抗拔栓釘剪力連接件配筋方案研究

王奕博 呂偉榮 徐偉

（湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

在土木工程領域，栓釘剪力連接件因其充分利用了混凝土和栓釘的性能，表現出抗剪承載力大、經濟實用等優點，被大量應用在鋼-混凝土組合結構中[1]。在風力機領域，基礎環作為預埋在基礎混凝土內部的鋼制部分，是連接基礎和鋼塔的過渡構件，承受并傳遞風荷載作用下的巨大彎矩[2]。對于基礎環式風力機基礎，常采用在預埋基礎環上焊接栓釘的形式。焊接栓釘的基礎環有著良好的抗剪抗彎能力，使基礎環和混凝土發揮出更好的協同工作能力，如今被越來越多地應用在風力機新建和加固項目中[3]。本文將通過理論分析，并在建立有限元分析模型的基礎上，提出抗拔栓釘剪力連接件的配筋方案，以供工程進行參考。

1 栓釘剪力連接件的試驗研究現狀

栓釘基礎環局部受力情況與栓釘剪力連接件類似。對于栓釘剪力連接件，國內外已經開展了較多的試驗研究，得出了大量的理論和試驗結論。Ollgaard等[4]對栓釘連接件的推出試驗結果進行了總結，發現栓釘的抗剪強度主要受混凝土的強度和彈性模量的影響，并提出了栓釘連接件的抗剪承載力計算式和荷載-滑移曲線的指數型模型。聶建國等[5]基于大量栓釘剪力連接件的試驗結果，提出了放寬對栓釘連接件承載力公式限制條件的建議。Shim、Xue、汪洋等人發現栓釘的抗剪性能主要受栓釘直徑、高度、抗拉強度及混凝土強度參數的影響[6-8]。丁發興等[9]對栓釘剪力連接件的推出試驗和有限元結果進行對比，兩者符合較好。

從以上可知，目前關于栓釘連接件的試驗主要是栓釘剪力連接件的推出試驗，關于抗拉栓釘剪力連接件的拔出試驗的研究較少。因混凝土的抗拉性能遠弱于其抗壓性能，抗拔栓釘剪力連接件易發生混凝土拉裂的破壞形態（見圖1所示），從而降低抗拔栓釘剪力連接件的承載力。為提高栓釘剪力連接件的抗拔性能，需要在混凝土中合理布置足量的縱筋，而對于抗拔栓釘剪力連接件的鋼筋配置一直未形成明確的規范。為探究抗拔栓釘剪力連接件的合理鋼筋配置，需進行有限元的建模分析和試驗驗證。

圖1 抗拔栓釘剪力連接件混凝土截面拉裂

2 抗拔栓釘剪力連接件的鋼筋布置研究

2.1 抗拔栓釘剪力連接件配筋面積計算公式

在歐洲規范[10]中，栓釘剪力連接件試驗為推出試驗，由于混凝土有著良好的抗壓能力，規范中的剪力連接件試件采用構造配筋。對于栓釘剪力連接件的拉拔試驗，由于混凝土的抗拉性能較差，極易被拉壞，故構造配筋無法滿足抗拔栓釘剪力連接件的設計要求。

對于抗拔栓釘剪力連接件，混凝土受到來自栓釘的上拔力，其受力模式類似于軸心受拉。于是將抗拔栓釘剪力連接件視作正截面軸心受拉構件，以栓釘為中心規定核心區，要求由核心區內的鋼筋承受來自剪力連接件的縱向拉力，故核心區內的鋼筋承載力需大于剪力連接件的破壞荷載，從而避免剪力連接件發生混凝土橫截面的受拉破壞。以抗拔栓釘剪力連接件為例（見圖2、圖3所示），因破壞始于栓釘附近的混凝土，在栓釘附近布置了16根主要受力縱筋，將16根鋼筋所圍區域定為核心區，核心區外規定為構造區，在后續的有限元分析工作中將通過對鋼筋應力的分析證實其有效性。

圖2 抗拔栓釘剪力連接件俯視圖

圖3 抗拔栓釘剪力連接件側視圖

在《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[11]中，對于軸心受拉構件的正截面受拉承載力公式為：

由歐洲規范[10]計算的栓釘承載力為：

將（2）帶入（1）得出核心區內縱向鋼筋配筋面積公式為：

式中：

As1——核心區內縱向鋼筋配筋面積；

N1——鋼筋總承載力；

fy1——鋼筋抗拉強度標準值；

N2——栓釘總承載力；

n——栓釘個數；

As2——栓釘的橫截面積；

fy2——栓釘的抗拉強度標準值。

2.2 抗拔栓釘剪力連接件設計

為探究鋼筋布置對抗拔栓釘剪力連接件破壞形態的影響，設計如下抗拔栓釘剪力連接件試件。混凝土強度等級取為C40，栓釘直徑為13mm，栓釘間距為5.38d（70mm），栓釘長度為50mm，鋼板厚度為16mm，鋼筋選用HRB400。

將圖4標注區域規定為核心區，對試件的配筋進行計算。由公式（3）計算得核心區內的配筋面積As1需大于764.15mm2。綜合考慮群釘的間距和安裝鋼筋的操作性，在核心區內對稱布置了共16根縱筋，選用8mm直徑的鋼筋。該配筋方案的配筋面積之和為803.84mm2，大于計算核心區配筋面積，符合設計要求。核心區外布筋方式如圖5所示，縱筋和箍筋選用8mm直徑，布置構造配筋的同時，在每根栓釘下布置一圈箍筋，達到約束縱筋的作用。

圖4 試件俯視圖

圖5 試件正立面圖

2.3 設計配筋方案

為驗證該配筋方案的有效性并探究不同配筋方案對剪力連接件拉拔試驗的影響，制定了以下超筋、適筋、少筋和無筋的配筋方案（見表1所示），分別進行有限元建模。以抗拔栓釘剪力連接件試件設計的配筋方案作為適筋方案，計算配筋率定為100%，以此制定少筋、超筋和無筋的配筋方案。對于不同的配筋方案，為保證單一變量，只改變了核心區內縱筋配筋面積，核心區外的鋼筋均不會改變。

表1 配筋方案設計

3 拔出試驗有限元模擬及驗證

3.1 有限元模型概況

通過abaqus有限元模擬軟件對抗拔栓釘剪力連接件進行1∶1建模，有限元模型如圖6、圖7所示。該模型主要由混凝土、鋼板、栓釘、鋼筋籠四部分組成。其中，鋼板、栓釘、混凝土的材料都采用三維八節點減縮實體單元（C3D8R）進行模擬，鋼筋籠采用三維二節點桁架單元（T3D2）進行模擬。全局種子尺寸為20mm，栓釘根部采用5mm的尺寸。鋼板和混凝土的接觸界面采用法向“硬”接觸，切向罰函數（摩擦系數為0.4），小滑移公式來模擬。栓釘和混凝土的接觸界面和鋼板混凝土類似，滑移公式為有限滑移。栓釘與鋼板間采用綁定約束，混凝土的兩端部的頂面上設置固端約束。加載方式為向鋼板的頂面施加豎直向上的位移，大小為10mm。

圖6 抗拔栓釘剪力連接件模型

圖7 抗拔栓釘剪力連接件模型內部配筋

3.2 模型本構

混凝土的本構采用《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）[10]建議的本構關系，選取C40的混凝土參數，軸心抗壓強度標準值fck=26.8MPa，軸心抗拉強度標準值ftk=2.39MPa，泊松比為μc=0.2，彈性模量Ec=3.25×104MPa。混凝土材料塑性參數見表2。

表2 混凝土材料塑性參數

栓釘的本構采用彈塑性強化本構：應力-應變關系采用三折線曲線，栓釘達到屈服應變后進入屈服階段，隨應變的增加最后進入強化階段，通過栓釘快速變形模擬栓釘剪斷失效的過程。栓釘的彈性模量Es=2.06×105MPa，屈服強度取fy=375MPa，極限強度取fu=450MPa，屈服應變取εy=fy/Es=0.001820，極限應變取εu=0.021908。

鋼筋和鋼板的本構采用彈塑性強化本構：應力-應變關系采用雙折線曲線，鋼材達到屈服應變后進入屈服平臺，極限強度取fu=360MPa。

3.3 有限元模型分析結果

3.3.1 各模型荷載位移曲線分析

經過有限元的運算，得到不同配筋率下的剪力連接件荷載-滑移曲線，見圖8。

圖8 各模型荷載滑移曲線

有限元模型的荷載滑移曲線分為兩個階段，第一階段各個配筋方案的荷載滑移曲線差別極小，第二階段起，配筋率越高的構件，栓釘的破壞發生得越早，栓釘承載力也略有提高。

分析有限元模擬的現象：第一階段，混凝土中產生的裂縫較小，此階段荷載主要由混凝土來直接承擔，鋼筋間接受力，未發揮作用，故不同配筋率的模型在第一階段有著一致的荷載—滑移曲線。第二階段，裂縫逐漸擴大，混凝土所受荷載逐漸傳遞到鋼筋上，在該階段，配筋率對荷載滑移曲線有著顯著的影響。

3.3.2 不同配筋率下模型的混凝土拉損分析

對不同配筋率的混凝土拉損進行分析，圖9～圖12為拉拔模型的混凝土拉損。

圖9 無筋模型混凝土受拉損傷

圖10 少筋模型混凝土受拉損傷

圖11 適筋模型混凝土受拉損傷

圖12 超筋模型混凝土受拉損傷

對于無筋模型，隨著荷載的增加，混凝土首先會在栓釘底部與鋼板底部的兩側產生較大的拉損，對比不同配筋率的模型，無筋模型栓釘底部兩側的拉損是最嚴重最明顯的，最終破壞形態為混凝土橫截面拉裂；對于少筋的模型，隨著荷載的增加，混凝土在栓釘底部與鋼板底部的兩側產生較大的拉損，同時栓釘頂部以上的混凝土出現了很大程度的沖切損傷，最終破壞形態為混凝土橫截面拉裂與頂部混凝土的沖切破壞；對于適筋的模型，在栓釘發生剪斷時，混凝土在栓釘底部與鋼板底部的兩側產生一定程度的拉損，栓釘頂部發生了少量的沖切損傷，最終破壞形態為栓釘的剪斷；對于超筋的模型，其破壞形態與適筋的破壞形態類似，也是栓釘的剪斷，但混凝土產生損傷范圍要更小。由分析可知，栓釘剪力連接件模型在無筋、少筋、適筋和超筋情況下分別會出現混凝土截面拉裂、混凝土沖切破壞、栓釘剪斷三種破壞形態。

3.3.3 不同配筋率下模型的鋼筋應力分析

對不同配筋率的有限元模型的鋼筋應力情況進行分析，圖13～圖17為剪力連接件模型的鋼筋應力分布：對于25%配筋模型，隨著荷載的增加，混凝土截面產生較大裂縫，核心區鋼筋全部屈服；對于50%配筋模型，隨著荷載的增加，在栓釘發生剪斷時，核心區內最靠近栓釘的8根鋼筋發生了屈服；對于100%配筋模型，栓釘發生剪斷時，核心區內鋼筋均未屈服，最高應力水平為237MPa；對于200%配筋模型，栓釘發生剪斷時，核心區內鋼筋均未屈服，鋼筋最高應力水平為113MPa。

圖13 栓釘的Mises應力

圖14 無筋模型鋼筋Mises應力分布

圖16 適筋模型時鋼筋Mises應力分布

圖17 超筋模型鋼筋Mises應力分布

由上述有限元分析結果可知，在剪力連接件發生破壞時，隨著剪力連接件配筋率的提升，鋼筋的應力水平逐漸降低。在少筋情況下，剪力連接件發生破壞時核心區內鋼筋會發生屈服；在適筋和超筋情況下，剪力連接件破壞時核心區內鋼筋尚未屈服。

對不同配筋率的有限元模型的鋼筋應力分布情況進行分析，發現核心區內鋼筋所受應力由中間往兩邊遞減（沿栓釘軸向），且核心區外鋼筋應力水平下降迅速，證明拉拔模型所受應力主要傳遞在核心區內的鋼筋上，且核心區內縱筋受力大小由中心向兩側遞減。

4 結束語

為探究抗拔栓釘剪力連接件的合理鋼筋配置，本文采用有限元的建模分析和試驗驗證。結論是：

（1）抗拔栓釘剪力連接件模型的抗拔承載力隨著配筋率的增加而上升，在無筋、少筋、適筋和超筋情況下分別會出現混凝土截面拉裂、混凝土沖切破壞、栓釘剪斷三種破壞形態。

（2）抗拔栓釘剪力連接件模型中主要受力筋為核心區內的縱筋，可將其視為核心區軸向受拉來進行設計。當核心區的鋼筋計算承載力大于栓釘破壞荷載時，能夠保證抗拔栓釘剪力連接件發生栓釘剪斷的破壞形態。