帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件的受力分析

謝祖巍 戚菁菁 吳記東

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411021）

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)是通過(guò)剪力連接件將砼板和鋼梁連接成一個(gè)整體共同受力工作的結(jié)構(gòu)形式，能充分發(fā)揮砼板受壓和鋼梁受拉的優(yōu)勢(shì)。剪力連接件是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中不可或缺的部件，能約束鋼-混凝土界面的滑移，決定了鋼-混組合結(jié)構(gòu)的整體性能。

張勇[1]提出一種新型裝配式螺栓連接件，該螺栓連接件較傳統(tǒng)螺栓施工更方便快捷，具有良好的剪切剛度。陳海[2]提出一種帶橫向栓釘?shù)男滦徒M合PBL剪力鍵，該剪力鍵具有良好的抗剪性能，其承載力近似等于對(duì)應(yīng)普通PBL剪力鍵和栓釘剪力鍵的抗剪承載力之和。這些新型剪力連接件較傳統(tǒng)連接件都能一定程度地提高其抗剪性能。

謝錦文[3]在研究鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系大直徑栓釘剪力連接件力學(xué)性能時(shí)，采用有限元軟件ABAQUS來(lái)模擬推出試驗(yàn)，通過(guò)精細(xì)化的建模來(lái)模擬試驗(yàn)，有限元分析結(jié)果與栓釘推出試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果對(duì)比，吻合良好。這種方法雖然模擬較準(zhǔn)確，但建模復(fù)雜計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。本課題組提出了一類(lèi)帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件，在其推出試驗(yàn)的基礎(chǔ)上[4]，本論文提出一種簡(jiǎn)化的有限元分析模型以及有限元分析方法，并選用有限元分析軟件Midas/Gen對(duì)推出試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析。

1 有限元分析

1.1 推出試件的數(shù)值仿真模型假定

通過(guò)理論分析發(fā)現(xiàn)栓釘擴(kuò)大頭一般處于混凝土翼緣板形心軸受壓區(qū)范圍內(nèi)，本文提出的“帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件數(shù)值模型”主要將帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件離散為純鋼制栓釘?shù)膱A截面短梁，數(shù)值模型假定如下：

（1）混凝土翼緣板采用板殼單元模擬，將內(nèi)部鋼筋離散在混凝土中，類(lèi)似于材料非線(xiàn)性的鋼筋混凝土本構(gòu)。

（2）鋼梁采用板殼單元模擬，考慮鋼梁材料的非線(xiàn)性本構(gòu)。

（3）混凝土板單元和鋼梁上翼緣板單元接觸面允許橫向和縱向的相互錯(cuò)動(dòng)，但不允許有上下的分離趨勢(shì)。

（4）帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件按本文中提出的等效梁?jiǎn)卧M，類(lèi)似純鋼栓釘?shù)膱A截面短梁，其力學(xué)性能以及剛度退化規(guī)律更加接近鋼結(jié)構(gòu)，因此將其簡(jiǎn)化為鋼材的材料非線(xiàn)性本構(gòu)。

1.2 數(shù)值模型本構(gòu)關(guān)系

模型中混凝土選用的是Midas軟件自帶的隨動(dòng)硬化模型，本文中所采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）所建議混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將鋼梁假定為理想彈塑性材料，忽略鋼材達(dá)到彈性極限強(qiáng)化時(shí)的應(yīng)力強(qiáng)化(見(jiàn)圖1～圖3)。

圖1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

圖2 鋼梁本構(gòu)關(guān)系

圖3 栓釘?shù)暮奢d-滑移本構(gòu)關(guān)系

1.3 單元類(lèi)型及網(wǎng)格劃分

推出模型的有限元網(wǎng)格劃分如下所示，由于本文屬于靜力問(wèn)題分析，因此選用Midas/Gen有限元軟件模塊來(lái)進(jìn)行數(shù)值仿真分析。對(duì)推出模型施加邊界條件，約束兩側(cè)混凝土翼緣板底部的6個(gè)自由度（Dx=Dy=Dz=0，Rx=Ry=Rz=0），工況則采用對(duì)頂部鋼板施加強(qiáng)制滑移的方式，分析控制數(shù)據(jù)采用材料非線(xiàn)性，收斂條件為滑移控制，程序運(yùn)算采用Newton-Raphson法。

2 參數(shù)分析

為探究不同參數(shù)對(duì)帶約束構(gòu)造的新型剪力連接件推出試件的力學(xué)性能影響，基于現(xiàn)有的相關(guān)理論以及混凝土和栓釘剪力連接件的受力特征，分析數(shù)值模型的破壞機(jī)理。分別研究了板厚、栓釘直徑、混凝土強(qiáng)度對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響。

2.1 混凝土板厚對(duì)連接件剪切性能的影響

以板厚為影響因素的數(shù)值模型其參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)表（板厚為影響因素）

在相同的強(qiáng)制滑移的條件下，對(duì)SA-1、SA-2、SA-3、SA-4這四組推出模型進(jìn)行對(duì)比分析，得出4組數(shù)值模型的荷載-滑移曲線(xiàn)，以及選用《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50917-2013）[5]中建議的栓釘荷載-滑移計(jì)算模型，得到4組傳統(tǒng)栓釘剪力連接件的荷載-滑移曲線(xiàn)（如圖4所示），并按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2017）計(jì)算，得出栓釘?shù)臉O限抗剪承載力，以及單釘極限承載力如表2所示：

圖4 不同板厚下的荷載-滑移曲線(xiàn)

表2 構(gòu)件極限承載力

通過(guò)圖4、表2中給出的數(shù)值分析數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：

從數(shù)值模型的荷載-滑移曲線(xiàn)來(lái)看，隨著板厚的增加，數(shù)值模型的極限抗剪承載力也在增大。板厚越厚，數(shù)值模型的初始剪切剛度越大。以栓釘極限承載力的1.6倍作為界定數(shù)值模型剪斷和壓潰的界限值，可以確定SA-3模型、SA-4模型為栓釘剪斷破壞。在達(dá)到栓釘承載力極限值之后，繼續(xù)增加板厚對(duì)提高數(shù)值模型的承載力極限值影響不大。

2.2 栓釘直徑對(duì)連接件剪切性能的影響

2.2.1 不同栓釘直徑下荷載-滑移曲線(xiàn)（見(jiàn)表3、表4、表5）

表3 構(gòu)件參數(shù)表（栓釘直徑為影響因素）

表4 構(gòu)件極限承載力

通過(guò)對(duì)比對(duì)圖5和表4數(shù)值仿真分析結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

圖5 不同栓釘直徑下的荷載-滑移曲線(xiàn)

數(shù)值模型的極限承載力隨著栓釘直徑的增大而明顯增大。栓釘直徑越大，數(shù)值模型的初始剪切剛度越大。隨著栓釘直徑的變化，栓釘剪力連接件發(fā)生了比較明顯的內(nèi)力重分布，栓釘剪力連接件的內(nèi)力重分布主要和板厚、混凝土強(qiáng)度、栓釘直徑有關(guān)。

2.3 混凝土強(qiáng)度對(duì)連接件剪切性能的影響

為研究混凝土強(qiáng)度對(duì)數(shù)值模型受力性能的影響，以混凝土強(qiáng)度等級(jí)為影響因素對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值分析（見(jiàn)表5）。

表5 構(gòu)件參數(shù)表（混凝土強(qiáng)度為影響因素）

表6 構(gòu)件極限承載力

通過(guò)對(duì)比圖6、表5，C30、C35、C40強(qiáng)度的數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)混凝土強(qiáng)度對(duì)數(shù)值模型的影響非常小，可以說(shuō)明帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件數(shù)值模型對(duì)板厚和栓釘直徑比較敏感，對(duì)混凝土強(qiáng)度的敏感程度很低。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)帶約束構(gòu)造的推出試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，表明本文所提出的這種有限元分析方法能比較準(zhǔn)確地模擬這類(lèi)帶約束構(gòu)造的新型剪力連接件受力過(guò)程，可用于對(duì)實(shí)際工程的參數(shù)分析。

（2）帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件對(duì)板厚以及栓釘直徑較為敏感，對(duì)混凝土強(qiáng)度敏感程度較低；當(dāng)數(shù)值模型處于栓釘剪斷破壞時(shí)，模型對(duì)栓釘直徑的敏感程度要高于板厚；當(dāng)數(shù)值模型處于混凝土壓潰破壞時(shí)，模型對(duì)板厚的敏感程度要高于栓釘直徑。