Schubverhalten und Konstruktionsweise von Stahl-Schubverbindungen in vorgefertigten Segmentträgern

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 11166 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Verbindungen zwischen den Segmenten stellen Schwachstellen dar und führen zu Diskontinuitäten in den Bauwerken. Daher sind sie bei vorgefertigten Betonsegmentbrücken von besonderer Bedeutung. In dieser Studie wurde ein neuer Stahl-Scherschlüssel entwickelt und sechs Tests im Originalmaßstab durchgeführt. Als experimentelle Parameter wurden verschiedene Scherschlüssel und Verbindungstypen verwendet, um die Rissausbreitung, den Versagensmodus, den Scherschlupf, die endgültige Tragfähigkeit und die Resttragfähigkeit verschiedener Verbindungen unter direkter Scherbelastung zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Steifigkeit und Scherkapazität von Stahl-Scher-Keilverbindungen höher waren als die von Beton-Keilverbindungen und dass das Struktursystem zum Zeitpunkt des Risses stabiler war als Beton-Keilverbindungen. Sowohl die Beton- als auch die Stahl-Keilverbindungen mit Epoxidharz erlitten ein direktes Scherversagen. Im Gegensatz zu epoxidierten Betonverbindungen, bei denen es zu sprödem Versagen kam, wiesen epoxidierte Schlüsselverbindungen aus Stahl jedoch eine große Restkapazität auf. Basierend auf der traditionellen Segmentbrückenkonstruktion werden Baumethoden mit Stahlscherverbindungen eingeführt, darunter Short-Line-Match, Long-Line-Match und modulare Methoden. Abschließend wurde die Machbarkeit der Konstruktion von Stahlschubfederverbindungen durch technische Tests überprüft.

Die vorgefertigte Betonsegmentbrücke (PCSB) hat sich aufgrund ihrer Vorteile einer wirtschaftlichen und sicheren Konstruktion, einer schnellen und vielseitigen Konstruktion, keiner Störungen am Boden, einer hervorragenden Wartungsfreundlichkeit, niedrigen Lebenszykluskosten und einer leicht erreichbaren Qualitätskontrolle rasant weiterentwickelt1,2,3. Gelenke sind die Merkmale des PCSB, die die Druck- und Scherspannung der Gelenke übertragen4,5. Aber die Bewehrung und der Beton sind an der Verbindungsstelle unterbrochen, was den schwachen Teil der Struktur darstellt6,7. Daher hat die Scherleistung der Verbindungen die Aufmerksamkeit der Forscher auf sich gezogen.

Jones et al.8 und Buyukozturk et al.9 kamen zu dem Schluss, dass das Scherverhalten der trockenen Keilverbindungen von der Höhe der Grenzspannung abhängt. Zhou et al.10 führten Tests zu Scherübertragungsmechanismen einer Reihe von vollmaßstäblichen Keilverbindungen durch und kamen zu dem Schluss, dass die mit Epoxidharz beschichteten Verbindungen durchweg eine höhere Scherfestigkeit aufweisen als trockene Verbindungen. Sangkhon et al.11 führten eine experimentelle Studie zur Form von Schlüsseln durch und glauben, dass die Schertragfähigkeit von halbkreisförmigen und dreieckigen Schlüsseln offensichtlich besser ist als die von trapezförmigen Schlüsseln, halbrunde und dreieckige Schlüssel sind jedoch anfälliger für Sprödbruch. Yuan et al.12 fanden heraus, dass die Duktilität von verstärkten Schlüsseln besser ist als die von einfachen Betonschlüsseln, und dass die innere Sehne dazu beiträgt, die Scherkapazität von Betonschlüsseln zu verbessern. Choi et al.13 sind davon überzeugt, dass ein angemessenes Maß an Begrenzungsspannung und Epoxidharz ein plötzliches Versagen von Verbindungen bei zyklischen Belastungsbedingungen mit hoher Amplitude verhindern kann. Al-Rousan et al.14 untersuchen den Einfluss von Grenzspannung und Betondruckfestigkeit auf das Scherverhalten trockener einkeiliger Verbindungen durch nichtlineare FEA-Simulation und haben eine Scherkapazitätsformel vorgeschlagen. Zhang et al.15 führten umfassende Tests zum Scherverhalten von Epoxidverbindungen mit mehreren Schlüsseln durch und schlugen eine neue Formel vor, die die ungleichmäßige Verteilung der Scherspannung berücksichtigt. Die Testergebnisse von Alcalde16 zeigen, dass die durchschnittliche über die Verbindung übertragene Scherspannung mit der Anzahl der Schlüssel abnimmt, dieser Einfluss jedoch weniger geschätzt wird, wenn die Begrenzungsspannung zunimmt. Zhan et al.1 führten experimentelle Untersuchungen zur Scherleistung von Schlüsselzahnverbindungen (KTJ) unter wiederholter Belastung durch und stellten fest, dass im Vergleich zu monotoner Belastung die Tragfähigkeit und Steifigkeit von KTJ bei wiederholter Belastung aufgrund der Beschädigung deutlich reduziert sind Ansammlung im Beton. Unterdessen wiesen Zhan et al.17 darauf hin, dass es bei der Keilverbindung aus reinem Beton zu einem „direkten Scherversagen“ unter direkter Belastung kommt und dass das Hinzufügen interner Stahlstäbe dazu beitragen wird, die Verbindung der Keilverbindungen zu verstärken und den vorherrschenden Versagensmodus in den „Quetsch“-Modus umzuwandeln . Luo et al.18 schlugen einen analytischen Ausdruck vor, um die dynamische Scherkapazität epoxidierter Verbindungen unter verschiedenen Dehnungsraten vorherzusagen. Freitas et al.19 entwickelten die Versagenshüllen unter Berücksichtigung der wichtigsten multiaxialen Scherkapazität mit Einschlussdruck P, Moment M und Torsion T. Sie stellten fest, dass die Verhältnisse zwischen Moment und Scherung M/V sowie Torsion und Scherung T/ V, steuern Sie den Fehlermechanismus. Smittakorn et al.20 und Beattie et al.21 führten Tests durch, um die Scherfestigkeit und Verformung von Verbindungen mit stahlfaserverstärktem Beton (SFRC) zu bewerten, und wiesen darauf hin, dass die Zugabe von Stahlfasern die Scherkapazität und Duktilität von Keilverbindungen verbessert. Jiang et al.7 fanden heraus, dass die Festigkeit von SFRC-Trockenverbindungen mit Passfeder um 25 % höher ist als die von herkömmlichen Passfederverbindungen aus Beton. Park et al.22 schlugen ein analytisches Modell vor, um die Scherkapazität der SFRC-Keilverbindungen durch experimentelle Untersuchungen vorherzusagen. Voo et al.23, Gopal et al. 24 und Kim et al.25 führten Tests zur Scherkapazität der UHPC-Keilverbindung durch und stellten fest, dass die Versagenslasten mit der Anzahl der Scherkeilen zunahmen. Hu et al.4 erhielten eine Methode zur Vorhersage der Scherfestigkeit der UHPC-Trockenverbindung mit Passfeder auf der Grundlage früherer experimenteller Ergebnisse und numerischer Simulationen. Sun et al. 26 fanden heraus, dass die Duktilität der Scherkeile gewöhnlicher Stahlstäbe besser ist, während die Scherkeile von FRP-Stäben eine größere Sprödigkeit aufweisen. Issa et al.27 fanden heraus, dass die AASHTO-Spezifikation den Beitrag von Epoxidharzen vernachlässigt und die Scherfestigkeit der Einzelschlüssel-Epoxidharzverbindung unterschätzt. Rombach et al.28 schlugen ein neues Designmodell für Trockenverbindungen vor und glauben, dass die AASHTO-Spezifikation die Tragfähigkeit von Trockenverbindungen überschätzt. Turmo et al.29 waren der Meinung, dass der Sicherheitsfaktor (0,75) bei der Berechnung der Scherfestigkeit von Keilverbindungen aus Beton nach der AASHTO-Formel berücksichtigt werden sollte. Shamass et al.30 empfehlen, den in der AASHTO-Codegleichung verwendeten Reibungskoeffizienten zu reduzieren, wenn ein hoher Begrenzungsdruck angewendet wird.

Um den Verbindungstyp zu vereinfachen, die Übertragung der Gelenkscherkräfte zu verbessern und die Tragfähigkeit und Duktilität der Gelenke zu verbessern, wurde ein Scherschlüssel aus Stahl für vorgefertigte Segmentbrücken entwickelt. Um die mechanischen Eigenschaften des Stahlscherschlüssels vollständig zu untersuchen, wurden sechs Proben entworfen und der Scherschlüsseltyp und die Verbindungstypen als experimentelle Parameter verwendet. Unter Berücksichtigung der Forschungsschwerpunkte Rissausbreitung, Versagensart, Grenztragfähigkeit, Resttragfähigkeit und Scherschlupf wurden die mechanischen Eigenschaften von Stahlschlüsseln und normalen Betonschlüsseln verglichen. Es wurden Konstruktionsmethoden für scherschlüssige Stahlverbindungen entworfen und technische Tests auf der Grundlage von Short-Line- und Long-Line-Match-Methoden durchgeführt. Schließlich wird vorgeschlagen, dass Scherschlüssel aus Stahl unter dem Gesichtspunkt der zuverlässigen Kraft sowie der einfachen und bequemen Konstruktion eine breite Anwendbarkeit haben.

Die Scherschlüsselsätze aus Stahl sind in Abb. 1a dargestellt, einschließlich eines konvexen Schlüssels und eines konkaven Schlüssels. Die konkav-konvexen Schlüssel sind durch ein Zapfenloch und einen Zapfen verbunden und die Ankerköpfe sind separat in den Segmenten eingebettet. Bei der Segmentmontage werden die Verbindungen unter Einwirkung einer Längsvorspannkraft (intern oder extern) zusammengebaut und durch passende konkave und konvexe Keile verbunden, wie in Abb. 1b dargestellt.

Schematische Darstellung der Stahlscherkeilverbindung31 (a) Komponente (b) Stahlscherkeilverbindung.

Die Betonschlüssel (CK) bestanden aus handelsüblichem C50-Beton32 und wurden gemäß dem AASHTO-Code33 entworfen. Die Stahlscherschlüssel (SSK) wurden mit Q23532 bearbeitet und die Endbearbeitung wies einen Herstellungsfehler von 0,001 mm auf. Um die passende Konstruktion zu erleichtern, wurden Zapfen und Zapfen mit einem Konstruktionsspalt von 0,2 mm entworfen und in den Zapfen wurde ein 45°-Neigungsfuß entworfen.

Roberts und Breen34 glaubten, dass die Tragfähigkeit der Keilzahnverbindungen durch die Scherkeile und die Grenzflächenreibung bestimmt wird, und schlugen vor, dass der Scherwiderstand Gl. (1) in AASHTO33 geschrieben werden.

In Gl. (1) beträgt der Scherwiderstand des Scherschlüssels

Die praktische Berechnungsformel der Scherfestigkeit lautet

wobei \(V_{j}\) die Scherkapazität der Verbindungen N ist; \(V_{k}\) ist die Scherkapazität der Schlüssel, N; \(A_{k}\) ist die Gesamtfläche an der Wurzel der Schlüssel, mm2; \(f_{c}^{^{\prime}}\) ist die Druckfestigkeit des Betonzylinders, MPa; \(\sigma_{n}\) ist die Grenzspannung, MPa; \(A_{sm}\) ist die nicht verschlüsselte Fläche, mm2; \(\tau\) ist die Scherspannung, MPa; \(A\) ist die Scherfläche, mm2; \(F\) ist die Scherkraft N.

Das Design des Scherschlüssels basierte auf der Scherfestigkeit des Materials und der geometrischen Größe. Basierend auf dem Äquivalent der Scherfestigkeit, Gl. (2) und (3) wurden verwendet, um die Abmessungen der Beton- und Stahlschlüssel zu entwerfen. Die geometrischen Abmessungen von CK und SSK sind in Abb. 2a und b dargestellt.

Ausführung des Scherschlüssels31 (a) CK (b) SSK (Einheit: mm).

Das Design des Exemplars bezog sich auf das experimentelle Modell von Yuan36. Der Schergleitspalt der konvexen und konkaven Proben betrug 50 mm und die Dicke jeder Testprobe betrug 200 mm. In den Abbildungen 3a–c und Tabelle 1 sind die Parameter der einzelnen Testproben aufgeführt.

Geometrische Abmessungen der Proben31 (a) Flachverbindung (b) Beton-Keilverbindung (c) Stahl-Keilverbindung. 1. Eingebettete Stahlplatten (Q23532, 200 mm × 100 mm × 25 mm. 2. Konstruktionsverstärkung (HRB40032, 16 mm). 3. Flache Oberfläche. 4. CK. 5. SSK (Einheit: mm).

Für die Probenherstellung wurden handelsüblicher Beton und handelsüblicher Epoxidkleber verwendet. Und die Materialeigenschaften zitierten die Testergebnisse von Zou37. Die Proben wurden im passenden Gussverfahren hergestellt und die Probenmodelle sind in Abb. 4 dargestellt.

Prüfkörper (a) Betonfuge (b) Stahlfederfuge.

Die Testmaschine und der Testaufbau sind in Abb. 5a und b dargestellt. Verschiebungskontrolltests für alle Proben wurden mit einer konstanten Hubfrequenz von 0,1 mm/min7 durchgeführt. Die Grenzspannung, die den Effekt der Vorspannung in Segmentbrücken simuliert, betrug bei allen Proben 1 MPa. Der Scherschlupf zwischen den Verbindungen wurde mit LVDTs gemessen und die Anordnung der Wandler ist in Abb. 5b dargestellt. Die Stütze, bestehend aus einer rechteckigen Stahlplatte, wurde gegen Biegung und Verformung abgestützt und gegen horizontale Bewegung eingeschränkt31. Belastungspunkt, Auflagepunkt und Gelenk waren kollinear.

Testaufbau31,35 (a) Testmaschine (b) Beladesystem.

Die experimentellen Daten sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Die maximale Tragfähigkeit der Flachverbindung betrug \(F_{max} = 56,7{\text{kN}}\).

Die Risslast der Betonschlüsselverbindung betrug 174,8 kN, die Bruchlast betrug 181,6 kN, das Verhältnis von Bruchlast zu Bruchlast betrug 96,3 % und die Grenzspannung stieg zum Zeitpunkt des Risses um 33,3 %. Die Rissausbreitung und die Versagensart des Betonschlüssels sind in Abb. 6 dargestellt. Der anfängliche Riss, der an der Unterkante des konvexen Schlüssels auftrat, hatte einen horizontalen Winkel von etwa 70°. Anschließend entwickelten sich schnell Risse an der Wurzel des konvexen Schlüssels, und es traten mehrere kleine parallele Risse auf, die sich vereinigten und mit dem ursprünglichen Riss einen Scherhauptriss bildeten.

Rissbildung und Versagensmodus von DS2. (a) anfänglicher Riss (b) Rissausbreitung (c) Versagensmodus.

Aus den experimentellen Daten und den beobachtbaren Phänomenen lässt sich erkennen, dass der Prozess von der Rissbildung bis zum Scherversagen der Betonschlüsselverbindungen schnell und spröde verlief. Die experimentellen Ergebnisse stimmten mit denen von Zhou10 und Yuan36 et al. überein.

Die Risslast der Stahlkeilverbindung betrug 271,2 kN, die Bruchlast betrug 314,1 kN, das Verhältnis von Bruchlast zur Bruchlast betrug 86,3 % und die Grenzspannung stieg zum Zeitpunkt des Risses um 8,4 %. Die Rissausbreitung und der Versagensmodus der Stahlkeilverbindung sind in Abb. 7 dargestellt. In der Nähe der konvexen Keile traten gleichzeitig zwei anfängliche Risse auf, von denen einer nahe der Horizontalen und der andere nahe 45° lag und in die Probendicke eindrang Richtung. Als die Risse auftraten, nahm die Steifigkeit der Proben plötzlich ab und die Belastungskraft nahm augenblicklich ab. Bei fortgesetzter Belastung traten keine neuen Risse auf, die Breite und Länge der vorhandenen Risse veränderte sich jedoch deutlich. Die horizontalen und schrägen Risse bildeten nach und nach einen Hauptriss in der Nähe von 45° und entwickelten sich allmählich zum Belastungspunkt hin, ohne die Verbindungsoberfläche zu überschreiten. Bei Beschädigung der Probe bildete der konvexe Keilbeton entlang des Hauptrisses zwei völlig getrennte Körper, während der konkave Keilbeton keine Risse und Brüche aufwies und der Stahlkeil nicht beschädigt wurde.

Rissbildung und Versagensmodus von DS3. (a) anfänglicher Riss (b) Rissausbreitung (c) Versagensmodus.

Anfangs war die Flachverbindung sehr steif und die Belastungskraft stieg schnell an. Bis zur Spitzenbelastung \(F_{max} = 479,5{\text{kN}}\) trat bei der Probe ein direktes Scherversagen entlang der Verbindungsposition auf und die Grenzspannung stieg um 85,33 %, wie in Tabelle 3 gezeigt. Der Versagensmodus ist in Abb. 8 dargestellt.

Fehlermodus von DS4.

Die Rissausbreitung und der Versagensmodus der Betonkeilverbindung sind in Abb. 9 dargestellt. Als der Riss auftrat, betrug die Belastungskraft 529,5 kN und die Grenzspannung stieg um 84,99 %. Die Risse entwickelten sich entlang der Verbindungsstelle und drangen in Dickenrichtung vor. Bei Beschädigung der Probe verbanden sich die Risse an der Wurzel des konvexen Schlüssels vertikal und bildeten eine Scherfläche. Die Betonmörtelschicht auf der Fugenoberfläche löste sich und der Zuschlagstoff trat aus. Der Epoxidkleber wurde jedoch nicht beschädigt. Nachdem der Riss aufgetreten war, nahm die Steifigkeit der Probe merklich ab, die Belastungskraft sank stark und die Bruchlast war die Höchstlast.

Rissbildung und Versagensmodus von DS5. (a) Rissausbreitung (b) Versagensmodus.

Anfangs war die Probe sehr steif. Als die Belastungskraft 685,8 kN erreichte, trat an der Probe entlang der Verbindungsstelle eine direkte Scherrissbildung auf. Der Riss trat in der Betonmörtelschicht mit einer Breite von mehr als 0,2 mm auf, wie in Abb. 10 dargestellt. Nach Auftreten der Risse erhöhte sich die Grenzspannung um 23,24 %. Im Gegensatz zur Keilfuge aus Beton mit Epoxidharz erkannte die Keilfuge aus Stahl mit Epoxidharz schnell die Umverteilung der inneren Kräfte nach dem Auftreten direkter Scherrisse und erreichte ein neues mechanisches Gleichgewicht, sodass sie die Last weiterhin tragen konnte. Darüber hinaus verringerte sich die Probensteifigkeit sichtbar, die Belastungskraft stieg nicht an, es traten keine neuen Risse in der Probe auf, die anfängliche Rissbreite nahm zu und die Last-Verschiebungs-Kurve trat in die horizontale Phase ein.

Rissbildung und Versagensmodus von DS6. (a) anfänglicher Riss (b) Rissausbreitung (c) Versagensmodus.

Nach der Beschädigung waren sowohl die konkaven als auch die konvexen Probekörper entlang der Fugenoberfläche vollständig getrennt, die Mörtelschicht auf einer Seite der Fugenoberfläche war vollständig auf die andere Seite der Probe abgestreift, der grobe Zuschlagstoff war auf der Fugenoberfläche deutlich sichtbar, und der Stahlscherschlüssel erlitt keine Verformung oder Beschädigung.

Die Last-Verschiebungs-Kurven trockener Verbindungen sind in Abb. 11a dargestellt. Die maximale Tragfähigkeit der Beton-Trockenfuge und der Stahl-Trockenfuge betrug 181,6 kN bzw. 272,8 kN und war damit 2,20- bzw. 3,81-mal höher als die der flachen Trockenfuge. Die endgültige Tragfähigkeit der Stahl-Trockenverbindung war um 72,96 % höher als die der Beton-Trockenverbindung. In den wichtigen Trockenfugen des Betons trat ein direktes Scherversagen auf, und die Proben zeigten plötzlichen Scherschlupf. Allerdings hielten die konkaven und konvexen Keile unter der Druckbelastung weiterhin ineinander, nachdem die endgültige Tragfähigkeit der Trockenverbindung mit Stahlkeilen erreicht war. Die Probe konnte die Last noch tragen und die Last-Verschiebungs-Kurve wies einen langen horizontalen Tisch auf. Das Verhältnis der Resttragfähigkeit zur Endtragfähigkeit war groß.

Einfluss von Scherschlüsseltypen auf die mechanischen Eigenschaften von Verbindungen (a) Trockenverbindung (b) Epoxidverbindung.

Die Last-Verschiebungs-Kurven epoxidierter Verbindungen sind in Abb. 11b dargestellt. Die maximale Tragfähigkeit der Keilverbindung aus Beton und der Keilverbindung aus Stahl betrug 529,5 kN bzw. 685,8 kN, was 10,42 % bzw. 43,02 % höher war als die der flachen Epoxidverbindung. Die endgültige Tragfähigkeit der epoxidierten Stahl-Keilverbindung war 29,52 % höher als die der epoxidierten Beton-Keilverbindung. Die epoxidharzbeschichtete Stahl-Keilverbindung und die epoxidharzbeschichtete Beton-Keilverbindung wiesen alle ein direktes Scherversagen auf.

Wie in Tabelle 4 gezeigt, wiesen die Betonfugen (trocken und epoxidiert) nach direktem Scherversagen einen großen Scherschlupf auf. Allerdings war der Scherschlupf der Stahl-Keilverbindungen offensichtlich geringer als der der Beton-Keilverbindungen, da die Schersteifigkeit der Stahl-Keilverbindungen ausreichend war.

Die Last-Verschiebungs-Kurven sind in Abb. 12 dargestellt. Die Steifigkeit der wichtigen Epoxidharzverbindungen des Betons war höher als die der trockenen Verbindungen. Im Vergleich zu Trockenfugen erhöhte sich die Tragfähigkeit der epoxidierten Betonschlüsselfugen um 191,57 %. Allerdings wiesen die wichtigen Epoxidfugen des Betons deutlichere Sprödigkeitsschäden auf. Der Fugenwiderstand wurde nur durch Grenzflächenreibung bereitgestellt, nachdem die mit Epoxidharz versehene Betonschlüsselverbindung beschädigt war.

Einfluss der Verbindungstypen auf die mechanischen Eigenschaften von Verbindungen.

Im Vergleich zu den Trockenverbindungen erhöhte sich die Tragfähigkeit der Stahl-Scherverbindung um 118,33 %. Bei der Spitzenbelastungskraft kam es an der Stahl-Schlüsselprobe zu direkten Scherrissen entlang der Verbindungsstelle. Nach der Rissbildung war die Beständigkeit des Epoxidklebers nicht mehr gegeben, und infolgedessen war der Spannungszustand der epoxidierten Verbindung mit Stahlkeil dem der trockenen Verbindung ähnlich. Der Verbindungswiderstand wurde durch den Stahlschlüssel und die Grenzflächenreibung bereitgestellt.

Um den Kraftübertragungsmechanismus und das Scherverhalten von Stahlkeilverbindungen zu untersuchen, wurden die Proben dekonstruiert und der abgetrennte Körper analysiert, wobei auch die konvexe Keilverbindung eine Hebelwirkung aufwies. Daher wurde der konvexe Schlüssel als Forschungsobjekt für die mechanische Analyse des abgetrennten Körpers ausgewählt. Das mechanische Diagramm des Betonbauteils ist in Abb. 13a und b dargestellt, während das mechanische Diagramm des konvexen Schlüssels in Abb. 13c dargestellt ist. Basierend auf dem vereinfachten Diagramm sieht der Kraftübertragungsmechanismus zur Herstellung der Stahlzapfenverbindung wie folgt aus: Unter der Grenzspannung ist die Stahlkeilverbindung auf den Kontaktdruck zwischen dem Stahlkeil und dem Beton angewiesen, um die Scherkraft zwischen den Verbindungen zu übertragen. Andererseits wurden die Keilverbindungen des Betons durch direktes Scherversagen beschädigt. Die Scherebene befand sich an der Wurzel des Schlüssels, wie in Abb. 14 dargestellt.

Vereinfachtes mechanisches Diagramm (a) Konvexe Schlüsselprobe (b) Betonkomponente (c) Stahlschlüssel.

Konkreter Schlüsselfehlermodus.

Für den Bau vorgefertigter Segmentbetonbrücken wurden im In- und Ausland sowohl Short-Line-Match- als auch Long-Line-Match-Methoden in großem Umfang angewendet. Basierend auf vorhandenen etablierten Methoden wurden Short-Line-Match- und Long-Line-Match-Methoden auf die Konstruktionskonstruktion von Stahl-Scherverbindungen angewendet. Gleichzeitig wurde die modulare Bauweise mit einem höheren Grad an Standardisierung konzipiert, indem die Vorteile einer einfachen Fertigung und einer einfachen Installation der Stahlscherenschlüssel kombiniert wurden.

Zunächst wurde die Installationsposition des Stahlscherschlüssels auf der Schablone bestimmt, an den entsprechenden Positionen entsprechend dem Durchmesser des Zapfens und der Schrauben Löcher geschnitten und der konvexe Schlüssel mit Schrauben an der Schablone befestigt, wie in Abb. 15a. Zweitens wurde die Schablone an der geplanten Position des Segments Nr. 1 installiert und das Segment Nr. 1 gegossen, wie in Abb. 15b dargestellt. Nachdem der Beton des ersten Segments das Aushärtealter erreicht hatte, wurden die Schrauben und die Schablone entfernt. Als Drittes wurden die konkaven Keile entsprechend der Position der konvexen Keile installiert, die Schablone erneut an der Verbindungsstelle des Segments Nr. 2 aufgestellt und das Segment Nr. 2 gegossen, wie in Abb. 15c dargestellt. Dies wurde wiederholt, bis der Bau aller Segmente abgeschlossen war.

Short-Line-Match-Methode (a) Vorlageneinrichtung (b) Aufbau des vorangehenden Segments (c) Aufbau des Sequenzsegments.

Es wurde ein 25-m-T-Träger mit drei Segmenten entworfen und die Konstruktionsmethode gemäß der Short-Line-Match-Methode bewertet, wie in Abb. 16 dargestellt. Bei dieser Methode wird das vorhergehende Segment als Endvorlage für das nachfolgende Segment verwendet. Die Verbindungen sind perfekt aufeinander abgestimmt, die Segmentmontage ist reibungslos, aber der Produktionszyklus ist langwierig.

Technischer Test der Short-Line-Match-Methode (a) Schablonenaufbau (b) Schabloneninstallation (c) Aufbau des vorangehenden Segments (d) Aufbau des Sequenzsegments (e) Auftragen von Epoxidkleber (f) Verbindungsmontage (g) Heben.

Die Installationsposition des Stahlscherschlüssels auf der Schablone wurde bestimmt und an den entsprechenden Positionen entsprechend dem Durchmesser des Zapfens Löcher geschnitten, wie in Abb. 17a dargestellt. Die konkaven und konvexen Keile wurden gleichzeitig auf der Schablone installiert, die Schablonen wurden an der vorgesehenen Verbindungsposition platziert und die Segmente Nr. 1–5 wurden dann gleichzeitig gegossen, wie in Abb. 17b gezeigt.

Long-Line-Match-Methode (a) Vorlageneinrichtung (b) Mehrsegmentkonstruktion.

Es wurde ein 10-m-T-Träger mit 5 Segmenten entworfen, und die Konstruktionsmethode wurde gemäß der Long-Line-Match-Methode entworfen, wie in Abb. 18 dargestellt. Unter Berücksichtigung der physikalischen Verformung der konkaven und konvexen Keile, die durch Temperatur und Beton verursacht werden Aufgrund von Schrumpfung, Kriechen und vorübergehender Belastung wurde eine Passtoleranz von 0,2 mm zwischen Zapfen und Zapfenloch vorgesehen. Dadurch kann der Stahlschlüssel beim Ausgießen verrutschen. Um dieses Problem zu lösen, wurde während des technischen Tests vorübergehend eine 0,5 mm dicke Gummiunterlage auf dem Zapfen befestigt. Die Long-Line-Match-Methode verkürzte den Produktionszyklus erheblich, aber die Verbindungen erzielten nach dem Gießen keine perfekte Übereinstimmung. Die Ebenheit der Schablonen musste nach mehrmaligem Gebrauch überprüft werden.

Technischer Test der Long-Line-Match-Methode (a) Schabloneninstallation (b) Auftragen von Epoxidkleber (c) Verbindungsmontage (d) Zusammenfügen der Teile zu einem Ganzen.

Die konvexen und konkaven Keile wurden in der A-Schablone bzw. der B-Schablone installiert, wie in Abb. 19a dargestellt. Die Segmente AC wurden zur unabhängigen Produktion auf verschiedenen Sockeln platziert, wie in Abb. 19b dargestellt. Diese Methode ähnelt der Short-Line-Match-Methode, der Unterschied besteht jedoch darin, dass jedes Segment unabhängig erstellt wird und nicht auf dem vorhergehenden Segment als Endvorlage des sequentiellen Segments basiert. Es kann die Produktionseffizienz erheblich verbessern und eignet sich besonders für die Herstellung von Segment-T-Trägern mit kleiner und mittlerer Spannweite und kleinen Kastenträgern. Die Position der konkaven und konvexen Keile hängt jedoch vollständig von der Schablone ab und erfordert daher eine hochpräzise Steuerung.

Modulare Bauweise (a) Schablonenaufbau (b) eigenständige Segmentbauweise.

Bei der Stahlschubkeilverbindung handelt es sich um einen neuen Verbindungstyp bei vorgefertigten Segmentbrücken, deren mechanische Eigenschaften und mögliche Baumethoden jedoch unklar sind. Basierend auf experimentellen Untersuchungen weisen die Stahlscherfederverbindungen im Vergleich zu Betonfederverbindungen eine hohe Tragfähigkeit und gute Duktilität auf. Und basierend auf der praktischen Konstruktionsprüfung ist die Stahl-Scherfederverbindung für eine standardisierte Produktion geeignet. Die Ergebnisse zeigten sich wie folgt:

Stahlscherfederverbindungen haben eine hohe Tragfähigkeit. Im Vergleich zu Beton-Stützfugen ist die Tragfähigkeit von Stahl-Stahlscher-Trockenfugen um 72,96 % und die von Epoxidfugen um 29,52 % erhöht.

Stahl-Scherverbindungen weisen eine gute Duktilität auf. Die Tragfähigkeit der Beton-Stützfuge sinkt nach direkter Schubrissbildung schlagartig. Im Gegensatz zu Beton-Keilverbindungen können Stahl-Scherkraft-Keilverbindungen schnell eine innere Kraftumverteilung erreichen, um nach der Rissbildung ein neues mechanisches Gleichgewicht zu erreichen, die Verbindung kann die Last weiterhin tragen und die Last-Verschiebungs-Kurve weist eine horizontale Stufe auf.

Das Struktursystem der Stahl-Scher-Keilverbindungen ist nach Rissbildung stabil. Im Vergleich zum Betonschlüssel ist die Grenzspannungsamplitude im Moment des Risses deutlich kleiner und das Vorspannsystem relativ stabiler. Nachdem die Probe gerissen war, verzahnten sich die konkaven und konvexen Keile immer noch unter der Wirkung der einschließenden Spannung, und die Scherfestigkeit der Verbindung wurde immer noch durch den Stahlkeil gewährleistet. Der Schubschlupf der Stahl-Scherfuge war zum Zeitpunkt des Risses deutlich geringer als der der Beton-Scherfuge.

Die Stahlscherfederverbindungen unterliegen werkseitig standardisierten Produktionsbedingungen. Basierend auf traditionellen Konstruktionsmethoden für Betonschlüssel und der Kombination der Vorteile einer einfachen Struktur und der einfachen Installation von Stahl-Scherschlüsseln wurden Short-Line-Match, Long-Line-Match und modulare Methoden für Stahl-Scherschlüsselverbindungen entwickelt. Technische Tests wurden mit den Short-Line-Match- und Long-Line-Match-Methoden durchgeführt und die Testergebnisse bestätigten, dass die Stahl-Scherschlüsselverbindungen für die industrielle Produktion geeignet sind.

Stahlscherfederverbindungen verfügen über zuverlässige mechanische Eigenschaften und sind für die industrielle Standardproduktion geeignet. Diese haben einen breiteren Anwendungswert im Bereich vorgefertigter Segmentbetonkonstruktionen wie vorgefertigten Segmentträgern, Brückenpfeilern, Deckträgern und Versorgungstunneln.

Bei längerer Einwirkung von Luft rostet der Stahlscherschlüssel und seine mechanischen Eigenschaften nehmen ab. Um Lücken in der Verbindungsoberfläche zu vermeiden, wird daher empfohlen, die Oberfläche der Stahlscherverbindung mit Epoxidkleber zu beschichten. Und wir werden die Haltbarkeit der epoxidierten Stahl-Scherschlüsselverbindung weiter untersuchen.

Einige oder alle Daten, Modelle oder Codes, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Die vorgestellte Forschung wurde von der National Natural Science Foundation of China (52078363) gesponsert.

Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen, Xihua-Universität, Chengdu, 610039, China

Yu Zou & Tianyu Xiang

Hochschule für Bauingenieurwesen, Tongji-Universität, Shanghai, 200092, China

Dong Xu

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YZ und DX schrieben den Hauptmanuskripttext und TX bereitete das Experiment vor. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Yu Zou.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zou, Y., Xiang, T. & Xu, D. Schubverhalten und Konstruktionsmethode von Stahlschubkeilverbindungen in vorgefertigten Segmentträgern. Sci Rep 13, 11166 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-37442-0

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Eingegangen: 12. März 2023

Angenommen: 21. Juni 2023

Veröffentlicht: 10. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-37442-0

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