组合结构焊钉连接件本构模型研究

Stud connector is the most common connection type in composite structures, and the deformation of the stud connectors due to the load can cause slips between the steel and concrete. In previous structural analysis, the stud connectors are usually modeled using a nonlinear elastic model, while test results show that nonlinear elasto-plasticity can be found in the initial stage of the loading process of stud connectors. Besides, stud connectors in composite bridges are usually subjected triaxial loading. Now nonlinear elasto-plastic models for stud connectors under triaxial loading cannot be found in the open literature. By adopting the approaches of push-out tests, numerical analysis and analytical modelling, this project aims to propose the empirical initial stiffness of the shear connection in steel and concrete composite structures subjected to combined two-dimensional shear forces and a tensile force, and to propose an elasto-plastic model to depict the elasto-plastic response of the connection under monotonic loading and a bounding surface model to depict the unloading-reloading process, and to propose hysteretic model that can provide a better understanding of the nonlinear behaviour of stud connectors under cyclic loading.

焊钉连接件是钢与混凝土组合结构中最常用的连接件形式，在荷载作用下焊钉连接件会产生变形导致钢与混凝土界面产生滑移。在以往组合结构的分析中，一般采用焊钉连接件的非线性弹性模型，然而试验研究表明，焊钉连接件在加载初期就呈现出弹塑性非线性行为。另外，在组合结构桥梁工程中焊钉连接件往往会承受多轴荷载作用。当前关于多轴荷载作用下焊钉连接件弹塑性本构模型的研究明显不足。本项目拟通过推出试验、数值分析和理论分析结合的方法，首先考察组合结构焊钉连接件初始弹性行为，提出其多轴初始弹性刚度的经验公式。进而，研究焊钉连接件在多轴荷载作用下的弹塑性行为，提出能反应其多轴单调加载的弹塑性模型和能反应其往复加载的边界面弹塑性模型。最后，分析焊钉连接件在多次往复荷载作用下的滞回行为，提出在多轴荷载作用下的滞回模型。

焊钉连接件可以在钢结构表面灵活布置，并且焊接焊钉连接件有专门设备，施工较方便，在组合结构中焊钉连接件得到广泛的应用。因此研究焊钉连接件的受力行为对于组合结构的研究、设计和工程应用具有非常重要的意义。焊钉连接件是组合结构中最常用的连接件形式，在荷载作用下焊钉连接件会产生变形导致钢与混凝土界面产生滑移。在以往组合结构的分析中，一般采用焊钉连接件的非线性弹性模型，然而试验研究表明，焊钉连接件在加载初期就呈现出弹塑性非线性行为。另外，在桥梁工程组合结构中焊钉连接件往往会承受多轴荷载作用。本项目通过推出试验、数值分析和理论分析结合的方法，首先考察了组合结构焊钉连接件初始弹性行为，提出了其初始弹性刚度的经验公式。进而，研究了焊钉连接件在多轴荷载作用下的弹塑性行为，提出了能反应其单调加载的弹塑性模型和能反应其往复加载的边界面弹塑性模型。最后，分析了焊钉连接件在多次往复荷载作用下的滞回行为，提出了在多轴荷载作用下的滞回模型。.本项目基于数值分析和推出试验的结果数据提出了焊钉连接件在多轴荷载作用下的弹塑性本构模型和滞回模型，并提出了其数值方法，编制相关程序。本项目作为一项应用基础性的研究，可直接促进结构非线性分析的发展。项目成果可为组合结构的受力分析提供计算工具，并为相关设计规范的制定和修订提供实验数据和理论基础。