值，具体测点布置见图8(b)；并采用数字图像相关法(digital image correlation, DIC)进行试件正面纵横向裂缝观测。在组合销连接件前端布置横向应变片H1、H2、H3，应变片沿组合销连接件高度等间距布置。为了分析栓钉对组合销连接件抗拉拔力的影响，在栓钉相同高度的同侧边缘位置和中间位置分别布置纵向应变片Z1、Z2、Z0，如图8(c)所示。其中位移计和应变片布置如图9所示。
2 试验结果
2.1 破坏形态
利用DIC技术记录、分析并绘制出试件正面纵、横向裂缝形态。由于两组不同形式的组合销连接件在拉拔过程中的裂缝发展和破坏形式相同，以试件S-100-70-2的正面裂缝为例(如图10)。从试件正面观察，最先出现裂缝的位置为钢销与UHPC连接处，钢销下侧和UHPC接触的位置出现了极小的裂缝。随着荷载增大，裂缝从钢板与UHPC接缝处开始向上延伸，逐渐形成较为明显的竖向主裂缝。随着荷载进一步增大，裂缝不断延伸扩展；在接近极限荷载时，钢销上侧的正面出现了横向裂缝。当荷载达到峰值后，UHPC表面逐渐出现较多细而密的微裂缝；同时，纵、横向主裂缝逐渐向两侧延展，裂缝宽度快速变大。
对于加设底部钢筋的构件，由于钢筋的约束作用，底部裂缝更为细小。由此可见，在UHPC内增加底部钢筋，可以有效减小底部开裂。
2.2 荷载-位移曲线
16个试件的荷载-位移曲线如图12所示，图中荷载-位移曲线中的荷载为两侧力传感器读数之和，钢板与UHPC之间的相对位移取中间位移计3与位移计4的平均值。试验结果表明：① 16个试件的荷载-位移曲线规律基本一致。弹性阶段的荷载-位移曲线大致呈线性趋势。塑性阶段的荷载增长缓慢，相对位移增大。进入破坏阶段后，位移快速增长，UHPC表面裂缝迅速延展，最终导致试件破坏。在试件达到拉拔极限承载力后，各试件均有较好的延性。纯钢销连接件相对钢销-栓钉组合连接件在破坏阶段的承载力下降速度较慢：在钢-UHPC相对位移达到1.5 mm时，仍具有90%以上的承载能力。底部配置钢筋的钢销-栓钉组合连接件也具有较好的延性：在相对位移达到2.0 mm时，其抗拉拔承载力下降不足20%。② 通过对比图10(a)、(b)与图10(c)、(d)可知，60 mm高度的钢销相比于100 mm钢销，试件的抗拉拔承载力下降了40.5%~47.5%。当钢销的高度增加即埋置深度增加，试件的承载能力也显著增加，可见钢销的埋置深度是影响组合销连接件抗拉拔承载力的主要因素。③ 以G-100-70与S-100-70为例，试件的抗拉拔承载力从163.1 kN提高到298.4 kN。总之，栓钉约束可使组合销连接件的抗拉拔刚度提高约49%~67%，抗拉拔承载力提高47%~85%。
2.3 荷载-应变曲线
以D100-70为例，除H1位置外，其他位置均发生了UHPC开裂，如图13所示。当荷载达到0.5Pu时，UHPC承托先在H3位置发生开裂；当荷载接近承载力极限时，Z1位置和H2位置相继发生开裂，试件的最终破坏形态为UHPC开裂破坏。
两种组合销连接件的钢销底部荷载-应变曲线始终为线性，最大应变值不超过1500×10−6，表明试件一直处于线弹性阶段，未达到屈服状态。对比上述两种连接件的钢销倒角处(即Z1位置)的应变可知，相同荷载下的钢销-栓钉组合连接件的钢销倒角处应力要小36%。结果表明，在钢销两侧焊接栓钉可有效降低钢销倒角处的应力集中现象。
为增加承托位置处的抗裂能力，可考虑在钢销两侧的混凝土销位置增设箍筋来提高横向H3位置处UHPC的抗裂能力；同时可以提高承托在竖向Z1和Z2位置UHPC的抗拉能力。
3 有限元分析
3.1 有限元模型
采用ABAQUS有限元软件建立试件抗拉拔试验的有限元模型，如图14所示。在有限元模型中，UHPC结构层、钢腹板和钢销均采用八节点缩减积分单元(C3D8R)模拟；模型上部的钢筋网与底部的纵向钢筋均采用两节点三维桁架单元(T3D2)模拟，模型底部采用全固结来模拟螺栓固定；钢筋网和栓钉通过“Embedded”嵌入到UHPC结构层中。组合销连接件与UHPC结构层之间采用面-面接触，法向采用硬接触(hard contact)，切向粘结-位移采用库仑摩擦模型模拟，摩擦因数取为0.4[17]。网格在钢销处进行加密处理，最小网格划分精度为3 mm。
3.2 材料本构关系
钢板、钢筋和栓钉均采用文献[17]推荐的三折线本构模型。本构模型中的屈服强度、屈服应变、极限强度、极限应变、弹性模量等取值参见表2。
UHPC的材料参数结合材性试验的结果进行定义。采用ABAQUS软件中混凝土损伤塑性模型(concrete damage plasticity model，CDP)来模拟UHPC在荷载下产生损伤带来的力学性能下降，CDP模型参数取值：膨胀角取36°，偏心率取0.1，强度比f取1.16，屈服常数K取0.67，粘性系数取0。结合UHPC的拉、压本构关系定义UHPC的受拉和受压损伤-非弹性应变关系[17]，UHPC的拉应力-应变关系和压应力-应变关系与分别采用张哲等[17]提出的拉伸本构关系，UHPC采用杨剑等[18]提出的UHPC受压本构。
3.3 模型结果验证
在弹性阶段，试验值与有限元值的荷载-位移曲线均近乎直线，且吻合度较高，如图15所示。部分试件的有限元模型界面分离量偏大、抗拔刚度偏小，主要是由于有限元计算时难以准确描述钢销与UHPC之间的粘结锚固作用。进入塑性阶段后，有限元值与试验值的平均误差为8.9%。可知，有限元值与试验值整体吻合良好，验证了有限元模型的正确性，可用来进一步分析结构的受力特性。
对于UHPC的损伤情况，以S100-70-2举例，UHPC实际裂缝图与有限元模型对比如图16所示。结果表明，有限元模型可以较好地模拟钢销拉拔过程中UHPC的损伤情况。
![]()
图 16 UHPC正面实测裂缝与有限元结果对比图Figure 16. UHPC front crack and finite element comparison diagram3.4 参数分析
为进一步探究UHPC中钢销的抗拉拔性能，建立了多个模型进行参数分析，主要影响参数有：钢销宽度与埋置深度、UHPC承托的强度和体积等，具体参数如表3所示，参数分析结果如图17所示。结果表明：① 当受锚固UHPC(即承托)尺寸小于400×300×250时，增大承托的体积，可以提高组合销连接件的抗拉拔能力。② 增加钢销的埋置深度hd从100 mm到130 mm、150 mm，可以分别提升试件的抗拉拔承载力为52.7%和81.5%；可见增加埋置深度，能有效增加试件的抗拉拔承载力。③ 不同强度等级UHPC的组合销连接件的荷载-位移曲线比较接近，UHPC的抗压强度从120 MPa增加到150 MPa、180 MPa，钢销的承载力仅提高了0.9%和1.2%；当增加UHPC的抗拉强度从7 MPa增加到11 MPa时，钢销的抗拉拔承载力提高了28.1%、56.9%，表明增大UHPC的抗压强度对钢销的拉拔影响较小，也就是说UHPC的抗拉强度是影响试件抗拉拔能力的主要因素。④ 增大钢销宽度可提高试件的抗拉拔承载力，钢销宽度从155 mm增加到175 mm、200 mm，可以提高6.8%和10.7%的抗拉拔承载力。对于采用不同的角度、但是宽度相同的钢销，抗拉拔承载力并无明显差别，可知，增加钢销宽度对试件的抗拉拔承载力有所提升；相比之下钢销倾角影响较小。
表 3 各试件的钢销与UHPC参数表Table 3. Steel dowel and UHPC parameters of each specimen编号 钢销尺寸 UHPC尺寸与强度 倾角/
(°)宽度
bd/mm埋置深度
hd/mm承托尺寸
a×b×h/mm抗压强度
fc/MPa抗拉强度
ft/MPaD-100-70 70 146 130 与试验相同 155.3 9.1 1 70 146 130 400×300×250 155.3 9.1 2 70 146 130 800×600×250 155.3 9.1 3 70 146 100 800×600×250 155.3 9.1 4 70 146 150 800×600×250 155.3 9.1 5 70 146 130 800×600×250 180.0 9.1 6 70 146 130 800×600×250 120.0 9.1 7 70 146 130 800×600×250 155.3 11.0 8 70 146 130 800×600×250 155.3 7.0 9 70 175 130 800×600×250 155.3 9.1 10 70 200 130 800×600×250 155.3 9.1 11 65 175 130 800×600×250 155.3 9.1 12 65 200 130 800×600×250 155.3 9.1 ![]()
图 17 不同参数下组合销连接件的抗拉拔承载力Figure 17. Pull-out bearing capacity of composite dowel members以上内容仅限于单个钢销的抗拉拔能力分析，为验证多榫型组合销的拉拔性能，分别对D-100-70和S-100-70两类榫型组合销建立双组合销和三组合销的模型进行分析即分别取2个或3个钢销间距，荷载-位移曲线如图18所示。对于纯钢销连接件，双组合销和三组合销的抗拉拔极限承载力分别为单组合销的2.11倍和3.19倍；对于钢销-栓钉组合连接件，双组合销和三组合销的抗拉拔极限承载力分别为单组合销的2.05倍和2.98倍，说明单个组合销的拉拔性能与多组合销的拉拔性能具有一致性。
![]()
图 18 多组合销的抗拉拔荷载-位移曲线Figure 18. Pullout load-displacement curve of multi-combination pins3.5 不同类型剪力连接件的抗剪承载力结果对比
本文钢销形式的榫型组合销抗剪承载力是由栓钉和钢销共同组成的，国内许多学者对栓钉连接件抗剪性能进行了研究，表4列出了不同学者[19 − 21]研究的栓钉抗剪承载力计算结果和本文榫型组合销抗剪承载力计算结果的对比。结果表明，本文钢销-栓钉连接件中栓钉和钢销的组合抗剪性能良好。可见，结构上一体化成型的榫型组合销可代替传统栓钉连接件用于钢腹板和UHPC桥面板的连接。
表 4 不同学者的栓钉和本文榫型组合销抗剪承载力计算结果对比Table 4. Comparison of shear capacity between studs and composite dowel4 组合销的拉拔承载力
由前文可知，榫型组合销的抗拉拔承载力主要由钢销的埋置深度，UHPC抗拉强度和UHPC锚固区体积有关，UHPC从钢销顶部开裂，并向底部扩展。CLASSEN团队[9 − 10]研究发现，钢销整体的抗拉拔能力可以简化为钢销两侧单个载荷引入点的锚固能力；与栓钉拉拔过程类似，UHPC破碎锥状体被拔出。
CCD模型是FUCHS等[22]通过大数据回归分析得到的可用于计算普通混凝土发生锥体破坏时的极限荷载。在远离混凝土自由边或相邻栓钉的未开裂混凝土中，单栓钉的极限抗拉承载力可按式(1)计算。
Nu=kc⋅√fcu⋅h1.5ef (1) 式中：kc为无裂缝普通混凝土中现浇锚固经验系数，取15.5；fcu为200 mm混凝土的抗压强度；hef为钢销的埋置有效深度。
CLASSEN等[9]提出了用于计算组合销抗拉拔能力的力学模型，使用fct代替fcu，对本文研究的组合销连接件的抗拉拔承载力进行分析，力学模型如图19所示，并示于式(2)。上述力学模型考虑了组合销的嵌入深度、混凝土强度的影响，UHPC锥体从销钉顶部产生，并且可以根据其嵌入深度相互重叠，该模型已被验证适用于UHPC中组合销的锚固承载力计算，且与测试结果具有良好的相关性。由式(2)可知，单个钢销的锚固能力随着埋深的增加而增加，正比于埋置深度的1.5次(FR~h1.5)，承载能力与fct(UHPC的抗拉强度)的成正比。
FR,dowel=k⋅fct⋅hef1.5⋅ICDI0⋅bCDb0 (2) 式中：FR,dowe为单个钢销的抗拉拔锚固能力；k为组合销连接件与UHPC的相互作用影响的拟合系数；fct为UHPC的抗拉拔能力；ICD为实际破碎UHPC锥体横向底部长度，取ICD=3h+min(3h,ex/2)；I0为单个荷载点引起的横向破裂UHPC锥体底部长度，I0=3h；bCD为实际破碎UHPC锥体横向长度；b0为单个荷载点引起的纵向破裂UHPC锥体底部长度，b0=3h。
本文结构由于UHPC部分的宽度有限，无论在正面还是侧面都不是一个完整的椎体状，无法达到上述ICD的长度，需要考虑一定的折减，如图19所示。取横向侧面ICD混凝土厚度即钢销间距ex，bCD按图所示取受拉的实际长度。结合8个榫型组合销连接件的抗拉拔试验值和有限元值，利用差分进化法对系数k进行拟合。通过拟合得出k=33.9，将k值带入式(2)，可得：
FR,dowel=33.9⋅fct⋅hef1.5⋅ICDI0⋅bCDb0 (3) 由图20可知，根据式(3)得出的组合销连接件抗拉拔承载力计算值与试验值吻合较好。理论值与试验值的比值为1.0714，标准差为0.0690，说明公式(3)适用于组合销连接件的抗拉拔承载力计算，具有较高的准确性。
![]()
图 20 试件抗拉拔承载力的试验值与公式值、有限元值对比Figure 20. Pull-out test of specimen, formula, finite element, data comparison针对多钢销的抗拉拔承载力分析，以三个榫型组合销在拉拔载荷下的破坏示意图为例，如图21所示。图21示出了由两个载荷引入点引起的锥体的尺寸和重叠；对于每个载荷引入点，锥体的长度和宽度为3h，可得：
Fn,dowel=33.9⋅fct⋅h1.5⋅In,dowelI0⋅bCDb0 (4) 式中，In,dowel为n个组合销的实际破碎UHPC锥体横向底部长度。
![]()
图 21 三组合销的抗拉拔破坏示意图Figure 21. Schematic diagram of pulling failure of three composite dowels理论值和有限元值的对比结果如表5所示。多组合销的公式平均低估了2.4%，标准偏差为4.1%。亦将上述两种方法的对比结果示于图22。
表 5 多组合销抗拉拔承载力公式值与有限元值对比Table 5. Comparison between formula values and finite element values of multi-composite dowels pull-out bearing capacity编号 组合销数量 理论值FR/kN 有限元值FFEM/kN FFEM/FR D-2 2 330.1 344.5 4.4% D-3 3 495.2 520.3 5.1% D-4 4 660.3 645.1 −2.3% D-5 5 825.4 853.5 3.4% D-6 6 990.5 975.6 −1.5% ![]()
图 22 多组合销抗拉拔承载力公式值与有限元值对比图Figure 22. Schematic diagram of static pulling failure of three composite dowels5 结论
为研究UHPC中榫型组合销连接件的抗拉拔性能，以实际工程为依托，设计制作了2类共16个榫型组合销连接件进行试验研究：纯钢销连接件和钢销-栓钉组合连接件。通过对试件的裂缝发展规律、破坏模式、荷载-位移曲线、拉拔刚度及荷载-应变曲线等进行分析，探究榫型组合销连接件的参数变化对其拉拔性能的影响。
(1)两类榫型组合销连接件的抗拉拔破坏模式均为UHPC结构破坏，钢销-栓钉组合连接件的抗拉拔刚度与承载力更大，钢销上增设栓钉还可以有效降低钢销底部的应力集中现象。影响榫型组合销连接件抗拉拔性能的关键因素为：UHPC的抗拉强度、钢销埋置深度、焊接栓钉和UHPC承托体积，UHPC的抗压强度和钢销的倾角大小对其抗拉拔承载力的影响很小。在组合销上焊接栓钉，其抗拉拔刚度可提高约49%~67%，抗拉拔极限承载力提高约47%~85%。
(2)通过与相关文献中栓钉连接件抗剪承载力的影响对比可知，本文中的榫型组合销在抗剪承载力方面具备可行性。结构上一体化成型的榫型组合销连接件可代替传统栓钉连接件用于钢腹板和UHPC桥面板的连接。
(3)基于CCD模型理论，推导出单个榫型组合销连接件的抗拉拔承载力计算公式，对比单个榫型组合销连接件的抗拉拔承载力的理论值与试验值，两者吻合较好。同时推导出多组合销的抗拉拔承载力公式，对比有限元值与公式值，两者数值较为吻合。
本文将进一步推进榫型组合销连接件的设计理论与计算方法，加快具有强度高、延性好、抗疲劳性能优异的榫型组合销连接件在不同跨径桥梁中的应用。
-
![]()
图 4 组合销连接件组成部分
Figure 4. Components of ' tenon ' type composite with overall prefabrication dowel shear connectors
![]()
图 16 UHPC正面实测裂缝与有限元结果对比图
Figure 16. UHPC front crack and finite element comparison diagram
![]()
图 17 不同参数下组合销连接件的抗拉拔承载力
Figure 17. Pull-out bearing capacity of composite dowel members
![]()
图 18 多组合销的抗拉拔荷载-位移曲线
Figure 18. Pullout load-displacement curve of multi-combination pins
![]()
图 20 试件抗拉拔承载力的试验值与公式值、有限元值对比
Figure 20. Pull-out test of specimen, formula, finite element, data comparison
![]()
图 21 三组合销的抗拉拔破坏示意图
Figure 21. Schematic diagram of pulling failure of three composite dowels
![]()
图 22 多组合销抗拉拔承载力公式值与有限元值对比图
Figure 22. Schematic diagram of static pulling failure of three composite dowels
表 1 抗拉拔试验试件的构造参数
Table 1 Structural parameters of pull-out test component
编号 连接件形式 UHPC承托尺寸 钢销尺寸 承托厚度(组合销间距)ex/mm 倾角/(°) 宽度/mm 高度hd/mm D-60-65-1 钢销 237 65° 94 60 D-60-65-2 钢销 237 65° 94 60 D-60-70-1 钢销 237 70° 97 60 D-60-70-2 钢销 237 70° 97 60 D-100-65-1 钢销 217 65° 143 100 D-100-65-2 钢销 217 65° 143 100 D-100-70-1 钢销 217 70° 146 100 D-100-70-2 钢销 217 70° 146 100 S-60-65-1 钢销+栓钉 168 65° 94 60 S-60-65-2 钢销+栓钉 168 65° 94 60 S-60-70-1 钢销+栓钉 168 70° 97 60 S-60-70-2 钢销+栓钉 168 70° 97 60 S-100-65-1 钢销+栓钉 156 65° 143 100 S-100-65-2 钢销+栓钉 156 65° 143 100 S-100-70-1 钢销+栓钉 156 70° 146 100 S-100-70-2 钢销+栓钉 156 70° 146 100 
下载: 导出CSV
表 2 钢材的基本力学性能
Table 2 Basic mechanical properties of other materials
材料 型号 弹性模量/
GPa屈服强度/
MPa抗拉强度/
MPa抗压强度/
MPa泊松比 钢筋 HRB400 195.0 462 583.0 583.0 0.3 栓钉 ML15 206.0 400 530.0 530.0 0.3 钢板 Q345 206.0 374 521.0 521.0 0.3 UHPC(钢纤维
掺量2%)− 47.1 − 9.1 152.9 0.2
下载: 导出CSV
表 3 各试件的钢销与UHPC参数表
Table 3 Steel dowel and UHPC parameters of each specimen
编号 钢销尺寸 UHPC尺寸与强度 倾角/
(°)宽度
bd/mm埋置深度
hd/mm承托尺寸
a×b×h/mm抗压强度
fc/MPa抗拉强度
ft/MPaD-100-70 70 146 130 与试验相同 155.3 9.1 1 70 146 130 400×300×250 155.3 9.1 2 70 146 130 800×600×250 155.3 9.1 3 70 146 100 800×600×250 155.3 9.1 4 70 146 150 800×600×250 155.3 9.1 5 70 146 130 800×600×250 180.0 9.1 6 70 146 130 800×600×250 120.0 9.1 7 70 146 130 800×600×250 155.3 11.0 8 70 146 130 800×600×250 155.3 7.0 9 70 175 130 800×600×250 155.3 9.1 10 70 200 130 800×600×250 155.3 9.1 11 65 175 130 800×600×250 155.3 9.1 12 65 200 130 800×600×250 155.3 9.1
下载: 导出CSV
表 4 不同学者的栓钉和本文榫型组合销抗剪承载力计算结果对比
Table 4 Comparison of shear capacity between studs and composite dowel
下载: 导出CSV
表 5 多组合销抗拉拔承载力公式值与有限元值对比
Table 5 Comparison between formula values and finite element values of multi-composite dowels pull-out bearing capacity
编号 组合销数量 理论值FR/kN 有限元值FFEM/kN FFEM/FR D-2 2 330.1 344.5 4.4% D-3 3 495.2 520.3 5.1% D-4 4 660.3 645.1 −2.3% D-5 5 825.4 853.5 3.4% D-6 6 990.5 975.6 −1.5%
下载: 导出CSV
-
[1] 邵旭东, 邱明红, 晏班夫, 等. 超高性能混凝土在国内外桥梁工程中的研究与应用进展[J]. 材料导报, 2017, 31(23): 33 − 43. doi: 10.11896/j.issn.1005-023X.2017.023.004 SHAO Xudong, QIU Minghong, YAN Banfu, et al. A review on the research and application of ultra-high performance concrete in bridge engineering around the world [J]. Materials Reports, 2017, 31(23): 33 − 43. (in Chinese) doi: 10.11896/j.issn.1005-023X.2017.023.004
[2] 荣学亮, 黄侨, 赵品. 考虑疲劳损伤的栓钉连接件抗剪承载力研究[J]. 中国公路学报, 2013, 26(4): 88 − 93, 101. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2013.04.012 RONG Xueliang, HUANG Qiao, ZHAO Pin. Study on shear capacity of stud connectors subjected to fatigue damage [J]. China Journal of Highway and Transport, 2013, 26(4): 88 − 93, 101. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2013.04.012
[3] VELDANDA M R, HOSAIN M U. Behaviour of perfobond rib shear connectors: Push-out tests [J]. Canadian Journal of Civil Engineering, 1992, 19(1): 1 − 10. doi: 10.1139/l92-001
[4] LORENC W. The design concept for the steel part of a composite dowel shear connection [J]. Steel Construction, 2016, 9(2): 89 − 97. doi: 10.1002/stco.201610014
[5] PARDESHI R T, PATIL Y D. Review of various shear connectors in composite structures [J]. Advanced Steel Construction, 2021, 17(4): 394 − 402.
[6] KOPP M, WOLTERS K, CLAßEN M, et al. Composite dowels as shear connectors for composite beams-Background to the design concept for static loading [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2018, 147: 488 − 503. doi: 10.1016/j.jcsr.2018.04.013
[7] LORENC W, KOŻUCH M, ROWIŃSKI S. The behaviour of puzzle-shaped composite dowels-Part I: Experimental study [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2014, 101: 482 − 499. doi: 10.1016/j.jcsr.2014.05.013
[8] LORENC W, KOŻUCH M, ROWIŃSKI S. The behaviour of puzzle-shaped composite dowels—Part II: Theoretical investigations [J]. Constructional Steel Research, 2014, 101: 500 − 518. doi: 10.1016/j.jcsr.2014.05.012
[9] CLASSEN M, HEGGER J. Anchorage of composite dowels [J]. Steel Construction, 2016, 9(2): 138 − 150. doi: 10.1002/stco.201610011
[10] CLASSEN M, HEGGER J. Anchoring behavior of composite dowels in slender concrete chords [J]. Bautechnik, 2014, 91(12): 869 − 883. doi: 10.1002/bate.201400058
[11] CLASSEN M, HERBRAND M, ADAM V, et al. Puzzle-shaped rib shear connectors subjected to combined shear and tension [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2018, 145: 232 − 243. doi: 10.1016/j.jcsr.2018.02.036
[12] PETZEK E, SCHMITT V, METES E, et al. Romanian projects and integral bridge solutions based on composite dowels [J]. Steel Construction, 2016, 9(3): 161 − 169. doi: 10.1002/stco.201610022
[13] LECHNER T, GEHRLEIN S, FISCHER O. Structural behaviour of composite dowels in thin UHPC elements [J]. Steel Construction, 2016, 9(2): 132 − 137. doi: 10.1002/stco.201610012
[14] 聂建国, 陶慕轩, 聂鑫, 等. 抗拔不抗剪连接新技术及其应用[J]. 土木工程学报, 2015, 48(4): 7 − 14, 58. NIE Jianguo, TAO Muxuan, NIE Xin, et al. New technique and application of uplift-restricted and slip-permitted connection [J]. China Civil Engineering Journal, 2015, 48(4): 7 − 14, 58. (in Chinese)
[15] 程震宇, 张清华, 邓鹏昊, 等. UHPC中MCL形组合销的抗剪性能[J]. 中国公路学报, 2021, 34(8): 205 − 217. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2021.08.018 CHENG Zhenyu, ZHANG Qinghua, DENG Penghao, et al. Study on shear behavior of MCL-shaped composite dowels in UHPC [J]. China Journal of Highway and Transport, 2021, 34(8): 205 − 217. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2021.08.018
[16] GB/T 31387−2015, 活性粉末混凝土[S]. 北京: 中国标准出版社, 2015. GB/T 31387−2015 Reactive powder concrete [S]. Beijing: Standards Press of China, 2015. (in Chinese)
[17] 张哲, 邵旭东, 李文光, 等. 超高性能混凝土轴拉性能试验[J]. 中国公路学报, 2015, 28(8): 50 − 58. doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2015.08.007 ZHANG Zhe, SHAO Xudong, LI Wenguang, et al. Axial tensile behavior test of ultra high performance concrete [J]. China Journal of Highway and Transport, 2015, 28(8): 50 − 58. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-7372.2015.08.007
[18] 杨剑, 方志. 超高性能混凝土单轴受压应力-应变关系研究[J]. 混凝土, 2008(7): 11 − 15. doi: 10.3969/j.issn.1002-3550.2008.07.004 YANG Jian, FANG Zhi. Research on stress-strain relation of ultra high performance concrete [J]. Concrete, 2008(7): 11 − 15. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1002-3550.2008.07.004
[19] 袁舟, 丁然, 武维宏, 等. 钢-UHPC组合界面栓钉压-弯-剪受力性能研究[J/OL]. 工程力学, 2024: 1 – 12. http://engineeringmechanics.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2024.01.0008, 2025-03-18. YUAN Zhou, DING Ran, WU Weihong, et al. Research on compression-bending-shear behaviour of shear studs at steel-UHPC composite interface [J/OL]. Engineering Mechanics, 2024: 1 – 12. http://engineeringmechanics.cn/article/doi/10.6052/j.issn.1000-4750.2024.01.0008, 2025-03-18. (in Chinese)
[20] 邓宗才, 黄松, 薛会青. 钢-UHPC轻型组合结构短栓钉抗剪性能试验研究[J]. 天津大学学报(自然科学与工程技术版), 2024, 57(1): 42 − 52. DENG Zongcai, HUANG Song, XUE Huiqing. Experimental study on shear behavior of short studs in steel-UHPC light composite structure [J]. Journal of Tianjin University (Science and Technology), 2024, 57(1): 42 − 52. (in Chinese)
[21] 李聪, 陈宝春, 胡文旭, 等. 钢-UHPC组合板栓钉抗剪承载力、滑移与刚度计算[J]. 工程力学, 2023, 40(6): 110 − 121. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0881 LI Cong, CHEN Baochun, HU Wenxu, et al. Calculation of shear bearing capacity, slip and stiffness of headed studs in steel-UHPC composite slab [J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(6): 110 − 121. (in Chinese) doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0881
[22] FUCHS W, ELIGEHAUSEN R, BREEN J E. Concrete capacity design (CCD) approach for fastening to concrete [J]. Structural Journal, 1995, 92(1): 73 − 94.
计量
- 文章访问数: 10
- HTML全文浏览量: 2
- PDF下载量: 1
