栓接裝配式鋼-混凝土組合梁及其抗剪鍵的力學性能研究

陳慶偉, 王文洋*, 王志鵬, 潘晨, 肖宜凱

(1.國網山東省電力公司經濟技術研究院, 濟南 250021; 2.太原理工大學土木工程學院, 太原 030024)

鋼-混凝土組合梁由剪力連接件緊密連接上部混凝土翼板與下部鋼梁構成,其綜合了混凝土結構和鋼結構的優點,在橋梁工程及高層、大跨度的建筑中得到了廣泛應用[1-2]。栓釘連接件因性能良好,施工技術成熟且成本較低,是應用廣泛的剪力連接件[3]。隨著裝配式建筑的大力推廣,傳統鋼-混凝土組合梁難以裝配、拆卸的問題逐漸顯露。使用高強螺栓代替傳統栓釘,不僅可以實現混凝土板的預制裝配、避免鋼材焊接缺陷、擴大鋼種選擇范圍,還可以使得剪力連接件的更換成為可能[4]。

目前,已有一些學者對組合梁中高強螺栓的力學性能開展了研究。Kwon等[5-6]對組合梁中內置雙螺母螺栓、高強摩擦型螺栓、黏合劑錨固螺栓3種不同的螺栓進行了靜力和疲勞性能研究,發現3種類型螺栓的抗剪承載力大致為其抗拉強度的一半,且螺栓連接件的抗疲勞強度明顯高于栓釘連接件。杜浩等[7]通過24個推出試驗發現螺栓周圍混凝土受壓破壞和螺栓栓桿剪斷破壞兩種典型破壞模式,并給出不同破壞模式下鋼-混凝土組合梁螺栓連接件的受剪承載力的計算方法。Liu等[8]對高強螺栓連接鋼-預制混凝土組合結構進行了推出試驗,提出了摩擦型高強螺栓連接件的抗剪承載力計算公式和剪力-滑移本構關系。劉中良等[9]對預制裝配式高強螺栓抗剪連接件的抗剪性能進行了研究,并與現澆混凝土板推出試件的破壞模式和受力性能進行對比,結果表明螺栓直徑,孔徑比等對螺栓極限承載有一定影響,并提出了由抗拉強度和截面面積控制的抗剪承載力計算公式。Hosseini等[10]評估了螺栓連接和傳統剪力連接件的靜態強度和延性,將螺栓剪力連接件的疲勞強度與栓釘進行了比較,并討論了不同剪力連接件在靜態和疲勞載荷作用下的破壞模式。何余良等[11]進行了10個混雜纖維混凝土的推出試件,通過分析纖維、螺栓直徑、螺栓孔徑比等不同參數來研究螺栓連接件的抗剪性能。蔡莉莉等[12]進行了裝配式剪力群釘推出破壞試驗,研究了裝配式剪力群釘的變形、滑移、裂縫發展以及栓釘破壞等典型破壞特征,并結合數值方法分析了栓釘與混凝土的相互作用關系。Ataei等[13]通過12個推出試驗,研究了螺栓尺寸、混凝土強度、螺栓強度以及預制混凝土板螺栓孔和螺栓之間間隙量等參數對螺栓連接件抗剪承載力的影響。結果表明混凝土壓碎、鋼梁翼緣變形和剪力連接件的斷裂為試件失效后的主要破壞損傷形式。

綜上所述,前人研究多集中在推出試驗得到的螺栓抗剪連接性能,對栓接組合梁的研究較少,分析尚不充分。鑒于此,選用摩擦型高強螺栓作為組合梁的剪力連接件,基于ABAQUS有限元軟件建立數值模型,在驗證試驗結果的基礎上,對螺栓抗剪性能和組合梁抗彎性能開展參數化分析,為今后的試驗研究及工程應用提供參考。

1 推出試驗數值模型

1.1 模型尺寸、單元與網格

參考文獻[4]對6組推出試件進行的靜力試驗,試件尺寸如圖1[4]所示。試件由一個H250 mm(高度)×250 mm(寬度)×9 mm(腹板厚度)×14 mm(翼板厚度)型鋼梁和2塊460 mm(長)×400 mm(寬)×120 mm(高)的預制混凝土板組成,鋼梁和混凝土板預留螺栓孔,混凝土板通過兩個高強螺栓與鋼梁相連接。

圖1 推出模型尺寸[4]Fig.1 Details of push-out specimen[4]

按照試驗模型建立數值模型,組成構件包括混凝土板、鋼梁、高強螺栓、墊圈,鋼筋和剛性底板。考慮到推出試驗的對稱性,利用ABAQUS軟件建立1/4數值模型。其中混凝土板、鋼梁、螺栓、墊片均采用8節點三維實體線性減縮積分單元(C3D8R),鋼筋采用2節點三維桁架單元(T3D2)。鋼梁的尺寸劃分為三級,全局網格尺寸為10 mm,螺栓孔周邊局部區域尺寸為6 mm,螺栓孔最內側沿周向尺寸為4 mm;墊圈、鋼筋和剛性底板采用全局布種的方式,網格尺寸分別為4、20、50 mm;混凝土板網格的全局尺寸為5 mm,螺栓孔最內側沿周向尺寸為2.5 mm;螺栓采用全局布種,網格尺寸為2.5 mm。模型網格如圖2(a)所示。

1.2 接觸、約束與邊界條件

裝配過程中鋼梁-混凝土板、墊片-混凝土板、墊片-螺栓、混凝土板-剛性底板等接觸約束均采用“表面-表面”相互作用,在其法線方向和切線方向分別使用“硬”接觸和“罰”函數接觸,鋼-混凝土界面的摩擦系數取為0.45[14],鋼-鋼界面的摩擦系數取Lee等[15]所建議的0.5。在忽略滑移和黏結的情況下,鋼筋和混凝土板之間應用了嵌入約束。

為匹配試驗條件,在剛性底板底面中心施加固定約束。對1/4模型施加邊界條件,分別對面1設置x、z向對稱邊界條件,面2設置z向對稱邊界條件,面3設置固定邊界條件,鋼筋和混凝土板之間設置“嵌固”約束。鋼梁頂面進行“耦合”約束至參考點,如圖2(b)中所示。

1.3 荷載步與失效準則

數值分析采用隱式靜態分析,Newton-Raphson法逐級迭代位移控制荷載,分析步驟如下。

步驟1通過螺栓荷載(Bolt Load)選項將預緊力施加到螺栓上。

步驟2通過與鋼梁頂部“耦合”的參考點施加豎直向下的位移荷載,同時將螺栓設置為固定在當前長度,以模擬持續不變預緊力。

與試驗破壞模式相似,混凝土損傷和應變達到極限值表征混凝土板開裂,螺栓全截面進入塑性表征螺栓斷裂,均可判斷模型失效。

1.4 材料本構關系

1.4.1 混凝土

混凝土采用ABAQUS材料模型庫中的塑性損傷(concrete damaged plasticity, CDP)模型。基于Hognestad模型,普通混凝土的壓縮應力-應變曲線可以簡化為三部分。彈性階段和非線性階段根據式(1)、式(2)計算。考慮到三軸應力狀態,下降階段被簡化為直線,如圖3(a)所示。

Ec為混凝土彈性模量;f′c為抗壓極限強度的0.85倍;εco為混凝土壓縮應力-應變曲線圖中峰值應變,取值為0.002;εcu為混凝土壓縮應力-應變曲線圖中極限應變,取值為0.01;ft為抗拉極限強度;εto為混凝土拉伸應力-應變曲線圖中峰值應變;εtu為混凝土拉伸應力-應變曲線圖中極限應變

(1)

Ec=12.4×103+460f′c

(2)

式中:f′c抗壓極限強度的0.85倍;εco為峰值應變,取值為0.002;σc為壓縮應力;εc為壓縮應變。

混凝土的抗拉極限強度取抗壓極限強度的0.1倍,拉伸應力-應變曲線簡化兩段式,如圖3(b)所示。材料強度如表1所示。

表1 混凝土材料強度Table 1 Concrete material strength

1.4.2 鋼材

鋼梁和鋼筋均采用ABAQUS中的彈塑性本構模型,結合Prandtl-Reuess塑性流動準則進行模擬,如圖4(a)所示,其中,鋼梁與鋼筋彈性模量Es=200 GPa,鋼梁與鋼筋屈服應變εst=0.02,鋼梁與鋼筋極限應變εsu=0.25,泊松比為0.3。

Es為鋼筋與鋼梁彈性模量;εsy為鋼梁與鋼筋屈服應變,εst為鋼梁與鋼筋屈服應變;εsu為鋼梁與鋼筋極限應變;fbtu為螺栓的極限承載力;0.8fbtu為高強度螺栓屈服應力;εbty為高強度螺栓屈服應變;8εbty為高強度螺栓極限應變

高強螺栓采用三折線本構關系[16],如圖4(b)所示,螺栓的斷裂應變為0.15[17]。材料強度如表2所示。

表2 鋼材材料強度Table 2 Steel material strength

1.5 模型驗證

將本文模型計算的荷載-滑移曲線與文獻[14]試驗得到的荷載-滑移曲線進行對比,如圖5所示。可以看出,本文方法能夠合理預測鋼-混凝土組合結構中高強螺栓連接件的荷載-滑移性能,特別是對抗滑移荷載、峰值荷載、峰值荷載對應的極限滑移值以及承壓階段剪切剛度的預測較為準確。圖6為試件破壞形態對比。

s為鋼梁與混凝土板界面的相對滑移;V為高強螺栓抗剪承載力

圖6 試件破壞形態對比Fig.6 Comparison of failure mode

2 螺栓連接件抗剪性能參數分析

2.1 高強螺栓預拉力

為了分析高強螺栓預拉力(T)的影響,以M20-8.8級高強螺栓為例,保持其余參數與上述模型一致,對模型施加25、50、75、100、125 kN預拉力。所得荷載-滑移曲線如圖7所示,預拉力對滑移荷載、極限荷載、極限滑移和承壓抗剪剛度的影響如圖8所示,其中,滑移荷載(Vs)為鋼-混凝土克服摩擦時的荷載,極限抗剪承載力(Vu)為承壓階段的最大承載力,極限滑移(Su)為極限荷載所對應的滑移,承壓階段抗剪剛度(Ks)為荷載-滑移曲線上0.7Vu與承壓階段起始點的割線斜率。

s為鋼梁與混凝土板界面的相對滑移;V為高強螺栓抗剪承載力

圖8 不同預拉力的螺栓力學性能Fig.8 Bolt mechanical properties with different pretensile

從圖8可以看出,隨著初始預拉力增大,高強螺栓連接件的摩擦階段增長,滑移荷載隨預拉力呈線性增長,這是由于預拉力使鋼-混凝土界面的最大靜摩擦力提高。值得注意的是,預拉力對承壓階段力學應能也有一定影響。與25 kN預拉力相比,125 kN預拉力時的螺栓極限承載力受影響較小,僅提高了5.5%,這是因為螺栓破壞時收到剪切和拉伸共同作用,而破壞時的拉應力遠超初始預拉力,則不同預拉力的螺栓在破壞時應力狀態是相近的;極限滑移和承壓抗剪剛度所受影響較大,分別增加了14.6%和20.3%,這得益于摩擦階段的延長,延緩了螺栓進入非線性承壓階段進程,螺栓在剪切變形較小的情況下進入了破壞軟化階段,拉應變分量得到充分發展。因此,在實際工程中應盡量按照規范足額施加螺栓預拉力。

2.2 混凝土板孔徑的影響

以M20-8.8級高強螺栓和125 kN預拉力的模型為例,將混凝土板孔徑D分別改變為24、25、26 mm 3種,結果如圖9、圖10所示。

s為鋼梁與混凝土板界面的相對滑移;V為高強螺栓抗剪承載力

圖10 不同混凝土孔徑的螺栓力學性能Fig.10 Bolt mechanical properties with different concrete apertures

從圖10可以看出,混凝土板孔徑的增大對高強螺栓的滑移荷載和極限承載力幾乎無影響,而極限滑移的增長值也幾乎等于孔徑的增大量。當混凝土板孔徑從24 mm增加到26 mm時,高強螺栓承壓抗剪剛度減小了19.1%,這是由于較大的孔徑使得混凝土孔壁與螺栓桿實際接觸面積減少,更容易造成混凝土承壓變形。因此,從剛度和滑移量的角度考慮,實際工程應提高制孔精度,減小孔徑,必要時用灌漿料填充。

2.3 混凝土強度的影響

以M20-8.8級高強螺栓、125 kN預拉力的模型為例,取C30、C40、C50、C60混凝土強度,分析混凝土強度對連接件力學性能的影響。圖11、圖12為不同混凝土強度下的荷載-滑移曲線及其影響規律。

圖12 不同混凝土強度下的力學性能Fig.12 Bolt mechanical properties with different concrete strength diameters

從圖11可以看出,不同混凝土強度的荷載-滑移曲線在摩擦階段和滑移階段基本重合,在進入承壓階段后產生了明顯區別。當混凝土強度從C30提高到C60時,螺栓連接件的極限承載力、極限滑移和承壓抗剪剛度都明顯提高。其中極限承載力提高了29.3%,極限滑移提高了近一倍,承壓抗剪剛度也略有增加,提高了11.2%。這是由于混凝土強度較低時,螺栓孔周圍的混凝土容易發生局部壓碎破壞,無法在剪切面給螺栓提供可靠支撐,導致螺栓的強度和延性無法完全發揮。因此,在實際工程中,應當適當提高混凝土強度以充分發揮高強螺栓連接件的承載能力。

2.4 螺栓抗拉強度

為了分析螺栓抗拉強度fu對高強螺栓連接件力學性能的影響,以M20、125 kN預拉力的高強螺栓為例,選用抗拉強度分別為800、900、1 000、1 200 MPa,圖13、圖14為不同抗拉強度螺栓的分析結果。

s為鋼梁與混凝土板界面的相對滑移;V為高強螺栓抗剪承載力

圖14 不同抗拉強度的螺栓力學性能Fig.14 Bolt mechanical properties with different bolt strength strength

若預拉力相同,則螺栓強度等級的提高對摩擦階段與滑移階段的力學性能基本無影響,但承壓階段和破壞階段的承壓抗剪剛度、極限承載力和極限滑移均有明顯提高。其中,承壓抗剪剛度提高了11.1%,極限承載力提高了36.1%,極限滑移提高了27.5%。因此,若不改變預拉力,且工程設計僅利用摩擦階段,則無需提高螺栓強度等級;若按承壓型高強螺栓設計,利用承壓階段強度,則可使用更高強度的螺栓。

3 簡支組合梁數值模擬及參數分析

3.1 數值模型

推出試驗能較好地反映連接件的抗剪性能,但無法體現組合梁的整體受彎性能。因此,用上述相同的建模方法建立了簡支組合梁的數值模型,根據圖15所示的鋼-混凝土組合梁尺寸簡圖建立模型。模型全長5 300 mm,計算跨度為5 000 mm,其中純彎段1 150 mm,剪跨段2 700 mm。鋼梁采用HW300 mm(腹板寬度)×200 mm(翼板寬度)×8 mm(腹板厚度)×12 mm(翼板厚度)截面,屈服強度355 MPa,混凝土板厚度為100 mm,混凝土強度為C40。分析采用10.9級高強螺栓作為抗剪連接件,螺栓雙排布置,螺栓橫向間距為100 mm。混凝土預留螺栓孔直徑比螺栓直徑大4 mm,鋼梁上翼緣預留螺栓孔直徑比螺栓直徑大2 mm。

圖15 鋼-混凝土組合梁尺寸Fig.15 Details of Steel-concrete composite beam dimensions

由于構件本身和加載條件具有對稱性,為節省計算成本、提升分析效率,對組合梁模型的建立進行適當的簡化,僅建立1/4組合梁模型。對稱面1限制x方向的平動和繞y、z軸的旋轉;對稱面2限制z方向的平動和繞x、y軸的旋轉;對支座處限制x、y方向的平動和繞y、z軸的旋轉。模型的網格及接觸條件與推出模型一致,如圖16所示。

圖16 組合梁模型邊界條件Fig.16 Boundary conditions of compsite beam model

數值模擬均采用隱式分析,分為兩個分析步進行:①通過對螺栓施加螺栓荷載(BOLT LOAD),將預緊力施加到螺栓上;②將集中荷載施加在1/3跨處的參考點上,并通過耦合作用將荷載傳遞至混凝土板,同時將螺栓荷載第2個分析步中的荷載方法選擇為固定在當前長度。

為在ABAQUS中準確得到組合梁的計算結果,需要確定組合梁的破壞時刻。由于現行規范的對組合梁的設計采用塑性設計,因此將鋼梁跨中全截面進入屈服應力作為組合梁破壞的依據。

3.2 參數分析

3.2.1 螺栓預緊力

在以螺栓預緊力為設計參數進行建模與參數化分析時,除螺栓預緊力外,其余參數保持不變,。分別建立螺栓預緊力為90、110、130、150、170 kN的5個組合梁模型進行參數分析,荷載-位移曲線及荷載-滑移曲線如圖17所示。

由圖17可知,當螺栓預緊力從90 kN變化到170 kN時,試件的極限承載力和極限滑移最大僅增加了約1.9%,變化幅度幾乎可以忽略。而初始抗彎剛度分別增加了5.2%、6.6%、7.6%、8.8%,滑移荷載分別明顯增加了19.9%、39.8%、59.6%、75.9%,極限滑移分別減少了2.2%、3.7%、9.2%、7.3%,這表明更大的螺栓預緊力使鋼-混凝土界面最大靜摩擦力增大,延緩縱向滑移發展過程,增強組合作用,表現出更好的剛度。值得注意的是,當預緊力為170 kN時,極限滑移較150 kN時增大,這是由于提高螺栓預緊力時會導致螺栓孔附近混凝土局部壓力增加,進而導致混凝土產生局部損傷。因此在實際工程中,對剛度有要求的組合梁可以通過增加螺栓預緊力來達到設計目標,但螺栓預緊力上限值應根據混凝土標號進行合理設置,不可過大。

3.2.2 混凝土強度

保持剪力連接程度為100%不變,螺栓直徑均為M20,選取4種常見混凝土強度,分別建立混凝土強度為C30、C40、C50、C60的5個組合梁模型進行參數分析,所得結果如圖18所示。

圖18 不同混凝土強度的組合梁力學性能Fig.18 Mechanical properties of composite beas with different concrete strength

由圖18可知,當混凝土強度從C30增大至C60時,組合梁的極限承載力分別增加了4.6%、8.7%、12.3%,但增長幅度逐漸較小;得益于混凝土本身的彈性模量增加,組合梁的初始抗彎剛度有少許提升,分別增加了1.4%、2.4%、3.5%。隨著混凝土強度增大,組合梁滑移荷載分別提高了2.1%、2.6%、4.3%,這是因為較大的混凝土強度提高了組合界面的中性軸高度,則相同外荷載下鋼-混凝土界面的縱向剪力減小。

3.2.3 螺栓等級

在以螺栓等級為設計參數進行參數化分析時,通過改變螺栓個數的方法保證剪力連接程度為100%,分別以8.8級、9.8級、10.9級、12.9級4種類型的螺栓建立組合梁模型,螺栓直徑均為M20。所得結果如圖19所示。

以“100%-9.8”為例,表示保證剪力連接程度為100%,以9.8級螺栓建立的組合梁模型

由圖19可知,當螺栓等級從8.8級變化到12.9級時,試件的極限承載力略有下降,最大降幅為0.7%,初始抗彎剛度最大降低2.6%,這是因為保證直徑與抗剪連接程度不變的情況下,增大螺栓等級導致螺栓個數減少,剛度分布更加不均勻,但該影響較為微小。組合梁的極限撓度分別增加了2.2%、11.2%、16.2%,極限滑移分別增加了18.6%、20.2%、29.2%。螺栓等級和滑移荷載呈負相關,隨著螺栓等級增大,克服摩擦所需的荷載分別降低了5.0%、17.5%、24.1%,這是因為螺栓等級越高,其排列間距越大,根據圣維南原理可知摩擦力主要存在于螺栓周圍,則摩擦力分布不均導致滑移荷載降低。在實際工程中,對滑移不敏感的結構可以采用增大螺栓等級的方法提高施工效率,但對滑移要求較高的結構則應選擇低等級螺栓來保證抗剪剛度在鋼-混凝土界面上的近似均勻離散。

4 結論

以螺栓連接的鋼-混凝土組合梁為研究對象,采用有限元數值分析方法,在對已有試驗驗證的基礎上對鋼-混凝土組合梁的靜力性能及高強螺栓的力學性能展開研究,得到以下結論。

(1)所建立的數值模型與推出試驗吻合良好,鋼-混凝土連接的破壞模式均為高強螺栓剪斷,高強螺栓受力過程分為4個階段:滑移前的正常使用階段(包括摩擦傳力階段和滑移階段)、承壓階段和破壞階段。

(2)螺栓預拉力、混凝土強度的增大有利于提高螺栓極限承載力和承壓抗剪剛度,其中混凝土強度對承載力的影響較大,螺栓預拉力對承壓抗剪剛度較大。混凝土孔隙對螺栓承載力幾乎無影響,但顯著影響螺栓剛度。在工程中提高混凝土強度不僅提高螺栓的性能,還可保證預緊力的足額施加。

(3)在栓接組合梁中,提高螺栓預緊力可增大鋼-混凝土界面的摩擦力,而更高的混凝土強度可以使組合截面的中性軸上移,這都增強了鋼和混凝土部件的組合作用,進而提高抗彎剛度、降低截面滑移。相反,在保證抗剪連接程度不變的情況下,提高螺栓等級導致界面剛度分布不均,不利于滑移控制。