腐蚀高强螺栓节点力学性能退化分析与实验研究

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在桥梁工程中,腐蚀是威胁钢结构桥梁安全性的重要原因之一,摩擦型高强螺栓连接节点作为钢结构桥梁重要的连接形式,腐蚀对其受力性能的影响关系到钢结构桥梁的安全性。本文研究腐蚀高强螺栓连接节点的螺栓预紧力及接触面摩擦系数的退化规律,及其特征荷载的变化规律。对腐蚀后的高强螺栓节点进行静力力学试验,探究腐蚀对高强螺栓节点抗剪性能的影响。首先,制备单侧两栓高强螺栓连接试件并进行电化学腐蚀,而后对腐蚀的试件进行拉伸试验与分析,观测试件的失效模式和腐蚀形态;其次,研究试件的荷载-位移曲线的变化趋势;再次,提出了一种腐蚀试件预紧力和滑移系数的测试方法,研究摩擦系数和预紧力的退化规律;最后,研究腐蚀对摩擦抗剪承载力和极限承载力的影响规律,分析单侧两栓螺栓连接节点的拉伸塑性。在上述试验的基础上,运用有限元分析法探究腐蚀对高强螺栓节点的力学性能退化影响。首先,分析单侧两栓连接,以检验和补充实验结果,结合拉伸实验所得结论,总结腐蚀后高强螺栓节点受力性能的变化规律;其次,基于单侧两栓连接节点拉伸实验和数值模拟结果,分析不同腐蚀率下高强螺栓群力学性能的变化规律;最后,基于螺栓群有限元模拟的结果,以大连星海湾大桥试验桁架梁为工程背景,分析高强螺栓节点腐蚀后对钢桁架力学性能的影响。通过试验和数值分析发现:试件腐蚀后,试件的腐蚀具有不均匀性,全部试件拉伸断裂均发生在被连接件螺栓孔位置处;拉伸试验表明,高强螺栓连接在加载过程中,由于板与螺栓杆的相对运动,出现了两次滑移。所有试件的载荷-位移曲线均可分为五个阶段:(Ⅰ)摩擦传递阶段、(Ⅱ)滑移阶段、(Ⅲ)螺栓杆力传递阶段、(Ⅳ)硬化阶段和(Ⅴ)破坏阶段;腐蚀试件预紧力和滑移系数均随腐蚀率的增加而减小;腐蚀对连接件的极限滑移率和初始滑移率没有显著影响,但随着试件腐蚀率的增加,其能量吸收能力呈对数下降;摩擦剪切能力(初始滑移荷载)、全滑移荷载、屈服荷载和极限荷载均随螺栓和整个试样的腐蚀率的增加而减小。有限元模拟得到的荷载-位移曲线共有四个阶段,分别为(I)摩擦阶段、(Ⅱ)滑移阶段、(Ⅲ)弹性阶段和(Ⅳ)屈服阶段,第二阶段出现了两次明显的滑移。有限元模拟得到的特征载荷与拉伸试验得到的特征载荷具有可比性。螺栓群有限元分析结果发现,高强螺栓群的荷载-位移曲线与单侧两栓模型相比并无明显位移突变段,荷载-位移曲线较为平稳;摩擦型高强螺栓群受腐蚀后,随着腐蚀率的增加,各特征荷载显著减少。本文研究成果旨在为桥梁螺栓连接节点腐蚀后安全性评估提供理论依据,为钢结构桥梁防锈的重要性提供研究基础。
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