鋼混梁剪力鍵在日照作用下溫度應力有限元分析

張永貴

（重慶市城市建設發展有限公司，重慶 400010 ）

0 前言

鋼混組合梁通過剪力鍵將混凝土構件和鋼結構連接在一起，一方面能充分發揮鋼結構優良的抗拉性能以及混凝土良好的抗壓性能，另一方面鋼混組合梁具有較輕的結構自重、較低的梁高、施工高效、便捷等優點，近年來被廣泛運用在橋梁領域[1]。

因此，作為“承上啟下”的剪力連接件荷載-滑移特性以及抗疲勞性能備受關注。不少文獻表明，采用PBL 剪力鍵作為鋼混組合梁的連接件，可解決傳統剪力釘存在的單個抗剪強度低、加工困難、群釘對鋼梁損傷較大、應力集中等詬病，能進一步提高剪力鍵的承載能力和抗疲勞性能[2]。

但目前對PBL剪力鍵的研究大多基于力學行為、構件間的相對滑移量等。而自然環境中的鋼-混凝土組合結構往往受大氣溫度變化以及太陽輻射等循環作用[3][4]。混凝土導系數較差，往往存在溫度滯后的現象，從而導致剪力鍵出現溫度應力分布[5]。基于此本文建立有限元分析，模擬在日照作用下，瞬態溫度場下鋼混組合梁連接件的受力性能，進一步說明PBL 剪力鍵的優勢。

1 有限元模型

本文鋼混組合梁截面尺寸采用某20 米人行天橋，斷面示意圖如下，其中，剪力釘采用Φ22，順橋向間距300mm，橫橋向間距200mm，BPL 剪力鍵厚度采用10mm，開孔孔徑為50mm。簡化計算，分別建立BPL 剪力鍵和剪力釘縮尺模型，如圖2.2 所示。

圖2.1 橫斷面示意圖

圖2.2 有限元模型

有限元所選取的材料具體參數如下表所示，混凝土、工字鋼、PBL 剪力鍵分別采用C3D8T 六面體單元劃分，剪力釘采用C3D4T 四面體單元劃分。工字鋼與剪力釘、PBL 剪力鍵的連接采用tie 約束，混凝土與剪力釘、PBL剪力鍵的連接采用e mbedded 約束連接。

表2.1 材料參數表

為準確模擬日照作用下，鋼混組合梁剪力鍵的應力狀況，將有限元模型初始預定義場溫度設為20℃，終止溫度設為50℃，分析步設為溫度-位移耦合（瞬態），時長設置為4 小時（早上九點至下午1 點），選取混凝土頂面以及工字鋼一側腹板通過表面熱交換條件對構件進行加熱，空氣膜散熱系數取15 W/m·K。

2 結果分析

研究表明，剪力鍵的破壞形式主要分為兩種，一種是栓釘的剪切破壞，一種是剪力鍵附近混凝土的破壞。本文針對這兩種情況，分別提取剪力釘與PBL 剪力鍵的切應力值以及剪力鍵邊緣混凝土的最大主應力值[6][7]。

2.1 剪力鍵切應力分析

剪力鍵作為保證鋼梁與混凝土協同工作的關鍵構件，其抗剪承載能力將直接決定混凝土與鋼梁的工作性能[8]。經計算后的剪力鍵切應力云圖如下圖所示，提取各瞬態PBL 剪力鍵、剪力釘與工字鋼連接處的單元溫度值、單元應力值以及混凝土截面中心單元溫度值和單元應力值，分別繪制單元應力-時間、單元溫度-時間曲線圖。

圖2.1 PBL 剪力鍵切應力云圖

圖2.2 剪力釘切應力云圖

圖2.3 單元切應力-時間變化圖

圖2.4 單元溫度-時間變化圖

由上圖可以清晰的看出，在模擬日照升溫的4 小時內，PBL 剪力鍵的剪切應力均小于剪力釘，且均在6000 秒左右達到最大峰值應力，PBL 剪力鍵最大切應力為3.65Mpa，剪力釘最大切應力為9.11 Mpa，隨后切應力開始減小，PBL 剪力鍵最終切應力為2.6 Mpa，剪力釘最終切應力為6.24 Mpa。對比單元溫度-時間變化圖可以發現，在6000 秒時剪力鍵的溫度就已達到45℃，而混凝土溫度僅為28℃，混凝土出現溫度滯后的現象，此時的溫度差最大，達17℃。隨后，切應力隨溫差逐漸縮小，最終溫差達10℃。

2.2 混凝土應力分析

有限元模擬溫度場升溫過程中，混凝土與連接件邊緣最大主應力計算結果云圖如下圖所示。提取各瞬時狀態下剪力釘處混凝土最大主應力和PBL 剪力鍵處混凝土最大主應力值，繪制單元應力-時間曲線圖如圖3.7 所示。

圖2.5 剪力釘處混凝土最大主應力云圖

圖2.6 PBL 處混凝土最大主應力云圖

由上圖可以清晰的看出，在升溫的4 個小時內，PBL 剪力鍵邊緣混凝土的最大主應力小于剪力釘邊緣處混凝土的最大主應力，且均在6000 秒左右達到最大值，最大主應力分別為16.35Mpa、20.35 Mpa，相差4 Mpa。隨著混凝土溫度升高，最大主應力逐漸減小，最終達到11.83 Mpa、14.02 Mpa，差值逐漸縮小為2.19 Mpa。

綜上所述，鋼混組合梁在日照過程中，外界溫度場發生變化，采用PBL剪力鍵作為連接件的鋼混梁剪力鍵處的切向應力以及剪力鍵邊緣處混凝土的最大主應力均小于采用剪力釘作為連接件的鋼混梁。

3 結論

（1）本文采用有限元分別模擬PBL 剪力鍵和剪力釘作為連接件的鋼混梁，在日照過程中，應對外界溫度場變化時，構件中各單元應力、溫度隨時間變化的瞬態模型。

（2）計算結果表明，采用PBL 剪力鍵作為連接件的鋼混梁剪力鍵處的切向應力以及剪力鍵邊緣處混凝土的最大主應力均小于采用剪力釘作為連接件的鋼混梁，因此在溫度場變化下，BPL 剪力鍵力學性能優于剪力釘。

（3）本文所建模型為縮尺模型，僅考慮溫度荷載作用下，構件自由變形所產生的溫度應力，未考慮橋梁結構自重等其他荷載。