集簇式栓釘連接件群釘效應研究

劉成章，洪兆遠，柏 湘，史劍飛

（中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

鋼混組合橋梁的建造目前朝著標準化、工業化、快速化的方向不斷發展，裝配式組合橋梁憑借其優勢得到的廣泛應用[1-2]。裝配式組合橋梁目前主要是通過在鋼梁上面設置集簇式栓釘與混凝土橋面板緊密連接。但是由于集簇式栓釘連接件中栓釘的布置密度較高，各排栓釘之間的群釘效應相當明顯，這導致其與單釘連接件的受力性能存在很大的差異。目前各國規范僅給出了單釘承載力相關計算方法，并未對集簇式栓釘連接件中群釘效應的影響給出對應計算方法，針對于此點，國內外學者對集簇式栓釘連接件的群釘效應開展了一系列研究。

目前，GB50917-2013《鋼-混組合橋梁設計規范》考慮混凝土強度（C30-C60）和群釘間距的影響，提出了普通混凝土中的集簇式栓釘連接件的群釘效應的計算方法[3]。Okada 等通過群釘推出試驗研究發現當栓釘的縱向間距大于13d（d為栓釘的直徑）時，栓釘之間的群釘效應可不予考慮。并且提出了考慮混凝土強度及栓釘間距的栓釘連接件抗剪承載力計算方法[4]。劉沐宇等針對長短型的集簇式剪力釘的布置特點，通過對應的集簇式栓釘連接件的推出試驗，重點研究該類連接件的抗剪承載力的相關性能[5]。其研究表明短栓釘的直徑和抗拉強度對該類連接件的力學性能影響較為顯著。隨后，大量學者對集簇式栓釘連接件的群釘效應開展了一系列研究。

本文以某文獻中的集簇式栓釘連接件為設計依據，采用ABAQUS 建立其有限元模型，與文獻中試件的承載力進行校核，進而對該類連接件的破壞形態、破壞機理進行分析，后對群釘效應的影響參數開展了分析，得到了相關參數的影響規律。

1 試件設計

參考文獻[6]中的集簇式栓釘連接件GS1 的實驗，其試件尺寸如圖1 所示。鋼梁采用Q345，其尺寸為600mm×190mm×20mm；混凝土采用C50，其尺寸為600mm×500mm×350mm。栓釘的規格為?16mm×150mm（直徑×高度）。鋼筋采用熱軋帶肋鋼筋，強度等級為HRB335，豎向鋼筋和箍筋的直徑分別為16mm 和8mm。其余材料的力學性能參數詳細見表1 所示。混凝土的抗壓強度和彈性模量分別為52.5MPa 和34.5GPa，混凝土層的保護層厚度選為60mm，栓釘間距選擇為64mm（4d），橫向間距為180mm，布置為2 列×3 排。

表1 材料參數

圖1 試件尺寸示意圖（mm）

2 有限元模型建立

2.1 模型概述

采用ABAQUS 建立集簇式栓釘連接件的有限元模型，其中混凝土板、栓釘以及工字鋼梁部件采用三維實體單位進行模擬，混凝土板中的鋼筋網采用桁架單元模擬。建模時直接將栓釘與工字鋼板合并為同一部件，僅賦予不同的材料參數。鋼筋直接嵌入到混凝土板內部。鋼梁和混凝土、栓釘與混凝土孔壁之間采用面面接觸關系。其法向均采用硬接觸，切向采用罰函數。由于試件的鋼混界面進行了涂油處理，因此鋼混界面摩擦系數取成0，而栓釘和混凝土孔壁之間的摩擦系數取0.4。

由于試件關于雙平面對稱，為節省計算成本的考慮，此處僅建立1/4 模型進行有限元分析。分別在XOY平面和YOZ平面設置對稱邊界條件。在混凝土板的底部設置固結約束，在鋼梁頂面形心處設置參考點，將參考點與鋼梁平面耦合，在參考點施加位移荷載進行加載。全局的整體有限元網格模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

2.2 材料本構

栓釘、鋼梁與鋼筋均采用雙折線本構模型，混凝土采用損傷塑性本構模型。根據損傷塑性本構要求，混凝土的單軸拉伸與單軸壓縮的本構應力應變曲線按照規范GB50010-2010《混凝土結構設計規范》中選取。

2.3 模型驗證

試件的破壞形態為栓釘被剪斷，栓釘周圍的混凝土出現壓潰現象，破壞示意圖見圖3 所示。從圖中可以明顯看出，栓釘周圍的混凝土應力已經超限（混凝土被壓潰），栓釘根部出現破壞（栓釘被剪斷）。試件的破壞形態與文獻[6]的推出試驗的破壞形態相一致。本文模擬的集簇式栓釘連接件的抗剪極限承載力為1 432kN，文獻[6]的實測結果為1 451.6kN。兩者的抗剪極限承載力相差僅1.3%，這說明本文的數值模型可以反映集簇式栓釘連接件的破壞過程和極限承載力。

圖3 破壞模式

3 群釘效應機理分析

當開始加載時，栓釘周圍的混凝土受到的壓應力較小，其混凝土板的橫向變形也比較小；但隨著頂部荷載的進一步增大，栓釘底部的混凝土承受的壓應力逐漸增大，混凝土內部開始出現裂縫。但栓釘周圍的局部混凝土會提高約束作用，該區域的受壓混凝土的強度和延性得到提高。在栓釘的彈性受力階段，可以將其視為彈性地基梁結構，如圖4 所示。

圖4 單個栓釘受力示意圖

當在鋼梁上部承載豎向荷載F時，此時，栓釘根部A 端會隨著鋼板的下移產生比較大的豎向位移，而遠離鋼板端的B 端（栓釘頭部）會阻礙A端的下移。隨著荷載的不斷加大，栓釘根部A 端下側的混凝土最先進入到塑性狀態，該區域的混凝土提供的反力不再增加。但是附件區域的混凝土仍然可以承載一定的荷載，隨著豎向荷載F的進一步增加，混凝土的塑性區域很快地會從栓釘根部區域A 端向栓釘頭部區域B 端擴展，直至栓釘被剪斷或者混凝土整體不能承載壓力時，栓釘連接件的承載力達到極限狀態。

群釘連接件與單個栓釘的主要區別在于單個栓釘試件周圍的混凝土區域較大，混凝土所能提供的反力較大，而集簇式栓釘連接件由于栓釘排列比較緊密，導致混凝土提供的反力較小，因此，和單釘試件相比較，在破壞過程中出現極限滑移較大和承載力下降的現象。

4 群釘效應參數研究

在集簇式栓釘連接件中，群釘效應的存在會導致連接件的抗剪承載力有所降低。目前一般認為影響群釘效應的參數主要有栓釘間距離、混凝土板的強度等。因此，針對群釘效應的影響參數開展有限元分析，分析其對集簇式栓釘連接件抗剪承載力的影響。

4.1 間距影響

以文中的試件為基準模型（栓釘的排數選取為3 排，混凝土強度等級為C50），分別調整栓釘的間距為4～11d，所有試件的單釘平均承載力如圖5 所示。

圖5 間距影響

從圖5 中看出，當栓釘間距由4d 增加至11d的過程中，試件的單釘平均承載力在不斷增加，從最開始的119.3kN 增加至137.2kN，單釘的平均承載力增加了15.1%。承載力的增量與栓釘間距呈現出線性增長趨勢。但試件的極限滑移量變化不大，由4d 增加至11d 時，極限滑移量變化僅3%。這說明栓釘間距對平均承載力的影響比較明顯，對極限滑移量的影響較小。并且滑移量也滿足歐洲規范中關于連接件的延性要求（極限滑移量大于6mm）。

對于集簇式栓釘連接件，當混凝土強度和尺寸確定之后，間距對其的影響主要是兩排栓釘之間的混凝土對栓釘的約束作用，當間距過小時，栓釘上部的混凝土會處于該栓釘對其的拉應力和前排栓釘對其的壓應力相互作用過程中。兩者之間的拉壓應力相互重疊，削弱了混凝土對栓釘的約束作用，引起栓釘的抗剪承載力的下降。但當間距達到一定間距之后，當栓釘周圍混凝土不再處于應力重疊狀態下，此時群釘效應便不再存在，一般規范規定在普通混凝土中，當栓釘間距達到13d 時，集簇式栓釘連接件的承載力計算時不再考慮群釘效應的影響。

4.2 混凝土強度影響

為研究混凝土強度對集簇式栓釘連接件群釘效應的影響。以文中的試件為基準模型（栓釘的間距選擇為4d，排數選擇為3 排），混凝土強度分別為C50、C60、C70、C80、C120。對應工況下的試件極限承載力和極限滑移量見圖6 所示。

圖6 混凝土強度影響

從圖6 中可以看出，單釘的平均極限承載力隨混凝土強度的增加而逐漸增加。當強度由C50增加至C120 過程中，單釘平均極限承載力由119.3kN 增加143.8kN，平均極限承載力增加了20.5%。并且當混凝土為UHPC（120MPa），單釘承載力超過材料極限承載力（抗拉強度與截面面積之積）。這表明UHPC 材料對栓釘的抗剪承載力存在一定的增強作用，在進行UHPC 中的集簇式栓釘連接件抗剪承載力計算過程中，應考慮UHPC 的增強作用。極限滑移量隨混凝土強度的增加呈現出逐漸減小的趨勢，當強度由C50 增加至C120 過程中，極限滑移量由6.7mm 降至5.76mm，極限滑移量降低了14%。并且當混凝土材料為UHPC 時，極限滑移量不滿足6mm 的要求，主要是由于UHPC 材料具有較高強度，導致栓釘難以發生變形。總體而言，集簇式栓釘連接件的群釘效應隨混凝土強度的增加而逐漸減小。

5 結論

本文針對集簇式栓釘連接件的群釘效應開展了機理分析和影響參數分析，主要有以下結論。

1）集簇式栓釘連接件的群釘效應存在的主要原因是兩排栓釘之間的混凝土板存在應力重疊現象，導致該區域混凝土出現裂縫，進而造成了栓釘的承載力出現下降。

2）栓釘的間距對群釘效應的影響最為明顯，當栓釘間距不斷增大的過程中，試件的單釘平均承載力不斷增加，但滑移量變化不是很大，這表明群釘效應隨栓釘間距增加而不斷減小，當間距達到一定值時，群釘效應消失。

3）混凝土強度對群釘效應的影響最低，隨著混凝土強度的增加，群釘效應逐漸減弱，單釘的平均承載力逐漸增加，極限滑移量逐漸降低。此外，在UHPC 材料中，UHPC 會對栓釘的抗剪承載力起到一定的增強作用，在計算抗剪承載力應該考慮。