腐蚀环境与低周循环荷载下栓钉连接件抗剪性能退化规律研究

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栓钉连接件是钢-混凝土组合结构中的常用关键构件,主要起到承受钢与混凝土界面之间剪力的作用,腐蚀环境、低周循环荷载等外界因素会使得栓钉连接件的抗剪性能退化。在外界环境有害离子侵蚀下,栓钉发生锈蚀,其有效受力面积减小,栓钉连接件抗剪承载力降低。然而,当前锈蚀栓钉连接件抗剪承载力研究忽视了栓钉锈蚀分布形态的重要影响。在地震引起的低周循环荷载下,栓钉连接件也将发生抗剪性能退化。但是,目前低周循环荷载下栓钉连接件抗剪性能退化规律尚不明确。为此,本文研究了栓钉连接件在腐蚀环境下的栓钉锈蚀分布形态预测方法和抗剪承载力退化规律,以及其在低周循环荷载作用下的抗剪性能退化规律。本文的主要研究成果如下:(1)提出了一种可靠的栓钉锈蚀分布形态预测方法。该方法利用COMSOL Mutiphysics有限元软件建立栓钉连接件3D模型,模拟腐蚀环境下栓钉连接件的氯离子侵蚀过程,获得了栓钉表面的电流密度、氯离子浓度等分布结果。然后,基于栓钉锈蚀的电化学原理,计算得到栓钉的锈蚀分布形态。最后,通过对比分析栓钉锈蚀分布形态试验3D扫描结果与预测结果,验证了该方法的可行性和准确性。(2)分析了锈蚀栓钉连接件抗剪承载力退化规律。首先,基于本文提出的栓钉锈蚀分布形态预测方法,有限元模拟了已有文献中16个栓钉连接件锈蚀试验,获得了栓钉的3D锈蚀分布形态。然后,结合现行规范和栓钉连接件抗剪承载力计算原理,修正了原有试验中的栓钉锈蚀率测量值,发现栓钉根部截面锈蚀率对连接件抗剪承载力影响最大,且抗剪承载力随栓钉根部截面锈蚀率的增大而减小。(3)得到了低周循环荷载作用下栓钉连接件抗剪性能退化规律。开展了栓钉连接件的通电加速锈蚀试验,并对其中5个锈蚀栓钉连接件进行了低周循环加载。研究发现,不同的低周循环加载方案对栓钉连接件的抗剪承载力影响较小,各个试件之间极限抗剪承载力的差别仅有9.9%;早期施加峰值较大的循环荷载相比于后期施加引起的试件累积损伤变形更大;在每一种加载方案下,栓钉连接件的抗剪刚度值均随相对滑移绝对值变化呈非线性退化。此外,在试验结果基础上,针对每一种加载方案下的栓钉抗剪刚度退化结果,各自拟合得到了一条指数型函数抗剪刚度退化曲线。
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