含UHPC薄层的新型栓钉组合剪力键抗拔性能试验研究_吕伟荣.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.LS210365国家自然科学基金面上项目(51578235),湖南省自然科学基金项目面上项目(2021JJ30261),湖南省教育厅重点项目(20A184)。第第一一作作者者:吕伟荣,博士,教授,主要从事钢-混组合结构、砌体结构、工程抗震研究,Email:lwrxm 。含 UHPC 薄层的新型栓钉组合剪力键抗拔性能试验研究吕伟荣1,马慧心1,卢倍嵘1,周卿祺1,赵思钛1,刘福财2,戚菁菁1(1 湖南科技大学土木工程学院,湘潭 411201;2 广东盖特奇新材料科技有限公司,清远 511600)摘要:基于超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,简称为 UHPC)良好的受力性能,提出了一种由钢板-UHPC 薄层-普通混凝土叠合而成的新型栓钉组合剪力键,用于增强基础环式风力机基础中基础环与混凝土间的界面抗拔能力。通过对1:3 缩尺模型进行了3 组共9 个静力拔出试验,研究了 UHPC 薄层厚度对新型栓钉组合剪力键的荷载-滑移曲线、破坏形态及极限承载能力的影响。结果表明,整个受力过程可经历 4 个阶段,即界面间摩擦传力弹性阶段、栓钉受剪弹性和弹塑性阶段、混凝土受拉破坏阶段。UHPC 薄层的加入,栓钉不仅在钢板与 UHPC 薄层界面(简称第一界面)即栓钉根部出现了塑性,同时在 UHPC 薄层-普通混凝土交界面(简称第二界面)上亦出现了明显的塑性,使得新型栓钉组合剪力键抗剪刚度及承载力均较普通栓钉剪力键有显著提高。同时栓钉根部剪应力峰值明显降低,有效提高了剪力键的抗拔性能。基于试验结果,提出了基于双界面栓钉屈服的新型栓钉组合剪力键抗拔承载力计算公式。对比结果表明,该公式能较好反映 UHPC 薄层厚度对承载力的贡献。关键词:UHPC 薄层;栓钉;风力机基础;组合剪力键;拔出试验 中图分类号:TU359,TU92+3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0141-07引用本文 吕伟荣,马慧心,卢倍嵘,等.含 UHPC 薄层的新型栓钉组合剪力键抗拔性能试验研究J.建筑结构,2023,53(5):141-147.L Weirong,MA Huixin,LU Beirong,et al.Experimental study on the pull-out performance of a new stud combined shear connector with UHPC thin layerJ.Building Structure,2023,53(5):141-147.Experimental study on the pull-out performance of a new stud combined shear connector with UHPC thin layer L Weirong1,MA Huixin1,LU Beirong1,ZHOU Qingqi1,ZHAO Sitai1,LIU Fucai2,QI Jingjing1(1 Department of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;2 Guangdong Gateqi New Material Technology Co.,Ltd.,Qingyuan 511600,China)Abstract:Based on great mechanical performance of ultra-high performance concrete(UHPC),a new type of stud combined shear connector composed of steel plate,UHPC thin layer and ordinary concrete was proposed to strengthen the interface pulling ability between foundation ring and concrete.The effects of UHPC thin layer thickness on load-slip curve,failure modes and ultimate bearing capacity of the new stub composite shear connector were studied by using 3 sets of 9 static pull-out tests on the 1:3 scale model.The results show that the whole loading process can be divided into four stages,namely the elastic stage of friction force transfer between interfaces,the elastic and elastoplastic stages of stud shear,and the tensile failure stage of concrete.With the addition of UHPC thin layer,the studs not only appear plastic at the interface between steel plate and UHPC thin layer(referred to as the first interface)namely the root of the studs,but also appear obvious plastic at the interface between UHPC thin layer and ordinary concrete(referred to as the second interface),which makes the shear rigidity and bearing capacity of the new stub composite shear connector improve significantly than the ordinary stud shear stud.Meanwhile,the peak value of shear stress at the root of stud decreases obviously,which effectively improves the shear performance of the new stud composite shear connector.Based on the results of test,a formula according to the yield criterion for double interface studs for calculating the shear capacity of the new stub composite shear connector was put forward.The comparison results show that the formula can reflect the contribution of thickness of UHPC thin layer to the bearing capacity,and can be used for reference in practical engineering.Keywords:UHPC thin layer;stud;wind turbine foundation;combined shear connector;uplift test 建 筑 结 构2023 年0引言 风力发电机结构中,基础承担着保持风力机安全稳定运行的重要作用。目前,基础环式重力扩展基础是国内外最为常用的一种形式1,基础钢环通过上下两排穿环钢筋和穿环孔形成 PBL 剪力键2,将上部机组荷载传递到混凝土基础中。如图 1 所示,对比预埋锚栓笼重力式基础3,基础环式重力基础有着结构简单、施工简便,造价低,良好的稳定性和可靠性,适应范围广等优点。但基础环式重力扩展基础也存在缺点,即目前上下两排穿环钢筋的设计不足以满足目前大功率风力机的长期风载作用,易造成基础环与混凝土间界面脱开而松动,塔筒摇晃导致混凝土脱开、冲撞破碎及混凝土磨损冒浆等一系列的混凝土风致疲劳破损问题4-7,严重影响了上部机组的正常运行。图 1 基础环式重力扩展基础为此,马人乐等对风力机基础进行相应的改进和优化8,并开展了反向平衡法兰锚栓基础试验研究9。Erin 等有限元分析结果表明,考虑风力机基础的接触状态和材料非线性是能较准确地反映风力机基础实际受力性能的10。Horgan 等则通过有限元软件对风力机基础进行了优化设计11。孔德伟、李艳慧等确定了风力机基础模型的埋置深度以及应力分布情况12-14。白雪等实现了对风力机基础从养护到运行期间长期监测和预警15。吕伟荣、廖继彪等采用两点测站法对风力机塔筒因风致倾斜进行了测量和精度分析,并采用顶升技术成功实现了风力机因基础风致损伤引起的塔筒倾斜15-16。目前陆上基础环式风力机基础混凝土损伤机理的研究尚显不足,且随着已建风力机使用频次的不断增加以及大功率新机型的投入使用,传统连接已无法保证基础混凝土对基础环的有限嵌固。为此,考虑到超高性能混凝土良好的抗拉、抗疲劳等力学性能以及在组合桥面板上成功应用17-18,笔者提出以钢板-UHPC 薄层-普通混凝土组合剪力键(简称新型栓钉组合剪力键)替代原穿环钢筋剪力键的 改 进 基 础 环 式 重 力 扩 展 基 础(专 利 号ZL201821393213.5)19,如图 2 所示。为方便模板安装和保证混凝土施工质量,新型基础环式重力扩展风力机基础中“钢-UHPC 薄层基图 2 新型基础环式重力扩展风力机基础础环”将是预制件,如图 2(a)所示,即在预制场中先将 UHPC 薄层部分与基础环进行支模、浇筑、蒸汽养护,脱模后再运送至现场与普通混凝土进行浇筑。尽管整个施工工艺较传统工艺复杂,但大部分工作在预制场完成,现场施工效率与传统工艺无异,因此质量是有保证的。与普通栓钉剪力键相比,新型栓钉组合剪力键因为在栓钉根部设有 UHPC 薄层,不仅能显著提高剪力键的抗拔刚度,降低混凝土峰值应力,同时亦能保护栓钉根部热影响区,避免栓钉根部的受剪断裂。需指出的是,风力机基础在正常运行期间,基础环主要承受由上部倾覆力矩转化而来的竖向拉拔力和下压力,在基础内部将转变为基础环与混凝土界面间剪力。与普通栓钉剪力键20及 UHPC-短栓钉剪力键21的单界面受剪不同,新型栓钉组合剪力键存在双界面受剪,目前常采用的推出试验中不能准确反映双界面受剪性能。为此,本文通过开展3 组 9 个新型栓钉组合剪力键的拔出试验,研究其抗拔传力机理和破坏模式,建立新型栓钉组合剪力键的抗拔承载力计算公式,以期为新型基础环式风力机基础设计提供参考。图 3 基础环最不利拔出单元示意图1试验方案1.1 试件设计 参考国内某主机厂家 2MW 的基础环式重力扩展基础(图 1),选取其中最不利的穿环钢筋上拔受力单元(图 3),经 1/3 缩尺设计拉拔试件,试件尺寸241第 53 卷 第 5 期吕伟荣,等.含 UHPC 薄层的新型栓钉组合剪力键抗拔性能试验研究 图 4 拉拔试件尺寸及配筋如图 4 所示。按无薄层试件(即普通栓钉剪力键试件)、50mm 厚 UHPC 薄层试件和 100mm 厚 UHPC薄层试件共 3 组试件开展拔出试验,相