鋼—混組合梁剪力連接件抗剪性能研究

陳一馨+呂彭民+宋緒丁

摘 要：為了研究混凝土與剪力連接件的破壞形式及剪力連接件的極限抗剪強度，根據某實際鋼-混組合橋梁結構，設計了鋼-混組合梁剪力連接件試樣，并進行極限抗剪強度試驗，得到了剪力連接件的破壞形式和極限抗剪強度，且擬合得到荷載-滑移曲線，同時用非線性有限元模型進行仿真計算。結果表明：采用非線性有限元法得到的計算值與試驗值相當吻合。

關鍵詞：公路隧道；地形偏壓；埋深；偏壓角度

中圖分類號：U414 文獻標志碼：B

文章編號：1000-033X（2016）05-0059-04

Abstract： In order to study the failure modes of structural concrete and shear connector in reality and ultimate shear strength of shear connector， a prototype of shear connector was designed based on an actual structure of steel-concrete composite beam. Test on ultimate shear strength was carried out， and the failure modes of shear connector were obtained. A load-slip curve was gained， and nonlinear finite element model was applied to conduct the simulation. The results show that the value acquired by the simulation matches the test result perfectly.

Key words： highway tunnel； biased terrain； burial depth； biased angle

0 引 言

剪力連接件作為鋼-混組合結構的關鍵部件，其主要功能是將鋼結構與混凝土結構組合構成一個整體[1]，它的性能優越與否直接影響鋼-混凝土組合結構構件共同受力與協調變形性能[2]。剪力連接件的抗剪性能一般通過推出試驗得到，但費時費力；而通過數值分析方法可以模擬推出試驗從而預測剪力件性能，再經過少量的試驗驗證即可，是一種值得推廣的方法[3]。

然而，多數學者將研究集中于直徑為13～22 mm的剪力連接件[4-8]，對直徑較小的剪力連接件則研究較少。由于直徑為10 mm的剪力連接件也常應用于工程實際，因此，本文根據某實際鋼-混組合橋梁結構，以直徑為10 mm的剪力連接件為研究對象，設計完成鋼-混組合梁剪力連接件試樣。研究時分別采用以載荷為增量加載和以位移為增量加載這2種方式進行極限抗剪強度的試驗，得到該連接件的破壞形式和極限抗剪強度，并擬合出荷載-滑移曲線，同時利用有限元分析軟件建立試樣的非線性有限元模型，計算仿真得到荷載-滑移曲線及應力分布，將試驗結果與計算得到的剪力釘極限抗剪強度值進行比較分析[9-10]。

1 剪力件試樣靜載推出試驗

1.1 試件構造

本文根據實際橋梁結構，以1∶1的比例關系設計試樣。試件采用C50混凝土，剪力連接件選用電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘。

根據實際橋梁結構取混凝土層厚度為50 mm。鋼板采用Q345B，厚度為14 mm。試件中縱向及橫向鋼筋均采用普通鋼筋，直徑為6 mm。鋼筋網網孔尺寸為100 mm×150 mm。兩側混凝土板的縱向鋼筋采用1根不斷開且穿過下部混凝土臺座的普通鋼筋。橫向鋼筋在上，縱向鋼筋在下。試件構造如圖1、2所示。

1.2 試驗加載方案及破壞描述

為使試件兩側受力均勻，加載時在混凝土底座下面鋪設24 mm的厚鋼板。靜載試驗設備見圖3。

試件整體破壞情況見圖4（a）。加載初期，試樣未見明顯變化，隨著載荷的增加，工字型鋼板和混凝土之間出現縫隙并逐漸加大，同時混凝土出現裂縫，當達到極限載荷值時，混凝土破碎，試樣被破壞。其中，2個剪力釘被剪斷（圖4（b）），其余剪力釘均發生彎剪變形（圖4（c））。試件在剪力釘周圍出現寬約6 mm的裂縫，剪力釘附近的混凝土均完全破碎（圖4（d）），混凝土縱向裂縫沿焊釘的縱向延展貫穿整個試件（圖4（e））。

剪力釘在推出試件中處于彎剪受力狀態，周圍的混凝土被擠壓破裂后，裂紋發展很快，以工字型鋼板與混凝土脫離、剪力釘被剪斷或者混凝土板的裂縫較大作為破壞的標志。

1.3 試驗結果分析

在豎向載荷的作用下，剪力釘變形導致混凝土和工字鋼產生相對滑移，因此，載荷-滑移曲線是評價剪力釘連接件力學性能的重要指標。

試驗數據具體分析如下：加載初期，由于試樣和工裝存在制造和裝配誤差，載荷-滑移曲線出現一個小的非線性區；當滑移量達到約0.5 mm時，載荷與滑移量進入線性區；隨著載荷繼續增加，試樣抗滑移能力開始下降，當滑移量達到約2 mm時，載荷與滑移量呈非線性關系；當載荷達到極限值（約為404 kN）之后，載荷迅速減小而滑移量迅速增大，直至試件破壞。擬合得出載荷-滑移量計算公式為

2 剪力件有限元分析

2.1 有限元分析模型

為了研究混凝土的開裂、壓碎、塑性等復雜力學行為及試樣的詳細受力機理和破壞過程，本文采用有限元軟件ANSYS建立三維實體模型，并用非線性有限元法進行了計算分析。

2.1.1 材料的本構關系

混凝土的本構關系是表示在外載荷作用下的混凝土應力-應變的響應關系，塑性材料選項采用多線性等向強化[11]。該模型使用多線性來表示使用Von Mises屈服準則的等向強化的應力-應變曲線，通過合理的參數設定能夠比較真實地定義混凝土實際本構關系。研究混凝土的等效單軸受壓應力-應變關系時，使用比較廣泛的Hognestad公式

本文中εu=0.003 3，混凝土的彈性模量Ec=3.22×104 MPa，泊松比為0.2。剪力釘塑性材料選項則采用經典雙線性隨動強化，即采用1個雙線性來表示應力-應變關系曲線，所以有2個斜率，即彈性斜率和塑性斜率。本文取剪力釘的彈性模量E=2.06×105 MPa，泊松比為0.3。

2.1.2 有限元模型的建立

試樣混凝土部分選用8節點六面體單元SOLID65進行模擬，設定了混凝土的三維強度準則及混凝土材料，用以反映混凝土壓潰、開裂等復雜的力學行為。引入開裂傳遞系數βt及閉合裂縫傳遞系數βc表示裂縫對結構性能的影響。本文中取βt=0.5，βc=0.95。試件的鋼腹板、鋼翼緣板及剪力釘選用8節點空間實體單元SOLID45進行模擬。

根據試樣本身的結構對稱性建立1/2模型并進行計算分析。為了與實際相符合，建立模型時做了如下的處理。

（1）在鋼板和混凝土、剪力釘和混凝土之間分別建立了接觸對，模擬鋼板表面和混凝土接觸面之間、栓釘和混凝土之間的粘結力及相互作用力。

（2）在對稱面上施加對稱邊界約束條件，在混凝土底面約束X、Y、Z三個方向的移動自由度。有限元計算模型如圖5所示。

2.2 有限元結果分析

在豎向載荷的作用下，由于剪力釘變形導致混凝土塊和工字鋼產生相對滑移，可以仿真得到荷載-滑移曲線，然后與實際試驗得到的荷載-滑移曲線對比，見圖6。計算可知，在載荷未超過120 kN時，載荷與滑移量呈線性關系，載荷超過120 kN后，載荷與滑移量呈非線性關系。

對比推出試驗所得的載荷-滑移曲線與其仿真得到的載荷-滑移曲線可以發現，前半部分差異較大，后半部分比較一致，剪切強度極限值相當一致。

當載荷值達到120 kN時，混凝土已接近屈服極限值，其應力云圖分布如圖7所示，與試驗所得照片（圖4（b））和混凝土壓碎細節（圖8）對比，發現有限元計算所得受力較大部位與試驗過程中混凝土破壞的部位是吻合的。

當荷載達到399.53 kN時，接近剪力釘屈服極限400 MPa，剪力釘的應力云圖和變形云圖見圖9、10。整個加載過程中先是混凝土破壞，后為剪力釘屈服失效，這與試驗結果一致。

3 結 語

本論文以鋼-混組合梁剪力連接件為研究對象，通過對比分析靜載試驗結果及非線性有限元的仿真計算結果，對剪力連接件的抗剪性能進行了比較分析，得到如下結論。

（1）靜載推出試驗時，試件的剪力釘連接件沿受力方向對混凝土產生較大的壓應力。由于剪力釘連接件的抗剪能力強于混凝土板，因此，試件破壞時，剪力釘連接件根部的混凝土發生局部受壓破碎或者劈裂，剪力釘彎曲但未被全部剪斷。

（2）該批試樣的線性區滑移量范圍為0.5～2 mm，試樣的極限抗剪承載力約為404 kN。根據2種加載試驗值，擬合得出載荷-滑移量的計算公式，可供工程應用參考。

（3）采用本文非線性有限元模型計算得到的剪力件極限承載力為399.53 kN，與試驗值吻合較好，單釘極限承載力的誤差僅為0.75%，兩者得到的破壞形式基本一致。因此，若試驗條件不允許，可采用有限元模擬的方法得到極限承載力來指導工程實際應用。

參考文獻：

[1] 肖 林.鋼混組合結構中剪力連接件試驗研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[2] 張興虎，楊 威，姜維山，等.組合梁新型連接件抗剪性能試驗研究[J].西安建筑科技大學學報：自然科學版，2010，42（4）：492-497.

[3] 聶建國，沈聚敏，袁彥聲，等.鋼-混凝土組合梁中剪力連接件實際承載力研究[J].建筑結構學報，1996，17（2）：21-29.

[4] 白 玲，曾 敏.組合梁中栓釘剪力鍵的受力特性分析[J].鋼結構，2005，20（2）：28-31.

[5] 胡夏閩，劉子彤，趙國藩.鋼與混凝土組合梁栓釘連接件的設計承載力[J].南京建筑工程學院學報，2000，55（4）：1-10.

[6] 陳玲珠，蔣首超，張 潔.栓釘剪力連接件的承載能力研究綜述[J].鋼結構，2010，25（9）：5-10.

[7] 宗周紅，車惠民.剪力連接件靜載和疲勞試驗研究[J].福州大學學報：自然科學版，1999，27（6）：61-66.

[8] 丁 敏，薛偉辰，王 驊.鋼-高性能混凝土組合梁栓釘連接件抗剪性能的試驗[J].工業建筑，2007，37（8）：9-13.

[9] 羅應章.鋼-混凝土組合梁栓釘剪力連接件的研究[D].長沙：中南大學，2008.

[10] 陳一馨，呂彭民，宋緒丁，等.鋼-混組合梁剪力釘抗剪性能試驗研究[J].橋梁建設，2012，42（3）：63-69.

[11] 張朝暉.ANSYS11.0結構分析工程應用實例解析[M].北京：機械工業出版社，2008.

[責任編輯：杜衛華]