SFRC栓釘-橡膠連接件力學性能非線性有限元分析

王 哲 劉世忠 王佳偉 吳奇洋 郜晉生 白旭陽 吳曠曠

(1.太原科技大學交通與物流學院，太原 030024； 2.山西路橋建設集團有限公司，太原 030006)

栓釘連接件作為鋼-混組合結構中的主要連接件，其抗剪性能不具方向性，具有施工質量易于保證、經濟效益突出等優點，被大量應用于鋼-混組合結構橋梁中[1-3]。在鋼纖維混凝土(SFRC)中，利用亂向分布的鋼纖維能顯著提高混凝土的抗拉、抗彎、抗沖擊及抗疲勞性能，且具有良好的延性[4-5]，是承受高速重載車輛荷載的現代大跨徑橋梁結構中重要建筑材料。然而，在實際工程應用中，栓釘與鋼纖維接觸位置處因早期剛度過大，易出現局部混凝土壓碎、開裂破壞等病害。因此，在保證組合結構抗剪承載力前提下，如何有效降低焊釘連接件抗剪剛度成為鋼-混組合結構橋梁領域研究的熱點。

目前，國內外學者及工程技術人員對栓釘連接件在不同條件下的力學性能開展大量研究。OEHLERS等根據42組推出試驗結果，提出了0.5Vmax割線模量法，并得到焊釘抗剪剛度計算式[6]；藺釗飛等分析焊釘在混凝土中的變形特點與受力機理，并基于“彈性地基梁理論”模型提出了焊釘連接件抗剪剛度計算公式[7]；徐驍青等找出了組合連接件抗剪剛度的影響因素，并采用有限元模型對試驗進行數值模擬，提出了焊釘-橡膠連接件抗剪剛度計算式[8-9]；趙根田等通過試驗，采用ABAQUS研究群釘抗剪連接件的破壞模式、剛度退化、損傷累積、抗剪承載力及能量耗散等各項性能[10]；賈艷東等發現，采用鋼纖維混凝土(SFRC)代替普通混凝土時，栓釘連接件抗剪承載力及其對應的滑移值均有明顯提高[11]；李慧等研究凍融循環作用對栓釘連接件受剪性能的影響[12]；劉世明等依據18組54個模型推出試驗結果，探明了混凝土強度、焊釘直徑、鋼纖維體積摻量、橡膠套筒高度及厚度、加載模式等對SFRC 焊釘-橡膠連接件抗剪承載力的影響規律[13]。截至目前，針對SFRC栓釘-橡膠連接件力學性能研究較少，故開展SFRC栓釘-橡膠連接件非線性有限元計算很有必要。

采用ABAQUS有限元軟件對推出試驗進行全過程數值模擬，考慮材料非線性、幾何非線性與狀態非線性(接觸)的影響，對比分析了不同橡膠套高度下SFRC栓釘-橡膠連接件與SFRC普通栓釘連接件的抗剪承載力、抗剪剛度等力學性能的差異，為SFRC栓釘-橡膠連接件實際工程應用提供參考。

1 SFRC栓釘-橡膠連接件簡介

為對比分析橡膠套對SFRC栓釘-橡膠連接件與SFRC普通栓釘連接件力學性能的影響，選用試件編號為S4與S13的兩類試件[13]，分別建立其有限元模型并進行數值計算。S4與S13試件幾何尺寸如圖1所示，試件參數見表1。

圖1 試件幾何尺寸(單位：mm)

表1 試件參數

2 有限元模型

采用有限元軟件ABAQUS分別建立S4(SFRC栓釘-橡膠連接件)與S13(SFRC普通栓釘連接件)三維模型，采用Standard求解器計對其進行求解。為減小計算量，考慮推出試驗模型幾何外形、荷載及邊界條件的對稱性，建立1/4尺寸的有限元模型。

2.1 單元類型及網格劃分

有限元模型中，鋼纖維混凝土、翼緣板與栓釘均采用三維八節點六面體線性減縮積分單元C3D8R，橡膠套采用三維八節點六面體雜交單元C3D8H，鋼筋籠采用兩節點桁架單元T3D2。為保證計算精度及計算效率，栓釘根部及周圍混凝土采用2～5 mm小尺寸網格，其余部分采用20 mm大尺寸網格。SFRC栓釘-橡膠連接件有限元模型共計13 943個節點，11 121個單元，組合連接件有限元模型如圖2所示。

圖2 1/4有限元模型

2.2 本構模型

鋼纖維混凝土本構模型中，采用三折線模型[14]，利用ABAQUS材料模型庫中損傷塑性模型(Damaged Plasticity Model)進行模擬，混凝土損傷塑性模型參數見表2，其黏度系數會在一定程度上影響計算結果，經試算，黏度系數采用0.005。

表2 損傷塑性模型參數

鋼板、栓釘與鋼筋均采用理想彈塑性模型(雙折線模型)，即在小范圍內變形時各向同性，且服從Mises屈服準則，其相關材料屬性見表3。

表3 鋼的材性參數

橡膠具有良好的變形性能，采用ABAQUS材料模型庫中超彈性材料模擬，選取Neo-Hookean model模型描述橡膠材料特性，參數C10和D1分別取25.87 MPa和1.58×10-5MPa[15]。

2.3 相互作用及邊界條件

推出試驗時，不考慮翼緣板與混凝土之間的粘結性能(試驗時在翼緣板側邊涂抹潤滑劑)，故兩者之間切向可設置為無摩擦接觸，法向為硬接觸；栓釘與鋼纖維混凝土之間存在摩擦，兩者之間切向設為罰摩擦接觸，摩擦系數取為0.6，法向設為硬接觸以保證力的傳遞。鋼筋采用ABAQUS相互作用模塊的“embedded region”功能嵌入鋼纖維混凝土內部。

為方便荷載施加與結果提取，在試件頂面及底面分別建立參考點RP1與RP2，RP1與試件頂面、RP2與試件底面分別建立耦合約束。采用完全固定約束RP2所有自由度，加載方式采用位移加載，將位移施加于參考點RP1上。

3 有限元結果分析

有限元模型計算荷載-位移曲線與文獻[13]推出試驗結果對比如圖3所示。在彈性階段，兩者荷載-位移曲線基本重合；進入塑性階段后，由于混凝土與栓釘出現塑性變形，栓釘受力逐漸趨于復雜化，此階段有限元計算值與試驗值存在一定偏差，且隨著荷載的增大，偏差值也逐漸增大；試件達到破壞時，兩類試件有限元計算極限承載力值均低于試驗結果，但相差較小，誤差在可接受范圍內。由于超彈性材料橡膠網格變形過大，SFRC栓釘-橡膠連接件易較早出現計算不收斂，荷載-位移曲線下降段較難出現。兩類試件有限元計算荷載-位移曲線與試驗曲線均較為吻合。因此，采用ABAQUS有限元軟件能較好地模擬SFRC栓釘-橡膠連接件推出試驗，可為進一步開展SFRC栓釘-橡膠連接件傳力機理研究提供方法。

圖3 荷載-位移曲線比較

4 SFRC焊釘-橡膠連接件力學性能研究

以橡膠套高度hr作為變化參數，分別取25,50,75 mm，對不同橡膠套高度下的SFRC栓釘-橡膠連接件抗剪承載力與抗剪剛度進行計算分析，為SFRC栓釘-橡膠連接件實際工程應用提供參考。

4.1 抗剪承載力

SFRC栓釘-橡膠連接件有限元模型在不同橡膠套高度下的荷載-位移曲線如圖4所示，各試件抗剪承載力如表4所示。由圖4及表4可知，相較于普通栓釘連接件，當SFRC栓釘-橡膠連接件橡膠套高度從25 mm增加到75 mm時，抗剪承載力分別降低16.9%、12.8%、19.0%，試件抗剪承載力基本不變。

圖4 不同橡膠套高度下試件的荷載-位移曲線

4.2 抗剪剛度

抗剪剛度計算方法采用文獻[7]提出的“0.2 mm剛度法”，即取荷載-位移曲線對應位移量為0.2 mm處的割線模量作為栓釘連接件抗剪剛度，計算方法如式(1)所示，式中，Ks表示連接件抗剪剛度；F0.2mm表示連接件產生0.2 mm滑移時所對應的抗剪承載力。

(1)

采用上述計算方法計算栓釘連接件抗剪剛度如表4所示。由表4可知，與普通栓釘連接件相比，抗剪剛度顯著減小，當橡膠套高度hr從25 mm增加到75 mm時，抗剪剛度分別為普通栓釘連接件的51.8%、49.4%、43.4%。

表4 不同橡膠套高度下連接件抗剪承載力與抗剪剛度

5 結語

(1)ABAQUS有限元軟件能較好地模擬SFRC栓釘-橡膠連接件推出試驗，其荷載-位移曲線與試驗曲線較為吻合，可為進一步開展SFRC栓釘-橡膠連接件傳力機理研究提供方法。

(2)相較于SFRC普通栓釘連接件，不同橡膠套高度下SFRC栓釘-橡膠連接件極限承載力基本保持不變，但抗剪剛度僅為SFRC普通栓釘連接件的50%，SFRC栓釘-橡膠連接件能有效解決現有鋼纖維混凝土與栓釘因抗剪剛度過大產生的壓碎、開裂等工程病害。

(3) 橡膠套高度變化(hr=25，50，75 mm)對連接件抗剪剛度與抗剪承載力影響較小。SFRC栓釘-橡膠組合連接件橡膠套高度建議取值為栓釘高度的50%。