钢箱－砼组合结构PBH剪力连接件的传力机制与疲劳性能研究

Steel box-concrete composite structure, having been widely used in multiple arch bridges is a new composite structure proposed by our team, aiming at which, PBH as a shearing connector is newly proposed which works well in improving the structural form and simplifying the construction. Up to now, there are still some critical problems on PBH to be solved such as the load-transferring mechanism of PBH of single row or multiple rows, the fracture mechanism and the bearing capacity analysis methods of PBH and the fatigue mechanism or some other about fatigue property of PBH. Basing on the continuous researches on steel-concrete composite structure, through electron microscope, MTS, and some other advanced test instruments, the load-transferring mechanism and fatigue property of PBH are studied combining with the theoretical mechanics model, numerical simulation and experimental researches of both static and dynamic. The research results would be the further emphasis of the study of steel-concrete composite structure, building strong theoretical foundation of the application of PBH and providing important supplement for the study of shearing connector of steel-concrete composite structure.

本课题组提出的钢箱－混凝土组合拱桥已应用于多座拱桥中，PBH剪力连接件为针对钢箱－混凝土组合结构首次提出的新型剪力连接件，在结构形式及施工便捷性有良好表现。迄今为止，单排PBH的局部应力传递机制、排间PBH全过程传力机理、PBH的破坏机理、承载力分析方法以及PBH疲劳损伤性能等方面研究仍有待开展。课题组将在多年钢砼组合结构研究积累和大量前期研究的基础上，结合理论模型、数值模拟及静动力试验研究手段，利用电子显微镜、MTS结构动力实验系统等先进试验仪器，开展上述钢箱－砼组合结构PBH剪力件传力机制及疲劳性能问题研究。本课题研究成果将作为钢箱－砼组合结构进一步深入研究的重要内容，为钢箱－砼组合结构应用打下良好理论基础，并为钢砼组合结构剪力键类似研究提供重要补充和参考。

钢箱－砼组合结构是由课题组提出的新型组合结构，新型钢箱－砼组合拱桥已应用于多座拱桥中。课题组针对钢箱－砼组合结构提出了新型开孔加劲肋套箍剪力连接件（Perfobond Hoop，以下简写为PBH），前期初步研究表明该剪力连接件在受力性能上表现良好，同时具有良好的施工便捷性。.在本项目开展前，单排PBH的局部应力传递机制、排间PBH全过程传力机理、PBH的破坏机理、承载力分析方法以及PBH疲劳损伤性能等方面研究均有待开展。为了对钢箱－砼组合结构以及PBH剪力键受力性能作进一步深入研究，课题组在多年钢砼组合结构研究积累的基础上，结合数学模型、数值模拟、静动力试验研究，对单排及多排PBH全过程传力机理、PBH的破坏机理及承载力分析方法、PBH疲劳机理及疲劳损伤模型等方面开展了进一步的深入研究，从而为该新型剪力连接件和钢箱－砼组合结构的设计和应用提供重要理论依据。. 在单排PBH、多排PBH（2-5排）及PBH群（5-11排）的试验研究及数值模拟的基础上，开展了其力学模型及传力机理研究，提出了各自的应力传递机制，并最终建立了各自的抗剪承载力计算方法。在对试验现象的规律总结后，提出PBH群的破坏形态及界面应力分布规律，其破坏形态为混凝土劈裂破坏及穿孔钢筋受弯屈服；沿高度方向的界面滑移呈现“两端大中间小”的分布规律；PBH群抗剪极限承载力随剪力键排数增加而折减，且排数越多，折减越多。折减效应分析认为，该折减的原因来自于沿抗剪界面的滑移分布不均匀。并由此提出了PBH群承载力折减系数，试验表明该折减效应最高可达30%。. 对PBH疲劳性能的研究时，试验研究得到PBH疲劳破坏模式，可分为三个阶段：初期快速增长阶段、中期稳定累积阶段和后期快速破坏阶段；荷载比对PBH疲劳损伤过程及寿命影响较大；PBH剪力键的疲劳损伤累积滑移主要由混凝土榫的破碎、迁移造成。并在试验研究及理论分析的基础上提出了PBH的的Δτ-N曲线及疲劳寿命估计方法。. 根据本项目研究成果，已出版专著1部，已发表核心期刊以上论文8篇（其中2篇SCI，1篇EI），已录用论文2篇（其中2篇EI），授权发明专利2项，获得省部级科技进步二等奖两人次（分别排名第1，第2），参与国内外学术会议各1次，已培养硕士研究生4名。