节段预制UHPC大键齿胶接缝直剪性能

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.0939

摘要/Abstract

摘要：

为探究工程设计最优键齿深度h与键齿根部高度H比和键齿倾斜角度θ，研究超高性能混凝土（UHPC）大键齿胶接缝的直剪性能和破坏机制，本文进行了UHPC大键齿胶接缝直剪性能试验。基于试验验证的ABAQUS有限元模型（FEM），采用控制变量法和正交试验设计分析了侧向预应力σ、θ和h等参数对键齿试件破坏模式、破坏机制和抗剪承载力的影响，提出了UHPC大键齿胶接缝抗剪承载力计算公式。结果表明，大键齿胶接缝试件破坏模式主要可分为键齿根部的直剪破坏、沿胶接缝界面的滑移破坏和剪压破坏。工程设计应用中，UHPC大键齿胶接缝的h/H和θ建议取值分别为0.19≤h/H≤0.30，15°≤θ≤27°。不同侧向预应力水平、键齿倾斜角度、键齿深度下的抗剪承载力计算值与有限元值比值介于0.88~1.14，平均值为0.94。

关键词: UHPC大键齿胶接缝, 直剪性能, 抗剪强度, 强度计算, 有限元分析

Abstract:

To investigate the optimal shear key depth h and shear key root height H ratio and shear key inclination angle θ in engineering design， this study conducted direct shear tests on ultra-high performance concrete （UHPC） big shear key epoxy joints to explore their shear performance and failure mechanisms. Based on the ABAQUS finite element model （FEM） validated by experiments， the influences of parameters such as lateral prestress σ， θ， and h on the failure mode， failure mechanism， and shear bearing capacity of shear key specimens were analyzed using the control variable method and orthogonal experimental design. The formula for calculating the shear bearing capacity of UHPC big shear key epoxy joints was proposed. The results show that the failure modes of the specimens are primarily categorized into direct shear failure at shear key root， slip failure along epoxy joint interface， and shear-compression failure. For engineering applications， the recommended ranges for h/H and θ are 0.19≤h/H≤0.30 and 15°≤θ≤27°， respectively. The ratio for theoretical calculation value and the FEM value with difference lateral prestress， inclination angle and shear key depth is between 0.88 to 1.14， with an average value of 0.94.

Key words: UHPC big shear key epoxy joint, direct shear behavior, shear strength, strength calculation, finite element analysis

中图分类号:

U441⁺.4

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图/表 20

图1 键齿胶接缝尺寸及配筋（单位：mm）

Fig.1 Size and rebar of shear key epoxy joint （unit： mm）

表1 测试试件参数

Table 1 Test specimen parameter

Specimen No.	H/mm	h/mm	θ/（°）
B1	80	20	45
B2	160	40	27
B3	160	60	27

图2 试验测试装置示意图

Fig.2 Schematic diagram of experimental test setup

图3 试件裂缝及破坏模式

Fig.3 Cracks and failure modes of specimen

图4 试件荷载-位移曲线

Fig.4 Load-slip curves of specimen

图5 ABAQUS有限元模型

Fig.5 FEM of ABAQUS

图6 UHPC本构应力σ-应变ε关系

Fig.6 Constitutive stress σ-strain ε relationship of UHPC

表2 有限元承载力试验值和计算值

Table 2 Test values and calculated values of finite element bearing capacity

Specimen No.	σ/MPa	h/mm	T/kN	L_c/kN	L_c/T
B1	3	2	308.4	314.9	1.02
B2	3	4	552.6	565.5	1.01
B3	3	6	540.0	548.0	1.02

图7 试验和有限元荷载-位移曲线

Fig.7 Test and finite element load-slip curves

图8 键齿破坏模式

Fig.8 Failure mode of shear key

图9 有限元破坏结果

Fig.9 Finite element failure results

图10 侧向预应力参数

Fig.10 Parameters of lateral prestress

图11 有限元破坏结果

Fig.11 Finite element failure results

图12 键齿倾斜角度参数

Fig.12 Parameters of shear key inclination angle

图13 有限元破坏结果

Fig.13 Finite element failure results

图14 键齿深度参数

Fig.14 Parameters of shear key depth

表3 有限元模型参数正交分析

Table 3 Orthogonal analysis of FEM parameters

No.	σ/MPa	tan θ	h/mm	L/kN
1	2	0	0	28.8
2	2	0.25	10	236.5
3	2	0.50	20	385.5
4	2	1.00	30	190.4
5	4	0	10	278.0
6	4	0.25	0	57.5
7	4	0.50	30	442.5
8	4	1.00	20	320.8
9	6	0	20	458.5
10	6	0.25	30	467.2
11	6	0.50	0	86.3
12	6	1.00	10	340.0
13	8	0	30	480.7
14	8	0.25	20	479.8
15	8	0.50	10	360.8
16	8	1.00	0	115.0

图15 各参数对抗剪承载力的影响

Fig.15 Influence of each parameter on shear bearing capacity

图16 UHPC大键齿胶接缝直剪破坏模式

Fig.16 Direct shear failure mode of UHPC big shear key epoxy joint

图17 有限元值与理论计算值比值

Fig.17 Ratio of finite element value to theoretical calculation value

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