剪力釘傾斜對其力學性能影響分析

張柳煜,金 鑫,蘇 舉,孫武云,黃樂州

(1.長安大學橋梁與隧道陜西省重點實驗室，長安大學，陜西 西安 710064；2.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210014；3.云南武倘尋高速公路有限責任公司，云南 昆明 650000)

鋼-混組合結構橋梁是將鋼梁與混凝土橋面板通過抗剪連接件連接成整體共同受力的橋梁形式，剪力釘是鋼混組合結構中非常重要的連接構件，起到了抵抗鋼梁與混凝土之間的縱向剪力和防止鋼板與混凝土板掀起的作用，但由于構件在加工，制作以及安裝的過程中存在的問題，剪力釘連接件往往會出現尺寸偏差、剪力釘空洞、剪力釘傾斜等誤差，這些誤差往往對其力學性能產生較大的影響。

目前國內外對于剪力釘受力特性的研究主要通過拉拔及推出實驗來獲取剪力釘的極限抗拉拔及抗剪承載力，對剪力釘的相關規范也是通過實驗為基礎。20世紀50～60年代，美國工程師就對鋼-混組合梁和剪力連接件進行了實驗研究[1-2]；90年代，Deric J.Oehlers[3]對在疲勞荷載作用下，剪力釘的荷載滑移曲線和其應力應變關系進行了實驗和理論研究，為之后剪力釘破壞機理的研究奠定了基礎；2000年胡夏閩[4]等人對剪力釘抗剪承載能力計算公式展開了研究，給出了基于可靠度的剪力釘承載能力計算公式；2007年周偉翔[5]為了驗證剪力釘抗剪承載能力計算公式的準確性，將剪力釘連接件推出實驗模型所得結果與理論結果就進行了對比研究；2015年藺釗飛[6-7]等人建立室內縮尺推出模型試驗，得出了可以防止鋼-混組合梁脆性破壞的有效措施，即控制剪力連接件的高徑比，控制混凝土的強度等；2017年李成君[8]等人設計了裝配式剪力釘的布置方式，通過推出試驗對剪力釘的滑移性能進行研究，為組合梁剪力釘設計提供了參考；2018年甘屹東[9]等人進行靜力推出試驗，研究鋼與超高性能混凝土之間焊接抗剪連接件的抗剪性能，并結合工程背景研究了布置方式對其的影響。

本文首先通過通用有限元分析軟件abaqus，選用合理的參數，來模擬剪力釘連接件的拉拔及推出實驗，并與相關文獻中的實驗結果進行對比，來驗證本文所采用的材料本構關系、參數取值及有限元模擬方法的可靠性和精確性，然后以有限元分析為基礎，建立不同的工況，研究剪力釘傾斜對其力學性能的影響，為制定剪力釘的的設計和施工誤差控制范圍提供了參考。

1 有限元模型建立

本文通過通用有限元軟件ABAQUS建立仿真模型，采用C3D8R實體單元，混凝土材料參數如下：Ec為34 500 MPa,Fck為32.4 MPa，Ftk為2.64 MPa，ν為0.2，混凝土本構采用ABAQUS損傷塑性模型[10]。混凝土拉壓應力-應變關系如圖1、圖2所示。

圖1 混凝土受拉應力-應變關系

圖2 混凝土受壓應力-應變關系

剪力釘的本構模型選用雙折線模型，不考慮剛度退化[11，12]，材料強度根據試驗結果選取[3]，其余相關參數依據《公路鋼結構橋梁設計規范》[13]選取，見表1。

表1 材料參數Table1 MaterialparametersE/GPafy/MPafu/MPaν剪力釘2064205190.31鋼梁2063450.31鋼筋2064000.31

有限元模型及網格劃分見圖3，剪力釘與其周圍相接觸的混凝土采用硬接觸，并進行了網格加密處理，以提高計算精度。有限元計算中，忽略了混凝土與鋼板之間的切向摩擦力，僅考慮法向的相互作用。

圖3 剪力釘試驗數值分析模型

2 剪力釘模型驗證

2.1 剪力釘連接件拉拔試驗模型的驗證

本文選擇直徑為22 mm，長度為100 mm(以下簡稱Φ22×100)剪力釘模型，及直徑為22 mm，長度為300 mm(以下簡稱Φ22×300)剪力釘模型進行拉拔試驗有限元模擬，繪制以剝離量為橫坐標，荷載大小為縱坐標的荷載剝離曲線，分析剪力釘的抗拉拔性能，并將模擬結果與周偉翔[5]進行的剪力釘拉拔實驗結果進行對比。剪力釘拔出試驗試件尺寸見圖4。

(a)立面圖

Φ22×100剪力釘試件及Φ22×300剪力釘試件有限元模擬剪力釘荷載-剝離曲線與文獻[3]對比結果如圖5、圖6所示。

圖5 Φ22×100剪力釘荷載-剝離曲線

圖6 Φ22×300剪力釘荷載-剝離曲線

由圖5可知，在彈性階段，Φ22×100剪力釘有限元模擬的結果與試件結果曲線變化趨勢基本一致，抗剪剛度隨著荷載的增加而逐漸減小，仿真結果較試驗結果先進入塑性階段，在文獻試驗中，剪力釘極限抗拉拔承載力為155.3 kN，而仿真結果僅比試驗結果大4.1%。

由圖7可知，在彈性階段，Φ22×300 剪力釘有限元模擬的結果與試件結果曲線變化趨勢基本一致，其破壞形式為剪力釘被拉斷破壞，但由于在試驗的過程中，很難對試件進行軸心受拉，實際試件會受到拉彎作用，因此有限元模擬的剪力釘抗拉極限承載能力比試驗結果要略大。

用有限元模擬的剪力釘拉拔試驗荷載-剝離曲線能較好地反映剪力釘的拉拔與破壞過程，與試驗結果曲線相比，整體的發展規律相近，證明了有限元模擬結果是可取的，因此下文以該拉拔試驗有限元模擬為基礎，分析剪力釘傾斜對其抗拉拔性能的影響。

2.2 剪力釘連接件推出試驗模型的驗證

本文在封博文[14]等人靜載推出試驗的基礎上，選擇Φ22×300剪力釘試驗模型進行推出試驗有限元模擬，對剪力釘抗剪性能進行有限元分析。圖7為仿真模型的尺寸圖，剪力釘荷載-滑移曲線對比結果如圖8所示。

2.2 3組術前、術后血紅蛋白的比較 A、B、C 3組血紅蛋白術后各時點均較術前明顯升高，3組間術后3個月隨訪血紅蛋白差異無統計學意義(P>0.05)，術后6、12個月B、C組血紅蛋白明顯高于A組，3組間差異有統計學意義(P<0.05)。見表3。

(a)立面圖

圖8 Φ22×200剪力釘荷載-滑移曲線

由圖8可得，有限元模擬的結果與試驗結果變化趨勢基本一致，二者極限抗剪承載力相對誤差僅有3.3%，相對滑移量也相差不大，說明有限元模擬的結果較為準確，下文以該有限元模擬為基礎，分析剪力釘傾斜對其抗剪性能的影響。

3 剪力釘傾斜對拉拔性能的影響

剪力釘在施工、焊接以及拼裝的過程中，不可避免會產生一定的傾斜，本文運用單因素敏感性分析法，分不同工況，針對不同傾斜角度，通過有限元模擬剪力釘的拔出試驗，研究剪力釘傾斜對其拉拔性能的影響。仿真模擬采用C50混凝土，直徑22 mm，長度150 mm的Φ22×150剪力釘。各工況傾斜角度有：工況1為0°，工況2為5°，工況3為10°，工況4為20°，工況5為30°，工況6為40°，工況7為50°。不同傾角的剪力釘剝離量曲線如圖9所示、不同傾角的剪力釘荷載-剝離曲線如圖10所示、不同傾角的剪力釘極限抗拔承載力變化曲線如圖11所示。

圖9 不同傾角剪力釘剝離量曲線

圖10 不同傾角剪力釘荷載-剝離曲線

圖11 不同傾角剪力釘極限抗拔承載力曲線

由圖9可得，剪力釘剝離量隨著傾斜角度的增大先增大后減小，從0°～5°降低的最快，30°時降低到谷值。傾斜角度為5°～40°時，其剝離量分別降低了24.5%，36.0%，38.4%，39.9%，25.6%，傾斜角度為50°時，剝離量增高了43.1%。

由圖10可得，不同傾斜角度剪力釘荷載剝離曲線的發展趨勢一樣，隨著傾斜角度的增大，同一剝離量對應的荷載大小減小，因此傾斜角度的不同僅對剪力釘極限抗拉承載力和對應的剝離量有影響。

由圖11可得，隨著剪力釘傾斜角度的增大，其極限抗拉拔承載力不斷下降，且下降幅度越來越大，當傾斜角度為50°時，剪力釘的極限抗拉承載力降低了70%，說明剪力釘的抗拔承載力對傾斜角度的變化較為敏感。

由有限元模擬結果可得，剪力釘傾斜時其拔出試驗的破壞形態均為混凝土破壞。當剪力釘傾斜角度大于5°時，剪力釘的破壞形態為脆性破壞，無明顯的塑性變形，對結構危害較大，應該避免。通過剪力釘抗拉承載力和和破壞模式對剪力釘傾斜角度的敏感程度分析可知，為了避免剪力釘抗拉拔承載能力大幅降低以及剪力釘的脆性破壞，在施工過程中應該將剪力釘的傾斜角度控制在5°以內。

4 剪力釘傾斜對抗剪性能的影響

為研究剪力釘傾斜對其抗剪性能的影響，本文分不同工況，針對不同的推出方式(順推：使得剪力釘根部混凝土受壓區增大；逆推：使得剪力釘根部混凝土受壓區減小)，通過有限元模擬減小不同傾斜角度的剪力釘推出試驗。仿真模擬采用C50混凝土，Φ22×200剪力釘。工況編號見表2。順推時剪力釘抗剪荷載滑移曲線見圖12，逆推時剪力釘抗剪荷載滑移曲線見圖13，抗剪承載力變化曲線和對應滑移量變化曲線見圖14、圖15所示。

圖15 滑移量隨傾斜角度變化折線圖

表2 剪力釘傾斜工況參數表Table2 TiltingconditionofShearstud傾斜角度順推工況逆推工況0°工況1-0工況2-05°工況1-1工況2-110°工況1-2工況2-215°工況1-3工況2-320°工況1-4工況2-425°工況1-5工況2-530°工況1-6工況2-635°工況1-7工況2-740°工況1-8工況2-845°工況1-9工況2-950°工況1-10工況2-10

圖12 順推剪力釘荷載-滑移曲線

由圖12、圖13可知，隨著傾斜角度和推出方式的變化，剪力釘的荷載滑移曲線的發展趨勢變化不大，但是剪力釘極限抗剪承載力和對應的截面滑移量大小對傾斜角度的變化較敏感。

圖13 逆推剪力剪荷載-滑移曲線

圖14 抗剪承載力隨傾斜角度變化折線圖

逆推時，剪力釘抗剪極限承載能力大體隨著傾斜角度的增加先減小后增大。當傾斜角度為5°時，略有增加，相較于垂直狀態增加了0.2%；當傾斜角度為20°時，剪力釘極限抗剪承載能力最小，相較于垂直狀態，降低了10.6%。由圖10可知，當剪力釘的傾斜角度控制10°以上時，順推相較于逆推更有利。

由圖15可知：對于順推，剪力釘極限抗剪承載力對應滑移量大體隨著傾斜角度的增加而減小，5°～25°之間，降低的速度最快，25°之后，降速變緩，滑移量也逐漸收斂。到40°時，剪力釘抗剪承載力最低，相比于垂直狀態降低了47%。對于逆推，界面滑移量變化趨勢較復雜，變化幅度較小，剪力釘極限抗剪承載力對應滑移量大體隨著傾斜角度的增加先減小后增大。

不同傾斜角度和不同推出方向下，剪力釘的受力形態和破壞模式不同，因此剪力釘的極限抗剪承載能力和對應的滑移量會呈現上述的規律。表3給出了不同傾斜角度和不同推出方向的剪力釘的破壞形態。

表3 結構破壞形態Table3 Structuralfailurepatterns傾斜角度順推逆推 0°剪力釘剪斷剪力釘剪斷 5°剪力釘剪斷剪力釘剪斷10°剪力釘剪斷混凝土壓碎15°剪力釘剪斷混凝土壓碎20°剪力釘剪斷混凝土壓碎25°剪力釘剪斷混凝土壓碎30°剪力釘剪斷混凝土壓碎35°剪力釘剪斷混凝土壓碎40°剪力釘剪斷混凝土壓碎45°剪力釘剪斷剪力釘剪斷50°剪力釘剪斷剪力釘剪斷

當剪力釘垂直狀態時，剪力釘的破壞形態為剪力釘根部被剪斷破壞，其抗剪承載力主要由材料的抗拉強度和剪力釘的截面積控制，順推時，當剪力釘發生傾斜，與剪力釘接觸的混凝土的受壓區域面積增大，對于剪力釘的抗剪是有利的，因此，剪力釘傾斜會增加剪力釘的抗剪承載力，但是剪力釘一旦發生傾斜，在抗剪的同時，也將承擔更大的軸向拉力，因此剪力釘的塑性狀態來的更早，破壞也提前。

逆推時，剪力釘根部接觸的混凝土受壓區域會因為剪力釘的傾斜角度增大而減小，這對于剪力釘抗剪是不利的，但當傾斜角度較小時(5°左右)，剪力釘的抗剪承載力主要還是受材料的抗拉強度和剪力釘的截面積控制，其抗剪承載力降低程度不大，破壞形式依舊為剪力釘剪斷破壞；當傾斜角度不斷增大(20°左右)，此時混凝土的受壓區域不斷減小，對剪力釘的抗剪影響較大，破壞形式也變為混凝土壓碎破壞；當傾斜角度繼續增大時，剪力釘所受的軸向壓力不斷增大，與剪力釘根部接觸的混凝土所受的壓力不斷減小，一定程度上提高了剪力釘抗剪承載力，此時破壞形態變為剪力釘剪斷破壞。

剪力釘的傾斜角度對剪力釘抗剪承載力以及破壞形態影響影響較大，在施工中因充分考慮剪力釘傾斜角度的誤差。由上述分析可知，當剪力釘傾斜角度在5°以內時，剪力釘抗剪承載力變化較小，且剪力釘破壞形態也沒有改變，因此從抗剪性能角度出發，在施工過程中應將剪力釘的傾斜角度控制在5°以內。

5 結論

a.通過ABAQUS軟件能較為精確地模擬出剪力釘的抗拉拔實驗以及抗推出實驗。

b.拉拔實驗模型中，隨著傾斜角度的增大，剪力釘的抗拉拔承載力逐漸減小，其對應剝離量先增大后減小，不同傾斜角度的剪力釘拔出實驗破壞形態均為混凝土破壞。

c.推出實驗模型中，順推時，剪力釘傾斜會使混凝土受壓區域增大，有利于剪力釘抗剪。隨著傾斜角度的增大，剪力釘變化的大體趨勢是極限抗剪承載力增大，對應的滑移量減小。

d.逆推時，剪力釘傾斜會減小混凝土的受壓，這對于剪力釘抗剪是不利的。隨著傾斜角度的增加，剪力釘破壞形態從剪力釘剪斷破壞變為混凝土壓碎破壞再變為剪力釘剪斷破壞，極限抗剪承載力和對應滑移量的大體變化趨勢為先略微增加后減小再增加。

e.由剪力釘傾斜對其抗拔承載能力以及抗剪承載能力的影響，建議施工過程中將剪力釘傾斜角度的誤差控制在5°以內。