本發(fā)明涉及鋼板-混凝土(SC)組合結(jié)構(gòu)中的抗剪鋼筋。

背景技術(shù)：

目前，抗剪鋼筋作為一種常用的抗剪連接件在鋼板-混凝土(SC)組合結(jié)構(gòu)中大量應(yīng)用，從以往的試驗(yàn)研究結(jié)果與有限元分析結(jié)果來看，抗剪鋼筋提供的抗剪承載力主要由距離抗剪鋼筋與板件(或管件)連接處4倍直徑范圍內(nèi)的抗剪鋼筋與焊接接頭決定，焊接接頭的應(yīng)力最為集中也最為復(fù)雜，4倍直徑范圍內(nèi)抗剪鋼筋的應(yīng)力值最高，超過6倍直徑范圍外的應(yīng)力基本不變。

普通抗剪鋼筋均為圓棒形，常用的焊接方式有摩擦焊與手工焊。采用CO₂氣體保護(hù)焊-坡口焊焊接方式，通過對(duì)抗剪鋼筋在單向荷載作用下與往復(fù)荷載作用下抗剪承載力進(jìn)行試驗(yàn)研究，從試驗(yàn)結(jié)果來看，斷裂位置處于抗剪鋼筋與板件(或管件)的焊接接頭的熱影響區(qū)。同時(shí)，與單向荷載作用下的抗剪承載力相比，往復(fù)荷載作用下抗剪鋼筋的極限抗剪承載力與極限抗剪滑移量均顯著下降，下降幅度在40％左右。由于焊接接頭屬于不均勻體，在高溫?zé)嵫h(huán)作用下，抗剪鋼筋與板件(或管件)的母材金相組織發(fā)生改變，硬度提高，延性降低，形成熱影響區(qū)，當(dāng)抗剪鋼筋提供界面內(nèi)的抗剪作用力時(shí)，焊接接頭處應(yīng)力集中尤其顯著，在較低抗剪作用力下，應(yīng)力集中處產(chǎn)生塑性應(yīng)變，經(jīng)過十幾次循環(huán)荷載，塑性應(yīng)變累積達(dá)到閾值，發(fā)生脆性斷裂。正是由于焊接接頭的超低周疲勞，造成抗剪鋼筋往復(fù)荷載作用下抗剪承載能力的顯著下降。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是要解決現(xiàn)有鋼筋在往復(fù)荷載作用下抗剪承載能力較低的問題，而提供一種抗剪鋼筋。

本發(fā)明的抗剪鋼筋在鋼筋的兩端均為喇叭錐形鋼筋段，抗剪鋼筋中部的鋼筋直徑為d，喇叭錐形鋼筋段的長度為5d，喇叭錐形鋼筋段的鋼筋直徑向著鋼筋端面方向逐漸增大，喇叭錐形鋼筋段的端面直徑為2～2.5d，在喇叭錐形鋼筋段的端面上還設(shè)有焊接層。

鑒于抗剪鋼筋4倍直徑范圍內(nèi)的應(yīng)力值最高以及螺柱焊焊接接頭的超低周疲勞顯著降低了其在往復(fù)荷載作用下的抗剪承載力，本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有抗剪鋼筋的造型進(jìn)行改進(jìn)，降低抗剪鋼筋自身的最大應(yīng)力，提高抗剪鋼筋在往復(fù)荷載作用下屈服極限的抗剪承載能力，抗剪承載能力能達(dá)到普通鋼筋的1.5～2倍。同時(shí)降低焊接接頭熱影響區(qū)的應(yīng)力，將塑性應(yīng)變轉(zhuǎn)移到4倍直徑范圍以外延性較高的抗剪鋼筋本身，避免焊接接頭在往復(fù)荷載作用下的超低周疲勞。

本發(fā)明的抗剪鋼筋能夠有效提高抗剪鋼筋在往復(fù)荷載作用下的極限抗剪承載力與極限抗剪滑移量，實(shí)現(xiàn)抗剪鋼筋在往復(fù)荷載作用下的延性破壞，同時(shí)與具有相同極限抗剪承載力的普通抗剪鋼筋相比，可以極大程度上節(jié)省材料，充分發(fā)揮抗剪鋼筋材性特征。并且抗剪鋼筋造型的改進(jìn)方法簡單，容易操作。

附圖說明

圖1是具體實(shí)施方式五中所述抗剪鋼筋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1的A-A剖面圖；

圖3是配套瓷環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是具體實(shí)施方式七中所述抗剪鋼筋的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是實(shí)施例中抗剪鋼筋5倍直徑長度與鋼筋半徑隨高度的變化曲線圖；

圖6是實(shí)施例中試件的荷載加載示意圖；

圖7是實(shí)施例中抗剪鋼筋與普通鋼筋抗剪承載力荷載位移曲線圖，圖中實(shí)線代表實(shí)施例的抗剪鋼筋，虛線代表普通鋼筋。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的抗剪鋼筋1在鋼筋的兩端均為喇叭錐形鋼筋段1-2，抗剪鋼筋中部1-1的鋼筋直徑為d，喇叭錐形鋼筋段1-2的長度為5d，喇叭錐形鋼筋段1-2的鋼筋直徑向著鋼筋端面方向逐漸增大，喇叭錐形鋼筋段1-2的端面直徑為2～2.5d，在喇叭錐形鋼筋段1-2的端面上還設(shè)有焊接層2。

本實(shí)施方式所述的抗剪鋼筋中部與喇叭錐形鋼筋段平滑圓角過渡。

在鋼筋往復(fù)荷載作用下抗剪承載力的試驗(yàn)研究中，抗剪鋼筋抗剪承載力顯著下降，并且低于單向荷載作用下的抗剪承載力。本實(shí)施方式所述的抗剪鋼筋，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與有限元模擬，能夠顯著降低抗剪鋼筋自身4倍直徑范圍內(nèi)的應(yīng)力值，同時(shí)顯著降低在焊接接頭處熱影響區(qū)的應(yīng)力集中，避免了焊接接頭的超低周疲勞問題，從而有效提高抗剪鋼筋在往復(fù)荷載作用下的抗剪承載能力。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是喇叭錐形鋼筋段1-2中距端面為d處，鋼筋的直徑為1.2～1.4d。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是喇叭錐形鋼筋段1-2中距端面為3d處，鋼筋的直徑為1.1～1.2d。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是焊接層2的厚度為4～6mm。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是當(dāng)采用螺柱焊方式焊接抗剪鋼筋1時(shí)，在焊接層2的端面中心處設(shè)置有引弧結(jié)3。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式五不同的是在抗剪鋼筋1的焊接處套設(shè)有瓷環(huán)4。

具體實(shí)施方式七：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是當(dāng)采用手工焊方式焊接抗剪鋼筋1時(shí)，抗剪鋼筋1的焊接層2設(shè)置成坡口。

具體實(shí)施方式八：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式七不同的是所述坡口為V型坡口。

實(shí)施例：本實(shí)施例的抗剪鋼筋1在鋼筋的兩端均為喇叭錐形鋼筋段1-2，抗剪鋼筋中部1-1的鋼筋直徑為d＝16mm，喇叭錐形鋼筋段1-2的長度為5d，喇叭錐形鋼筋段1-2的鋼筋直徑向著鋼筋端面方向逐漸增大，喇叭錐形鋼筋段1-2的端面直徑為40mm，在喇叭錐形鋼筋段1-2的端面上還設(shè)有4mm的焊接層2。

本實(shí)施例抗剪鋼筋1的總長度為400mm。

本實(shí)施例應(yīng)用通用有限元軟件ABAQUS，對(duì)直徑16mm的普通鋼筋與本實(shí)施例的抗剪鋼筋的抗剪承載力進(jìn)行有限元模擬分析，通過對(duì)比說明該抗剪鋼筋在提高往復(fù)荷載作用下抗剪鋼筋的抗剪承載力有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

在有限元分析過程中，本實(shí)施例抗剪鋼筋的外輪廓采用樣條曲線，以對(duì)稱軸和底面邊線分別為y軸和x軸，樣條基準(zhǔn)點(diǎn)為(8,80)、(10,64)、(12,16)以及(20,0)，以此四點(diǎn)為基點(diǎn)繪制了如圖5所示樣條曲線作為抗剪鋼筋的外輪廓曲線。

標(biāo)準(zhǔn)推出試件的加載示意圖如圖6所示，試件由兩個(gè)混凝土塊體與鋼梁組成，鋼梁翼緣焊接抗剪鋼筋，每側(cè)四個(gè)。進(jìn)行抗剪鋼筋抗剪承載力試驗(yàn)時(shí)，將混凝土底部固定，在鋼梁上施加豎向荷載，將荷載均分得到抗剪鋼筋的平均抗剪承載力。

鋼結(jié)構(gòu)部分包括抗剪鋼筋和鋼梁，采用合并(Merge)連為整體。其中單元類型選擇C3D8R減縮積分三維實(shí)體單元。對(duì)于邊界條件與相互作用的定義，約束混凝土，并在鋼結(jié)構(gòu)部分中鋼梁一側(cè)施加水平力，同時(shí)，定義鋼結(jié)構(gòu)部分與混凝土接觸面內(nèi)的切向摩擦(Penalty)與法向應(yīng)接觸(Hard contact)。對(duì)于材料的本構(gòu)模型定義，混凝土采用塑性損傷本構(gòu)模型(concrete damaged plasticity)，鋼材采用理想彈塑性模型(plasticity)，各類材料的強(qiáng)度等級(jí)如下:混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，鋼板為Q345，抗剪鋼筋為HRB400。

其中，混凝土彈性模量為3.02×10⁴Mpa，膨脹角為32°，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度比值為0.1，雙軸抗壓強(qiáng)度與單軸抗壓強(qiáng)度比值為1.6，偏心率為0.667，粘性系數(shù)為0.001。抗剪鋼筋的屈服強(qiáng)度440MPa，極限抗拉強(qiáng)度為650MPa，鋼梁的屈服強(qiáng)度為345MPa。

圖7所示為本實(shí)施例抗剪鋼筋與普通抗剪鋼筋抗剪承載力荷載位移曲線對(duì)比圖，從圖中可以看出，本實(shí)施例抗剪鋼筋可以極大程度上提高屈服極限抗剪承載力，普通抗剪鋼筋的極限抗剪承載力為137.93kN，而抗剪鋼筋的極限抗剪承載力為245.22kN，是普通抗剪鋼筋的1.78倍。當(dāng)抗剪滑移量均達(dá)到普通抗剪鋼筋抗剪滑移量的極限時(shí)(4.21mm)，抗剪鋼筋的抗剪承載力為240.57kN，為普通抗剪鋼筋的1.74倍，并且當(dāng)抗剪鋼筋達(dá)到普通抗剪鋼筋的極限抗剪承載力時(shí)的抗剪滑移量也是普通抗剪鋼筋極限抗剪滑移量的2.5倍。

本實(shí)施例抗剪鋼筋能夠提高往復(fù)荷載作用下抗剪鋼筋的極限抗剪承載力，從抗剪鋼筋與普通抗剪鋼筋極限抗剪承載力時(shí)應(yīng)力分布分析中看出，當(dāng)普通抗剪鋼筋達(dá)到極限抗剪承載力時(shí)，焊接接頭以及桿身同時(shí)受拉，并出現(xiàn)應(yīng)力集中在焊接接頭處，而本實(shí)施例抗剪鋼筋達(dá)到極限抗剪承載力時(shí)，焊接接頭與桿身都是一側(cè)受壓，另一側(cè)受拉，焊接接頭沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中，而是在桿身上有應(yīng)力集中。從應(yīng)力值分析，抗剪鋼筋的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于普通抗剪鋼筋的應(yīng)力值，在達(dá)到極限抗剪承載力時(shí)，抗剪鋼筋也剛進(jìn)入屈服平臺(tái)，而普通抗剪鋼筋則基本達(dá)到了極限抗拉強(qiáng)度。以往在抗剪鋼筋往復(fù)荷載作用下的抗剪承載力研究中，抗剪鋼筋的極限抗剪承載力取決于抗剪鋼筋與焊接接頭的連接處進(jìn)入屈服時(shí)的抗剪承載力，而抗剪鋼筋在達(dá)到極限抗剪承載力時(shí)，抗剪鋼筋與焊接接頭連接處依然處于彈性階段，可知，抗剪鋼筋在往復(fù)荷載作用下的極限抗剪承載力與單向荷載作用下的極限抗剪承載力相近，從而極大程度上提高了抗剪鋼筋在往復(fù)荷載作用下的極限抗剪承載能力。