混合结构PBL剪力键群滞回性能、动力模型与损伤评估研究
PBL剪力键（即开孔钢板剪力键）及键群的静力性能研究已较为全面和深入，疲劳性能研究也已有了较多积累，但在低周压-拉往复荷载作用下的性能却缺乏认识。本文通过模型试验，结合理论分析，对混合结构中PBL剪力键的压-拉滞回性能表现、滞回劣化机理、“键群效应”特点、滞回恢复力模型、性能水准划分和损伤评估模型等方面，进行了系统研究。主要的研究工作及成果如下： (1)设计了PBL剪力键拟静力试验，利用荷载-滑移等直观承载特征，探明了PBL剪力键宏观滞回性能表现，采用分布式光纤传感技术等试验测试手段，考察了局部力学响应特征。结果表明：滞回荷载作用下，PBL剪力键滞回曲线初期刚度大，后期延性较好，曲线饱满，耗能性能良好，但PBL剪力键残余变形较明显，对混合结构存在不利影响。相比单调加载情形，峰值承载力明显降低，极限变形能力明显退化。 (2)研究了各构造参数对PBL剪力键滞回性能的影响，揭示了PBL剪力键的滞回劣化机理，提出了承载能力的计算方法。滞回荷载作用下，混凝土界面起伏体往复磨损钝化，损伤累积，剪力-摩擦效应快速退化。由此，穿孔钢筋销栓作用负担加重，变形增大使得渐进损伤加剧，往复作用次数增加使得损伤不断累积，在渐进损伤和累积损伤的耦合作用下，销栓作用退化，峰值销栓力明显降低，极限变形能力减弱。基于滞回劣化机理，建立了剪力-摩擦效应的退化模型；基于弹性地基梁模型，考虑销栓作用剪切曲折效应，确立了峰值销栓力计算模型；结合考虑变形特征的峰值承载力对应滑移确定方法，提出了滞回荷载作用下混合结构PBL剪力键峰值承载能力的计算方法，结果同试验值吻合良好。构造参数中，PBL几何尺寸和钢-混界面黏结对滞回性能综合影响最为明显。 (3)探明了滞回荷载作用下，PBL剪力键群试件键群效应的不明显及其原因。试验中键群试件各排PBL剪力键荷载-滑移滞回表现基本一致，且PBL剪力键群的刚度及承载力与相应的单键性能叠加值相差不大，键群效应不明显，其原因在于：低周往复加载下剪力-摩擦效应快速退化，各PBL剪力键影响范围较单调加载时显著减小，随着往复荷载作用各PBL很快趋于独立，使得各排PBL剪力键的受力较为接近。由此，利用单键峰值承载力计算方法，叠加得到键群试件承载力，计算值与试验值同样吻合良好。 (4)建立了意义明确、计算简便且参数化特征明显，有利于推广应用的滞回恢复力模型。提出了反映PBL剪力键承载机理的骨架曲线模型，基于界面抗力计算模型和销栓作用退化模型等相关理论，提出了曲线模型关键参数的确定方法。根据剪切滑移特征，考虑滑移捏拢效应，建立了双滑移轴模型；基于滞回耗能，考虑强度衰减和刚度退化等滞回劣化行为，确立了滞回规则。由各试件试验参数，采用该恢复力模型分别计算，得到的结果同实测数据均吻合较好，同时有效反映了滑移捏拢特征和滞回劣化行为。 (5)提出了PBL剪力键的性能水准量化体系，确定了具体量化指标和损伤指数范围。结合国内外代表性的性能水准划分和对应的损伤破坏状态识别模式，针对PBL剪力键阶段性性能表现和损伤特征，提出了弹性工作、正常使用、生命安全和倒塌四性能水准划分标准，确定了各性能水准下PBL相对滑移的量化指标。由四阶段损伤状态划分，考虑PBL剪力键损伤演化特点，确定了各阶段损伤指数的范围。 (6)提出并验证了考虑大变形效应和累积效应的耦合影响，无待定系数且满足边界条件要求的有效损伤评估模型。计算表明，该模型对PBL剪力键各损伤界限损伤指数计算均值都与对应损伤状态划分限值吻合良好，且结果离散性较既有损伤模型显著减小。据此对PBL剪力键的损伤演化过程及构造参数影响的分析也反映出，损伤的发展过程同损伤状态阶段划分及滞回承载劣化机理吻合，各构造参数对损伤演化过程的影响与试验及理论分析结果均可相互印证。
组合结构;PBL剪力键群;滞回性能;劣化机理;承载能力;恢复力模型;性能水准;损伤模型
西南交通大学
博士
桥梁与隧道工程
赵灿晖
2021
中文
TU398;TU312.1
2022-12-13（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）