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原文传递独柱墩增设抗倾覆钢托梁界面抗剪承载性能研究

论文题名：	独柱墩增设抗倾覆钢托梁界面抗剪承载性能研究
关键词：	独柱墩桥梁;抗倾覆加固;钢托梁;钢抱箍;螺栓连接;抗剪性能
摘要：	随着我国社会需求和交通流量的快速增长，大量城市道路和高速公路的独柱墩桥梁的横向抗倾覆性能已经达不到安全营运的需求。为了提高独柱墩桥梁营运的安全性，必需对独柱墩桥梁进行抗倾覆加固。目前，增设抗倾覆钢托梁加固法是一种应用比较广泛的独柱墩加固方法，可以有效的提高独柱式混凝土桥墩的横向抗倾覆能力。采用该加固方法加固独柱墩，即在原墩柱顶端横向增设钢托梁，把原墩柱横向单点受力体系改变为三点受力体系，钢托梁通过钢抱箍和钢抱箍界面高强螺栓与原墩柱进行连接，并在墩柱与抱箍接触界面填充填充层。而钢抱箍界面螺栓则是抱箍-钢托梁加固体系中从钢托梁向混凝土桥墩传递内力的关键构件。因此，本文着重研究基于抱箍-钢托梁结构体系的高强螺栓剪力连接件承载性能。　　前人对钢-混组合结构剪力连接件的研究，大多在金属连接件上，尤其是开展了大量的针对栓钉剪力键的研究。但对于钢抱箍-钢托梁结构体系中，钢抱箍与墩柱界面设置了填充层，目前常用的填充层材料有环氧树脂和高强度环氧砂浆两种，因此该结构体系的剪力连接件是胶结材料与金属连接件共同作为抗剪键。因此，本文根据抱箍-钢托梁加固体系中钢抱箍界面螺栓结构形式，开展了高强螺栓剪力连接件的界面抗剪性能研究，并根据实际工程施工遇到的螺栓布置与原墩柱钢筋位置冲突、填充层厚度影响等问题，本文主要开展了如下工作：　　1）设计并制作了预实验4个螺栓剪力连接件，正式试验11个螺栓剪力连接件，并进行推出试验。试验参数包括螺栓横向间距、螺栓竖向间距、钢板与混凝土块之间界面处理方式、灌浆层厚度、螺栓直径、螺栓排数等。根据推出试验结果的荷载-竖向滑移曲线、荷载-横向剪胀曲线、破坏模式、极限抗剪承载力、初始抗剪刚度、延性性能等方面，分析剪力件的抗剪性能。试验结果表明：对于钢-混凝土界面采用环氧树脂胶层处理的试件而言，剪力件会出现脆性破坏，不利于工程实际上的应用；随着灌浆层厚度的增加，剪力件的初始抗剪刚度也相应的提高，但是极限承载能力并不会出现较大的变化；对于螺栓横向间距不同的试件，当螺距增大到一定程度时，例如本研究中螺栓横向间距达到210mm时，传力路径过长，会出现高强螺栓先滑动的情况，造成极限承载能力下降。而对于不同竖向螺距的剪力件，其破坏特征并不会受竖向螺距太大的影响。随着螺栓排数的增加，高强螺栓钉剪切刚度和单根螺栓平均强度的逐渐降低，这说明螺栓应力不均匀传递的影响对本文研究的剪力件的影响不能被忽略；随着螺栓直径的增大，其抗剪强度大幅度增大，这表明，钢抱箍界面螺栓剪力件抗剪性能主要由螺栓自身材料性能决定。　　2）建立高强螺栓推出试件有限元模型，进一步探究了钢抱箍界面螺栓结构形式的螺栓剪力连接件的抗剪性能。通过荷载-竖向滑移曲线、极限抗剪承载力和破坏模式等方面验证了剪力件仿真模型的适用性及精确性。以螺栓排数、灌浆层结构形式和混凝土块强度进一步做参数拓展分析。研究结果表明：随着螺栓排数的增加，螺栓剪力件的应力不均匀传递的影响愈发明显。随着螺栓排数的增加，螺栓剪力连接件单根螺栓的平均极限抗剪承载能力和平均抗剪刚度逐渐减小；凿除混凝土块保护层设置灌浆层的结构形式相比于灌浆层外置于混凝土块与钢板之间，其极限抗剪承载力和抗剪刚度会更加优异；对于本研究中的螺栓剪力件的结构形式，混凝土块的强度（≤50MPa）并不会影响其极限抗剪承载力和抗剪刚度。　　3）参考目前比较常用的栓钉剪力连接件的抗剪承载力计算公式，推导得到适用于钢抱箍界面螺栓剪力连接件极限抗剪承载力的简化计算公式，将推导公式值与试验值、有限元模拟值对比。对比结果表明：本文推导得到的计算公式可较精准地预测钢抱箍界面螺栓结构形式的剪力连接件的抗剪极限承载力。　　4）利用有限元分析软件，参考实际工程，建立了抗倾覆钢托梁足尺有限元模型，以进一步探究抗倾覆钢托梁承载性能及其钢抱箍界面螺栓极限抗剪承载能力。研究结果表明：抗倾覆钢托梁在最不利荷载1780kN的作用下，各部分构件仍处于弹性阶段；抗倾覆钢托梁单侧极限承载能力初步分析结果为3100.29kN；从螺栓的应力分布来看，加载支座正下方的螺栓是主要的受力构件，该部分螺栓主要受外荷载直剪效应；本文推导出的剪力连接件抗剪极限承载力计算公式可以较为准确的预测抗倾覆钢托梁体系中钢抱箍界面螺栓极限抗剪承载力。
作者：	李培森
专业：	土木工程
导师：	姜海波
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2023