一种有预留孔螺栓剪力连接件抗剪刚度确定方法

本发明涉及桥梁工程中剪力连接件抗剪刚度确定，具体涉及一种有预留孔螺栓剪力连接件抗剪刚度确定方法。

背景技术：

1、钢-混凝土组合梁是指采用钢材和混凝土两种材料，通过剪力连接件将钢梁和混凝土连接成整体，并共同受力的梁式结构，充分利用钢材抗拉和混凝土抗压的材料特性，同时确保材料的有效利用率。剪力连接件的常见形式如图1所示，剪力连接件01是钢梁03和混凝土板02协同工作的关键部件，直接影响钢梁03与混凝土板02交界处剪应力的传递，抗剪刚度定义为引起剪力连接件01单位剪切变形时所需要的应力，它直接反映剪力连接件抵抗剪切变形的能力。剪力连接件01包括栓钉、螺栓和开孔钢板（pbl）连接件，请参考图2，三者的荷载-滑移曲线大致相同，纵坐标为剪切载荷p，横坐标为滑移s，其中pu和su分别表示最大剪切荷载和最大滑移。曲线包括近似线弹性阶段04、塑性阶段05和下降阶段06，目前国内外确认剪力连接件抗剪刚度的方法一般是基于荷载-滑移曲线推导的。即采用荷载-滑移曲线上特定百分比的极限剪切荷载处或等效滑移处的割线斜率，例如欧洲规范4规定剪力连接件的刚度计算方法为0.9倍最大荷载处的割线斜率。

2、然而，该类方法运用的前提是已知构件的荷载-滑移曲线，即要进行推出试验或直接剪切试验，而且不同的剪力连接件荷载-滑移曲线特征差距较大，该方法依赖于不同研究人员的试验情况、经验和主观判断，缺乏统一的理论指导，只能笼统的计算一个抗剪刚度作为参考，适用性差。欧洲规范4所提供的算例是栓钉连接件，在达到最大荷载前，曲线特征为一条单调递增的线，且其相对滑移一般小于9mm，而针对螺栓或pbl连接件存在相对滑移较大且上升阶段有平台期等问题，该类公式不具有通用性。此外，国内外研究剪力连接件抗剪刚度，特别是针对螺栓和pbl连接件，少之又少，有必要采用统一的框架建立一个更通用、更合理的剪力连接件抗剪刚度计算方法。

3、目前的研究中，在研究荷载-滑移行为方面，一些方案中通过对推出试验结果的非线性回归分析和采用经典ollgaard本构定律进行理论分析，得出针对栓钉剪力连接件和单个剪力连接件的指数形式荷载-滑移关系表达式。一些方案中提出了针对装配式钢-薄层超高性能混凝土大直径群栓钉连接件的荷载-滑移关系理论模型。这些方案中都是对栓钉的荷载-滑移关系的研究。

4、一些方案中，采用试验和有限元模型研究了钢-钢纤维混凝土组合梁螺栓连接件的受力性能，并提出了预测高强螺栓连接件荷载-滑移关系的设计公式。一些方案中，分析了螺栓剪力连接件荷载-滑移关系三个阶段的特征，并建立了直径16mm螺栓剪力连接件的荷载-滑移简化模型。这些方案中都是对螺栓的荷载-滑移关系的研究。

5、一些方案中，采用归一化方法分析了混凝土榫抗剪刚度、贯穿钢筋抗拉能力对pbl连接件各工作阶段荷载-滑移关系的影响，提出了加载全过程的荷载滑移关系公式，并认为荷载-滑移曲线可划分为弹性段、弹塑性段和强化段。一些方案中深入分析了混合结构pbl剪力键的受力机理及其重要的影响因素，提出了混合结构pbl剪力键的极限承载力计算公式，给出了pbl剪力键弹性极限及屈服极限下的特征荷载及对应滑移，最后得到了pbl剪力键加载全过程的荷载-滑移特征曲线。这些方案中都是对pbl的荷载-滑移关系的研究。

6、在研究抗剪刚度方面，一些方案中，通过对116次推出试验结果进行数据分析，提出荷载-滑移曲线上0.5倍剪切极限荷载处的切线模量法。一些方案中通过40次推出试验，分析了栓钉的变形特点和受力机理，并通过零截距线性回归分析，提出了栓钉剪力连接件抗剪刚度关于混凝土弹性模量、栓钉弹性模量以及栓钉直径的计算公式。一些方案中以开孔板孔径、混凝土强度和弹性模量及孔中钢筋直径、强度和弹性模量等为变化参数，进行60个开孔板连接件的抗剪刚度模型试验；分析各模型试件剪力相对滑移曲线的切线与割线的斜率比值随相对滑移的变化关系，提出开孔板连接件抗剪刚度的取值方法；采用弹性地基梁法分析孔中混凝土及钢筋的抗剪机理，推导出开孔板连接件抗剪刚度的理论计算式；基于理论分析和各国123个模型试验，提出适用于有、无孔中钢筋的pbl连接件抗剪刚度计算式。

7、然而，虽然目前对于剪力连接件抗剪刚度的确定的方案中，多基于试验经验进行获取，对经验的依赖性更强，缺乏理论性的指导，特别是对有预留孔螺栓剪力连接件抗剪刚度确定，由于其受力的复杂性，对经验的依赖性更强，需基于每次的试验获取，难以给出可以适用于各种情况的确定方案。

技术实现思路

1、本技术要解决的技术问题是提供一种有预留孔螺栓剪力连接件抗剪刚度确定方法，具有连接件抗剪刚度确认方式适用性更强的特点。

2、第一方面，一种实施例中提供一种有预留孔螺栓剪力连接件抗剪刚度确定方法，包括：

3、基于试验数据获取有预留孔螺栓剪力连接件的多条荷载-滑移曲线；

4、将每条荷载-滑移曲线分为摩擦段、滑移段和曲线段，并分别确定摩擦段、滑移段和曲线段的抗剪刚度；其中，摩擦段由摩擦力抵抗剪切荷载形成，为线性；滑移段由摩擦力失效后发生滑移产生的接近水平的横线组成；曲线段由螺栓与混凝土相互作用抵抗剪切荷载形成，为非线性；

5、对于曲线段，基于曲线拟合公式所对应的荷载-滑移曲线进行抗剪刚度的求解；其中，pq表示曲线段剪切荷载，pqu表示曲线段最大剪切荷载，ph表示滑移段末端对应的剪切荷载，s表示混凝土板与钢梁的相对滑移，sh表示滑移段末端对应的相对滑移，表示拟合曲线参数，e表示自然数底数；

6、其中，拟合曲线参数的确定方法包括：

7、预设拟合曲线参数的初始值；

8、计算所述多条荷载-滑移曲线中所有曲线段的最大剪切荷载的平均值，并将该最大剪切荷载的平均值作为曲线段最大剪切荷载pqu；

9、计算所述多条荷载-滑移曲线中所有曲线段的最大滑移的平均值，并将该最大滑移的平均值作为曲线段最大荷载滑移su；

10、计算每条曲线段与s轴上的[sh,n,su,n]段所围成的面积作为第一面积，n表示荷载-滑移曲线的索引；

11、计算公式所在曲线与s轴上的[sh,su]段所围成的面积作为第二面积；

12、计算第二面积与每个第一面积的差值的绝对值；

13、基于每一个所述绝对值计算能量误差；

14、基于线性规划迭代求解，使得能量误差取得最小值的的解作为拟合曲线参数的值。

15、一种实施例中，所述的计算所述多条荷载-滑移曲线中所有曲线段的最大剪切荷载的平均值，并将该最大剪切荷载的平均值作为曲线段最大剪切荷载pqu，包括：

16、（7）

17、其中，pqu,n表示第n条荷载-滑移曲线的曲线段最大剪切荷载，n表示荷载-滑移曲线的总数，1≤n≤n；

18、所述的计算所述多条荷载-滑移曲线中所有曲线段的最大滑移的平均值，并将该最大滑移的平均值作为曲线段最大荷载滑移su，包括：

19、（8）

20、其中，su,n表示第n条荷载-滑移曲线的曲线段最大荷载滑移；

21、所述的计算第二面积与每个第一面积的差值的绝对值，包括：

22、（9）

23、其中，表示第n条荷载-滑移曲线所对应的绝对值，表示第二面积，表示第n条荷载-滑移曲线所对应的第一面积。

24、一种实施例中，所述的基于每一个所述绝对值计算能量误差，包括：

25、（10）

26、其中，e表示能量误差，表示第n条荷载-滑移曲线所对应的绝对值，n表示荷载-滑移曲线的索引，n表示荷载-滑移曲线的总数，1≤n≤n。

27、一种实施例中，对于摩擦段的最大剪切荷载，基于所有荷载-滑移曲线摩擦段的最大剪切载荷的平均值计算得到；对于摩擦段的最大荷载滑移，基于所有荷载-滑移曲线摩擦段的最大荷载滑移的平均值计算得到；基于摩擦段的最大剪切荷载和最大荷载滑移，计算摩擦段的抗剪刚度。

28、一种实施例中，对于滑移段的最大剪切荷载，基于所有荷载-滑移曲线滑移段的最大剪切载荷的平均值计算得到；对于滑移段的最大荷载滑移，基于所有荷载-滑移曲线滑移段的最大荷载滑移的平均值计算得到；基于滑移段的最大剪切荷载和最大荷载滑移，计算滑移段的抗剪刚度。

29、一种实施例中，所述的对于曲线段，基于曲线拟合公式所对应的荷载-滑移曲线进行抗剪刚度的求解，包括：

30、将所述曲线段划分为剪力连接件屈服前的第一折线段和屈服后的第二折线段，其中第一折线段的斜率大于第二折线段的斜率；

31、获取第一折线段和第二折线段的双线性模型；

32、基于能量平衡的面积相等原理和所述双线性模型，计算双线性模型中当时数学上屈服点的纵坐标和当时数学上屈服点的横坐标；其中，表示剪力连接件屈服前的抗剪刚度，表示剪力连接件屈服后的抗剪刚度；

33、基于所述当时数学上屈服点的纵坐标和当时数学上屈服点的横坐标，计算所述第一折线段和第二折线段之间转折点的横坐标和纵坐标；

34、基于所述第一折线段和第二折线段之间转折点的横坐标和纵坐标，计算所述曲线段屈服前的抗剪刚度和屈服后的抗剪刚度。

35、一种实施例中，所述的获取第一折线段和第二折线段的双线性模型，包括：

36、（11）

37、其中，表示针对曲线段拟合的双线性模型，，，表示剪力连接件屈服时的滑移，表示剪力连接件屈服时的剪切荷。

38、一种实施例中，所述的基于能量平衡的面积相等原理和所述双线性模型，计算双线性模型中当时数学上屈服点的纵坐标和当时数学上屈服点的横坐标，包括：

39、（14）

40、其中，pa表示双线性模型中当时数学上屈服点的纵坐标，表示双线性模型中当时数学上屈服点的横坐标。

41、一种实施例中，所述的基于所述当时数学上屈服点的纵坐标和当时数学上屈服点的横坐标，计算所述第一折线段和第二折线段之间转折点的横坐标和纵坐标，包括：

42、（15）

43、其中，sy和py分别表示第一折线段和第二折线段之间转折点的横坐标和纵坐标。

44、一种实施例中，所述的基于所述第一折线段和第二折线段之间转折点的横坐标和纵坐标，计算所述曲线段屈服前的抗剪刚度和屈服后的抗剪刚度，包括：

45、（16）

46、其中，表示拟合曲线段的剪切荷载变化量，表示拟合曲线段的荷载滑移变化量，表示拟合曲线的形状特征参数；，，。

47、本发明的有益效果是：

48、在曲线段的拟合曲线参数的确定中，基于能量平衡来获取一个通用的值，降低了对经验的依赖，适用性更强，同时从能量角度给出了明确理论性指导，给相应的研究指出了一个新的方向，也可借鉴于其他类型抗剪连接件刚度确定。