高强混凝土中栓钉-橡胶组合连接件抗剪延性提升机制与损伤变形机理研究

Rubber-sleeved studs have larger ductility than ordinary studs. In steel-high strength concrete composite structures, they can be used to improve the ductility of the interface between steel and high strength concrete, and release the shear force concentration of shear connectors. However, only studies on rubber-sleeved studs in normal concrete were reported, and several key problems such as the deformation mechanism have not been fully resolved. Therefore, research on the behavior of rubber-sleeved headed studs in high strength concrete under shear loading will be made in this program: based on the results of static and fatigue push-out tests and refined nonlinear finite element models, stud-rubber-concrete interaction mechanisms and fatigue damage process of rubber-sleeved headed studs are analyzed; then, a theoretical model of a beam on nonlinear foundation is established with the aim to clarify the ductility, fatigue damage and deformation mechanism of rubber-sleeved headed studs; finally, methods for calculating static mechanical properties and for estimating the fatigue life of rubber-sleeved headed studs are proposed. This program would contribute to promising the application of rubber-sleeved headed studs.

栓钉-橡胶组合连接件相较于普通栓钉连接件具有更好的抗剪延性。在钢-高强混凝土组合结构中采用该连接件，能够有效提升钢与高强混凝土界面上的抗剪延性，缓解连接件的受剪集中。然而，目前只有栓钉-橡胶组合连接件在普通混凝土中应用的相关报道，并且其抗剪变形机理等核心科学问题还未完全解决。为此，本项目将开展该连接件在高强混凝土中的抗剪性能研究：通过开展静力和疲劳推出试验研究，并结合精细化非线性有限元模型分析，重点揭示栓钉-橡胶-混凝土相互作用机制和疲劳损伤过程；在此基础上，建立考虑疲劳损伤的非线性弹簧-地基梁的理论分析模型，明确栓钉-橡胶组合连接件的抗剪延性提升机制和损伤变形机理；最后，建立静力关键力学指标计算方法和疲劳寿命评估方法。本项目研究成果将为栓钉-橡胶组合连接件设计方法的完善和工程应用的推广，提供重要的理论基础和试验依据。

既往研究主要针对栓钉-橡胶组合连接件的静力性能，尚未涉及其疲劳性能。为此，本文开展了普通混凝土和超高性能混凝土（UHPC）中栓钉-橡胶组合连接件的疲劳性能试验和有限元分析，主要内容包括：.1）开展了9个普通混凝土中栓钉-橡胶组合连接件疲劳推出试验，得到了不同疲劳应力幅作用下不同橡胶套高度的连接件的荷载-滑移曲线、疲劳破坏模式和疲劳寿命；分析了刚度退化规律和疲劳损伤机理；对比分析了栓钉-橡胶组合连接件与普通栓钉连接件疲劳性能的异同，建立了基于名义剪应力的疲劳寿命评估方法。.2）开展了UHPC中栓钉-橡胶组合连接件2个静力和3个疲劳推出试验，获得了UHPC中栓钉-橡胶组合连接件静力破坏模式、抗剪承载力、荷载-滑移曲线和抗剪刚度，比较分析了其疲劳性能与普通混凝土中疲劳性能的差异，讨论了UHPC对栓钉-橡胶组合连接件静力和疲劳性能的影响。.3）采用有限元计算软件ABAQUS建立了栓钉-橡胶组合连接件的三维非线性有限元模型，明确了疲劳加载时栓钉的应力和应变状态，进而分别基于临界面法预测了疲劳裂缝萌生寿命，基于断裂力学预测了疲劳裂缝扩展寿命，并通过开展有限元参数分析，研究了影响栓钉-橡胶组合连接件疲劳性能的关键因素，建立了基于有限元模型的疲劳寿命评估方法。.本项目研究成果将为栓钉-橡胶组合连接件设计方法的完善和工程应用的推广，提供重要的理论基础和试验依据。