波紋鋼腹組合梁改進型埋入式剪力鍵疲勞特性分析

摘要 波紋鋼腹板組合系統由于用薄的波紋鋼腹板代替了巨大的混凝土腹板，與等效的混凝土系統相比，重量減輕約15%，此特點有利于其應用于大跨度工程中。文章主要對改進型埋入式剪力鍵的抗疲勞性能及傳力破壞原理進行了分析研究，采用線性累積損傷理論，利用Midas/FEA有限元軟件對某波形鋼腹板PC組合箱梁橋中的改進型埋入式剪力鍵進行了三維實體有限元分析，得出影響剪力鍵性能的影響因素，包括混凝土強度、鋼板開孔直徑、鋼板厚度、角鋼等。

關鍵詞 改進型埋入式剪力鍵；破壞機理；抗疲勞性能

中圖分類號 U448 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0129-03

0 引言

對于預埋剪力連接組合梁，波紋鋼腹板直接預埋在混凝土法蘭中，無需額外的鋼法蘭。腹板的預埋部分連通孔和鋼筋或貫穿鋼筋起到剪切連接的作用。此類型剪切連接件經濟性較好，因其避免了鋼法蘭，與帶頭螺栓相比，焊縫的數量和長度大大減少。Sakurada等人[1]對預埋連接梁（無法蘭）和帶頭螺柱梁（有法蘭）進行了靜力和疲勞試驗，靜力試驗結果表明，嵌入式連接的承載能力與帶頭螺栓的承載能力相同；此外，與帶頭螺柱相比，預埋連接的抗疲勞性能更高。Sayed-Ahmed[2]概述了嵌入式剪切連接件的細節及不同的破壞模式和設計方程。Novak和Rohm[3]開發了一種新型的混凝土銷釘嵌入式剪力連接，在腹板的嵌入式部分切割了淚滴形狀的凹槽，便于安裝；通過推出試驗對有限元模型進行了驗證，采用驗證的有限元模型進行參數化研究，提出了一種評估抗剪能力的表達式。Jager等人[4]和Nemeth等人[5]研究了預埋深度、翼緣深度、波紋腹板傾角、混凝土強度對有無混凝土銷釘預埋剪力連接抗剪性能的影響，研究表明，混凝土銷釘的存在將破壞機制從橫向彎曲（即由于波紋腹板傾斜部分的水平分力使法蘭板在橫向方向上開口）轉變為混凝土破碎。

剪力鍵的疲勞問題在鋼混組合中備受關注，長期以來雖然對其進行了大量的研究，并取得了一定成果，但完全掌握其疲勞特性還有很長的一段路要走。該文以Midas/FEA為有限元軟件進行建模分析，研究改進型埋入式剪力鍵在受力狀態下的傳力破壞原理及抗疲勞性能的影響因素。

1 改進型埋入式剪力鍵的傳力破壞原理

改進型埋入式剪力鍵在疲勞荷載反復作用下的整體傳力示意圖如圖1和圖2所示：

由圖1和圖2可以看出，改進型埋入式剪力鍵的抗疲勞性能由以下幾個部分提供：波形鋼腹板、角鋼、混凝土塊、孔內混凝土榫和貫穿鋼筋。對于混凝土塊，主要承受兩方面的作用力：一是承受波形鋼腹板與橫向鋼筋的剪切作用力；二是由于地面的約束帶來的反力。剪力的傳遞路徑主要有以下三種：（1）混凝土銷與混凝土板的界面；（2）角鋼孔內混凝土與混凝土板的界面；（3）貫穿鋼筋。

鋼材在持續受力過程中需要特別注意其疲勞破壞，在波形鋼腹板中剪力鍵的傳遞剪力較大。此外，它還處于整體持續受力的狀態，因此波形鋼腹板中的角鋼及混凝土塊在受力過程中均處于高應力狀態，并且混凝土塊一般較角鋼先受到破壞。

2 疲勞分析數值模擬

2.1 Midas/FEA疲勞計算原理

疲勞分析普遍使用的方法主要有兩種：應力-壽命法和應變-壽命法，而在Midas/FEA中采用的計算原理是應力-壽命法，疲勞分析使用S-N曲線。

主要分析過程如下：

（1）靜力分析：在疲勞分析之間需要知道控制截面及控制點的應力及其分布特性，所以首先應做靜力分析。

（2）疲勞應力幅：通過靜力分析得出的范.梅塞斯應力，計算疲勞應力幅。

等值應力幅：

σa=σmax?σmin " " " " " " 2 （1）

平均應力幅：

σm=σmax+σmin " nbsp; " " " " 2 （2）

式中：σmax——最大應力（Pa）；σmin——最小應力（Pa）；σa——等值應力幅（Pa）；σm——平均應力幅（Pa）。

（3）疲勞壽命：疲勞壽命值通過有限元軟件進行模擬，主要與材料特性及S-N曲線等屬性相關。Midas/FEA可通過用戶輸入的材料特性自動運行計算，生成一條較完善的S-N曲線，如圖3所示。S1 000表示結構在Su應力幅作用下進行1 000次無間斷循環得出的點，而Se則表示結構處于疲勞狀態下的應力幅，即處于0.5Su狀態下進行1 000 000次循環得出的點。

2.2 材料特性

為使有限元模擬與結構實際受力狀態更加真實精確，對鋼與混凝土之間剪力的傳遞，以及剪力鍵在其中所起的作用進行深入分析，在材料特性的模擬中需進行重點考慮，該文采用德魯克-普拉格模型對混凝土進行模擬，考慮鋼材在受力過程中不會發生塑性變形，用彈性模型模擬其本構模型。

德魯科-普那格（Drucker-Prager）模型在實際工程中有著十分廣泛的應用，該模型是德魯科與普那格這兩名學者將范·梅塞斯模型修正擴展的一種破壞模型，所以又稱作擴展范·梅塞斯標準。該模型以靜水壓力面作為圓錐面主軸的對角線，以圓錐面作為材料的屈服面，可見該模型的屈服面與靜水壓力線相關，可隨之變化，改善了范·梅塞斯模型中的不足，其圓錐屈服面示意圖如圖4所示：

2.3 有限元模型

建立有限元模型如圖5和圖6所示：

3 改進型剪力鍵抗疲勞性能影響因素

3.1 混凝土強度的影響

在剪力鍵抗疲勞性能的影響因素中，最為關鍵的是混凝土強度對其的影響，一是混凝土微粒的重分布速率，二是混凝土疲勞損傷的速率。對于剪力鍵不同部位的混凝土，由于其受力不同，所以孔內混凝土的主要影響因子為混凝土微粒的重分布速率，而孔外混凝土的主要影響因子為混凝土疲勞損傷的速率。由于混凝土強度較高而其應力水平處于較低狀態，而裂紋擴展速率與兩者都有密切關系，因而疲勞裂紋擴展相對較慢，所以其抗疲勞性能也相對較好。但是，選擇強度過高的混凝土，其成本也隨之增高，因此從經濟合理的角度分析，應選擇適當強度的混凝土。

3.2 鋼板開孔直徑的影響

鋼板開孔直徑的選擇需要考慮諸多因素，受到很多因素的限制和影響，一方面開孔直徑越大，在孔內混凝土開始破壞的階段，由于混凝土微粒重分布效應越來越明顯，所以其滯回耗能的能力也隨之增強，因此其抗疲勞性能也越好，但另一方面，開孔直徑過大又會降低開孔鋼板的強度。所以，應合理選擇鋼板的開孔直徑，綜合考慮各方面的影響因素，以期達到最好效果。

3.3 鋼板厚度的影響

由于鋼板內部的混凝土榫處于三向受壓的約束狀態，強度比鋼板外側混凝土大，因此外側混凝土比孔內混凝土更容易發生疲勞損傷。一般來說，在疲勞荷載作用下，剪力鍵的疲勞強度由外側混凝土控制。

當鋼板厚度太薄時，薄鋼板孔內混凝土由于強度不夠，容易被壓碎，混凝土微粒重分布現象明顯，耗能更多，此時剪力鍵的疲勞強度由孔內混凝土控制。根據以上分析可知，只要保證鋼板厚度不至于太薄，剪力鍵的抗疲勞性能均由鋼板外側的混凝土控制，但該部分混凝土又受到貫穿鋼筋的影響，很容易因貫穿鋼筋向下的擠壓而在側向開裂。因此，提高剪力鍵疲勞性能的關鍵在于提高外側混凝土的強度，同時還可以通過配置足夠的箍筋或者將剪力埋置足夠深等措施延緩剪力鍵外側的混凝土開裂。

3.4 角鋼的影響

在疲勞加載試驗中，混凝土、鋼腹板及鋼筋之間主要通過角鋼連接成整體，在其中增加改進型的埋入式剪力鍵可以有效提高鋼結構與混凝土之間的整體性能，減少它們之間的相對移動，且剪力鍵的存在可以大幅降低由于鋼結構與混凝土之間的剪力過大導致混凝土產生剪切破壞。

4 結語

該文主要分析了改進型埋入式剪力鍵的破壞機理，并用Midas/FEA軟件對改進型埋入式剪力鍵進行了疲勞分析，研究了混凝土強度、鋼板厚度、開孔直徑及角鋼對其抗疲勞性能的影響。

參考文獻

[1]M. Sakurada， T. Yoda， K. Ashiduka， T. Ohura， Development and application of embedded connection， in： International RILEM Symposium on Connections Between Steel and Concrete， RILEM Publications SARL， 2001：1260–1269.

[2]E.Y. Sayed-Ahmed， November. Concrete dowels： innovative shear connectors for composite girders with corrugated steel webs， in： Proceedings of the 9th Arab Structural Engineering Conference （9ASEC）， Abu Dhabi， UAE， 2003：73–80.

[3]B. Novak， J. Rohm， Anwendung von Trapezblechstegen im Brückenbau： Langsschubtragverhalten von Betondübeln in Kombination mit Trapezblechstegen， Beton-und Stahlbetonbau， 2009（9）：562–569.

[4]B. Jager， G. Nemeth， N. Kovacs， "B. Kovesdi， ¨ M. Kachichian， Push-out tests on embedded shear connections for hybrid girders with trapezoidal web， in： Proceedings of the 12th International Conference on Advances in Steel-Concrete Composite Structures. ASCCS 2018， Editorial Universitat Polit`ecnica de Val`encia， 2018：581–586.

[5]G. Nemeth， B. Jager， N. Kovacs， "B. Kovesdi， ¨ Investigation of embedded shear connectors for corrugated web girders， J. Hungarian Steel Struct. Assoc. Steel Struct， 2018： 82–92.

[6]周潔.波形鋼腹板PC組合箱梁改進型埋入式剪力鍵的疲勞試驗與研究[D].重慶：重慶交通大學，2015.