Shear Performance of Headed Studs in UHPC Containing Small Coarse Aggregates

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.11.011

Abstract

Abstract:

With the increasing span of steel-UHPC lightweight composite girders and the horizontal shear force in girders， the design of shear performance of headed studs in the lightweight composite girders becomes increasingly critical. The shear performance of headed studs between steel and UHPC with small coarse aggregates is studied via standard push?out specimens. The load?slippage behavior and failure mode of standard specimens are revealed， and the calculation methods for shear stiffness and capacity of single headed stud are proposed. Test results show that the failure mode of specimens is that the roots of headed studs are cut off. The failure slippage range of the push?out specimen is between 0.5~1.2 mm， and the ultimate shear strength of the single headed stud is 400.7 MPa. Theoretical calculation results show that according to existing design specifications， the shear stiffness is designed safely at the half failure load or the slippage of 0.2 mm. The design shear capacity of the single headed stud is calculated in the range of 95.51~129.20 kN， which was only 62.7%~84.8% of the test results. Therefore， when designing headed studs for UHPC deck panels with small coarse aggregates， the shear stiffness should consider a reduction coefficient of 0.57~0.73， and the shear capacity should not be reduced.

Key words: composite structure, headed stud, ultra?high performance concrete, shear stiffness, shear capacity

CLC Number:

U 443.37

Yan WANG, Zhe-chao WANG, Chang-hao LI, Peng CUI. Shear Performance of Headed Studs in UHPC Containing Small Coarse Aggregates[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(11): 1604-1611.

Figures/Tables 11

Fig.1 Standard specimen for push?out test (unit：mm)

Table 1 Compositions of 1m3 conventional UHPC

材料名称		尺寸	质量/kg
UHPC 凝胶材料	石英砂	毫米级	848.4
	水泥	微米级	771.2
	粉煤灰	微米级	77.1
	石英粉	微米级	154.2
	硅灰	亚微米级	154
	高效减水剂	微米级	10.1
端勾型钢纤维		?0.2 mm×13 mm	157
水		微米级	168

Table 2 Compositions of 1m3 UHPC with small coarse aggregates

材料名称	UHPC凝胶材料	河沙	玄武岩	端构型钢纤维?0.2 mm×13 mm	水
质量	1 080	580	600	157	162.6

Table 3 Primary mechanical properties of UHPC

检验项目	试件尺寸/mm	数量	试验结果平均值
检验项目	试件尺寸/mm	数量	常规UHPC	含小型粗骨料UHPC
E_c	300×100×100	5	42.8 GPa	52.1 GPa
f_cc	100×100×100	10	143.0 MPa	151.0 MPa
f_cp	300×100×100	15	118.5 MPa	127.1 MPa
f_cf	400×100×100	15	25.2 MPa	22.4 MPa
ε_sh	515×100×100	3	402 με	200 με

Table 4 Primary mechanical properties of steel

钢材种类	弹性模量E_s	屈服强度f_s	极限强度f_u
钢材种类	GPa	MPa	MPa
Q345钢板	206	374	521
HRB400钢筋	206	462	583
ML15栓钉	206	300	400

Fig. 2 Loading setups for push?out test

Fig. 3 Failure mode for push?out test specimens

Table 5 Results of push?out test

编号	屈服荷载	屈服滑移	破坏荷载	破坏滑移
编号	kN	mm	kN	mm
N1	989	0.278	1 388	0.766
N2	922	0.257	1 146	0.928
N3	941	0.319	1 122	0.837
标准差	28.2	0.025 7	120.1	0.066 3
平均值	950.7	0.285	1 218.6	0.844

Fig.4 Load?slippage curves of push?out test specimens

Table 6 Calculation methods and results of shear stiffness

计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	单钉抗剪刚度K计算结果	应考虑的折减系数η
计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	kN·mm^-1	应考虑的折减系数η
式（1）	$K = 13 d s E c f s$ ^[19]	—	763.5	—
依据F_s	取F_s的1/3倍^[21]	弹性状态	554.3	0.73
	取F_s的0.5倍^[22]	轻微塑性损伤状态	475.1	0.62
	取F_s的0.7倍^[18]	接近完全屈服状态	437.5	0.57
依据S_p	取S_p=0.2mm^[23]	轻微塑性损伤状态	483.9	0.63
	取S_p=0.5mm^[24]	完全屈服状态	280.4	0.37
	取S_p=0.8mm^[25]	完全屈服状态	193.3	0.25
	取S_p=1.0mm^[20]	完全屈服状态	171.3	0.22

Table 6 Calculation methods and results of shear stiffness

计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	单钉抗剪刚度K计算结果	应考虑的折减系数η
计算方法	计算理论	含小型粗骨料UHPC中栓钉状态	kN·mm^-1	应考虑的折减系数η
式（1）	$K = 13 d s E c f s$ ^[19]	—	763.5	—
依据F_s	取F_s的1/3倍^[21]	弹性状态	554.3	0.73
	取F_s的0.5倍^[22]	轻微塑性损伤状态	475.1	0.62
	取F_s的0.7倍^[18]	接近完全屈服状态	437.5	0.57
依据S_p	取S_p=0.2mm^[23]	轻微塑性损伤状态	483.9	0.63
	取S_p=0.5mm^[24]	完全屈服状态	280.4	0.37
	取S_p=0.8mm^[25]	完全屈服状态	193.3	0.25
	取S_p=1.0mm^[20]	完全屈服状态	171.3	0.22

Table 7 Calculation methods and results of shear capacity

公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	单钉抗剪承载力F/kN		可靠度β
公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	设计结果	试验结果	可靠度β
式（2）	JTG/T D64-01—2015^[19]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（2）	GB 50017—2017^[20]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（3）	EC4^[18]	$F S, c = ? A s f u / γ v$	$? = 0.8; γ v = 1.25$	97.28	152.30	3.67
式（4）	AASHTO^[26]	$F S, c = ? A s f u$	$? = 0.85$	129.20	152.30	1.54
式（5）	AISC 360-10^[27]	$F S, c = η g η p A s f u$	$η g = 1.0; η p = 0.75$	114.00	152.30	2.55

Table 7 Calculation methods and results of shear capacity

公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	单钉抗剪承载力F/kN		可靠度β
公式编号	参考规范	设计计算公式	计算参数说明	设计结果	试验结果	可靠度β
式（2）	JTG/T D64-01—2015^[19]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（2）	GB 50017—2017^[20]	$F S, c = 0.7 A s γ f$	$γ = 1.67; f = 215 ? M P a$	95.51	152.30	3.79
式（3）	EC4^[18]	$F S, c = ? A s f u / γ v$	$? = 0.8; γ v = 1.25$	97.28	152.30	3.67
式（4）	AASHTO^[26]	$F S, c = ? A s f u$	$? = 0.85$	129.20	152.30	1.54
式（5）	AISC 360-10^[27]	$F S, c = η g η p A s f u$	$η g = 1.0; η p = 0.75$	114.00	152.30	2.55

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