嵌入式雙排孔抗剪連接件極限承載力

程　宸　 江越勝　 蔡建中　 萬(wàn)　水

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)(2湖州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 湖州 313000)(3南昌市政公用投資控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 南昌 330009)

嵌入式雙排孔抗剪連接件極限承載力

程宸1江越勝2蔡建中3萬(wàn)水1

(1東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京 210096)(2湖州市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 湖州 313000)(3南昌市政公用投資控股(集團(tuán))有限責(zé)任公司, 南昌 330009)

摘要:為了得到嵌入式雙排孔抗剪連接件極限承載力的計(jì)算公式,設(shè)計(jì)了3類嵌入式單、雙排孔抗剪連接件推出試件. 研究了不同開孔位置和結(jié)合鋼筋對(duì)嵌入式抗剪連接件極限承載力的影響;利用有限元法,分析了鋼板厚度、混凝土尺寸、混凝土強(qiáng)度、貫穿鋼筋直徑、開孔直徑、開孔間距、孔的豎向位置等因素對(duì)嵌入式雙排孔抗剪連接件極限承載力的影響. 結(jié)果表明:相比于雙排孔設(shè)置于波折板折板位置的嵌入式雙排孔抗剪連接件,雙排孔設(shè)置于波折板直板位置的嵌入式雙排孔抗剪連接件的極限承載力更大;雙排孔抗剪連接件中雙排混凝土銷的抗剪極限承載力為單排孔抗剪連接件混凝土銷極限抗剪承載力的1.3倍.

關(guān)鍵詞:嵌入式抗剪連接件;雙排孔;荷載-滑移曲線;極限承載力;有限元分析

嵌入式抗剪連接件[1-2]通常于波折板位置處進(jìn)行單排開孔;嵌入式雙排孔抗剪連接件則于波折板位置處進(jìn)行雙排開孔,從而提高了抗剪連接件的極限承載力. 文獻(xiàn)[1]給出了嵌入式單排孔抗剪連接件的設(shè)計(jì)荷載與極限荷載計(jì)算公式.文獻(xiàn)[2-6]表明,開孔鋼板連接件的力學(xué)性能受到混凝土強(qiáng)度、鋼板開孔直徑、貫穿鋼筋面積、開孔鋼板厚度、開孔鋼板波長(zhǎng)、開孔數(shù)目等因素的影響. 然而,目前關(guān)于嵌入式雙排孔抗剪連接件極限承載力計(jì)算公式的研究則較少.

本文設(shè)計(jì)了嵌入式單、雙排孔抗剪連接件推出試件,研究了不同波折板開孔位置對(duì)抗剪連接件極限承載力的影響. 通過(guò)ABAQUS有限元軟件,建立了有限元模型. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元模型數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證有限元模型的可靠性. 繼而利用有限元模型研究波折板厚度、混凝土尺寸等因素對(duì)雙排混凝土銷極限承載力與單排混凝土銷極限承載力比值的影響,提出了嵌入式雙排孔抗剪連接件極限承載力的計(jì)算公式.

1試驗(yàn)

1.1試件設(shè)計(jì)

嵌入式雙排孔抗剪連接件的構(gòu)造形式如圖1(a)所示。根據(jù)其構(gòu)造形式,共設(shè)計(jì)了3類13組試件,每組包含3個(gè)完全相同的試件,共計(jì)39個(gè)推出試件,研究波折板不同位置開孔、有無(wú)接合鋼筋對(duì)嵌入式單、雙排孔抗剪連接件極限承載力的影響. Ⅰ類試件為嵌入式單排孔抗剪連接件;Ⅱ類試件為嵌入式雙排孔抗剪連接件,雙排孔在波折板上橫向并列布置;Ⅲ類試件為雙排孔嵌入式抗剪連接件,雙排孔在波折板上橫向錯(cuò)開布置. 澆筑的混凝土強(qiáng)度為C50,波形鋼腹板,加載用工字鋼及貫穿鋼筋采用Q345q鋼筋,貫穿鋼筋直徑為20 mm,構(gòu)造鋼筋直徑為8 mm,接合鋼筋直徑為12 mm,構(gòu)造鋼筋與接合鋼筋采用Q235鋼材.圖2(a)和(b)給出了3類試件的立面圖.圖2(c)給出了試件開孔位置示意圖,詳細(xì)參數(shù)見表1.

試件的詳細(xì)構(gòu)造如圖2所示.

圖1　連接件結(jié)構(gòu)圖

(a) Ⅰ類試件立面圖

(b) Ⅱ,Ⅲ類試件立面圖

(c) 開孔位置示意圖

mm

注：開孔圓心位置以混凝土內(nèi)邊緣為基準(zhǔn).Su，Sm,Sd分別為在上折板、直板、下折板位置開孔時(shí)的圓心橫向距離.

1.2試驗(yàn)加載與測(cè)量

本試驗(yàn)在東南大學(xué)土木交通試驗(yàn)中心完成,采用500 t電液伺服壓剪試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載,加載設(shè)備如圖1(b)所示. 在波折板與混凝土之間單側(cè)布置3個(gè)位移計(jì),分別布置在波折板的上頂端、中部和下底部位置. 試驗(yàn)中需要測(cè)量的數(shù)據(jù)包括試件的承載力和混凝土與波折板之間的相對(duì)滑移.

2有限元模型

2.1材料本構(gòu)關(guān)系模型

采用有限元分析軟件ABAQUS建立有限元模型. 在本模型中,混凝土的單向受拉、受壓本構(gòu)關(guān)系模型[7]選用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]中的計(jì)算公式.

鋼板采用三折線的彈塑性(強(qiáng)化)本構(gòu)模型[7,9],強(qiáng)度準(zhǔn)則基于經(jīng)典的von Mises屈服準(zhǔn)則. 鋼筋采用理想彈塑性模型[7,9].

2.2單元類型的選取與網(wǎng)格劃分

混凝土與貫穿鋼筋采用8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性減縮積分單元(C3D8R);結(jié)合鋼筋與構(gòu)造鋼筋采用線性梁?jiǎn)卧狟31. 建立1/2結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行分析,模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示.

圖3　模型的網(wǎng)格劃分

2.3界面模擬

混凝土與波折板交界面的接觸由法線方向的硬接觸和切線方向的罰函數(shù)構(gòu)成. 貫穿鋼筋與混凝土交界面的相互作用采用共節(jié)點(diǎn)的方式,忽略貫穿鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑移. 結(jié)合鋼筋與波折板之間的相互作用采用共節(jié)點(diǎn)的方式.將構(gòu)造鋼筋與結(jié)合鋼筋嵌入混凝土中,忽略鋼筋與混凝土之間的滑移.

2.4邊界條件與加載方式

于模型的工字鋼對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件.在混凝土底面施加X,Y,Z方向約束. 如圖2(b)所示,在工字鋼頂面采用位移方式加載.

3結(jié)果分析與討論

3.1試驗(yàn)破壞過(guò)程分析

在本試驗(yàn)中,將布置于波折板頂端位移計(jì)所測(cè)數(shù)據(jù)作為試件的滑移值s.每個(gè)試件包括2個(gè)連接件,故將單個(gè)試件承載力的1/2作為單個(gè)連接件的極限承載力P. 如圖4所示,以BZ1組試件加載過(guò)程中1個(gè)試件得到的單個(gè)連接件荷載-滑移(P-s)曲線為例,對(duì)其加載全過(guò)程進(jìn)行分析. 試驗(yàn)過(guò)程中,試件的P-s曲線可分為如下3個(gè)階段:

1) 線性階段(OA段).當(dāng)荷載施加至一定值時(shí),試件開始出現(xiàn)滑移. 在此階段中,試件外部的混凝土沒(méi)有出現(xiàn)裂紋,P-s曲線近似為一條直線.

2) 塑性發(fā)展階段(AB段).當(dāng)施加的荷載大于點(diǎn)A處荷載時(shí),混凝土側(cè)面受到波折板的擠壓作用,出現(xiàn)裂紋(見圖5(a)). 當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的80%時(shí),混凝土側(cè)面的裂縫寬度增加,裂紋向上、向下發(fā)展,側(cè)面裂縫發(fā)展成與波折板形狀近似的S形裂紋;此時(shí)由于波折板之間的混凝土齒鍵受壓,混凝土前端面出現(xiàn)橫向裂縫(見圖5(b)).當(dāng)施加的荷載達(dá)到極限荷載時(shí),混凝土發(fā)生斜向劈裂(見圖5(c)),此時(shí)貫穿鋼筋與波折板沒(méi)有發(fā)生屈服.

3) 下降段(BC段).混凝土裂縫的寬度增加,試件的抗剪承載力降低.

圖4　BZ1組試件的典型P-s曲線

圖5　試件破壞過(guò)程照片

試驗(yàn)完成后,鑿開試件觀察,孔中混凝土發(fā)生壓縮破壞,貫穿鋼筋沒(méi)有發(fā)生破壞.

3.2試驗(yàn)結(jié)果

每組試驗(yàn)設(shè)計(jì)3個(gè)完全相同試件. S1組試件重復(fù)3次試驗(yàn)，BZ1組試件和CU1組試件重復(fù)2次試驗(yàn)，所得的P-s曲線見圖6. 單個(gè)連接件的荷載、滑移數(shù)據(jù)見表2.

圖6　連接件的P-s曲線比較

注：P1為單個(gè)推出件的平均開裂荷載;s1為平均開裂荷載對(duì)應(yīng)的平均滑移;P2為單個(gè)推出件的平均極限荷載;s2為平均極限荷載對(duì)應(yīng)的平均滑移.

由表2可知,波折板開孔位置、開孔數(shù)量、接合鋼筋的設(shè)置等構(gòu)造因素對(duì)試件的極限承載力影響較大. BZ2組試件的極限承載力比BZ22組試件大,表明設(shè)置接合鋼筋可提高混凝土齒鍵的極限承載力,進(jìn)一步增強(qiáng)了試件整體的極限承載力. BZ1,BZ2組試件的極限承載力比BU1,BU2和BD1組試件大,表明對(duì)于嵌入式雙排孔抗剪連接件,雙排孔設(shè)置于波折板直板位置時(shí)的極限承載力比雙排孔設(shè)置于折板位置時(shí)的極限承載力大. BZ2組試件比BZ1組試件的極限承載力大,表明對(duì)于嵌入式雙排孔抗剪連接件,雙排孔布置于波折板的直板位置,隨第2排孔(第1排孔定義為距工字鋼較近的孔)圓心橫向距離的增大,連接件的極限承載力也增大;BU2組試件比BU1組試件的極限承載力大,CU3組試件比CU1組試件的極限承載力大,表明對(duì)于嵌入式雙排孔抗剪連接件,第1排孔布置在直板或上折板位置,第2排孔布置在波折板的上折板位置,隨第2排孔圓心橫向距離的增大,連接件的極限承載力也增大.

4極限承載力參數(shù)分析

4.1有限元模型驗(yàn)證

利用第2節(jié)中建立的有限元模型,P-s曲線的有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果見圖6. 將每組試件中單個(gè)連接件的極限承載力有限元值和試驗(yàn)值分別記為QFEA和Qtest.QFEA與Qtest的對(duì)比見表3.

表3　單個(gè)連接件的極限承載力對(duì)比

由圖6可知,P-s曲線的有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果整體上比較符合. 當(dāng)P-s曲線進(jìn)入塑性發(fā)展階段時(shí),P-s曲線的有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差,主要是因?yàn)橛邢拊Ｐ椭袥](méi)有考慮混凝土裂縫及裂縫的發(fā)展.

由表3中數(shù)據(jù)可以看出,除BD1組試件外,單個(gè)連接件極限承載力有限元值和試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi). 由此可知,利用本文建立的非線性有限元模型可精確計(jì)算出嵌入式單、雙排孔抗剪連接件的極限承載力.

4.2參數(shù)分析

文獻(xiàn)[1]指出,嵌入式抗剪連接件抗剪承載力主要由斜折板間的抗剪齒鍵和混凝土抗剪銷承擔(dān).

抗剪齒鍵的極限承載力為

(1)

式中,σck為混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度;A1為斜折板的投影面積;μ為與穿孔鋼筋角度有關(guān)的系數(shù),一般取μ=1.0;σsy為鋼筋(或綴板)的屈服應(yīng)力;A2為約束鋼筋(或綴板)的斷面面積.

混凝土抗剪銷的極限承載力為

(2)

(3)

將Qeu+2Qpu1近似作為嵌入式雙排孔抗剪連接件的極限承載力Q1. 從表3可以看出,Q1較QFEA偏大. 因此,應(yīng)研究嵌入式雙排孔抗剪連接件雙排混凝土銷的極限承載力與單排孔混凝土銷極限承載力的比值.

文獻(xiàn)[2-6]指出,抗剪連接件受剪承載力的主要影響因素包括推出試件鋼板厚度、混凝土強(qiáng)度、混凝土尺寸、貫穿鋼筋直徑、開孔直徑、開孔豎向間距和開孔豎向位置.

在對(duì)比分析中,將BZ1組試件的模型BZE1作為嵌入式雙排孔抗剪連接件的基準(zhǔn)模型,在此基礎(chǔ)上,建立嵌入式單排孔抗剪連接件的基準(zhǔn)模型SE3.SE3模型中,在波折板直板位置開孔,圓心距混凝土邊緣的距離為120 mm.

以有限元模型SE3,BZE1為基本模型,改變嵌入式單、雙排孔抗剪連接件的構(gòu)造參數(shù),分析結(jié)構(gòu)變化對(duì)單、雙排孔抗剪連接件混凝土銷極限承載力的影響,結(jié)果見表4.表中，Qs,Qd分別為嵌入式單、雙排孔抗剪連接件的極限承載力;ΔQ=Qd-Qs為單個(gè)雙排孔抗剪連接件混凝土銷相對(duì)單排孔抗剪連接件混凝土銷增加的極限承載力;Qs1為單個(gè)嵌入式單排孔抗剪連接件混凝土銷極限承載力,由式(2)計(jì)算得到,即Qs1=Qpu1;l,b分別為單個(gè)連接件混凝土的長(zhǎng)度和厚度.

從表4可以看出,鋼板厚度是影響ΔQ/Qs1的主要因素,鋼板厚度的增加可以明顯增大ΔQ/Qs1的數(shù)值;混凝土尺寸和混凝土強(qiáng)度對(duì)于ΔQ/Qs1的影響較小,隨著混凝土尺寸的增大和混凝土強(qiáng)度的提高,ΔQ/Qs1增大到最大值后逐漸減小;隨著貫穿鋼筋直徑和開孔間距的增大,ΔQ/Qs1減小到一定程度后逐漸增大. 開孔間距對(duì)于ΔQ/Qs1的影響較小,且在直板開孔時(shí)ΔQ/Qs1數(shù)值比在折板開孔時(shí)小.

表4　嵌入式單、雙排孔抗剪連接件極限承載力對(duì)比

4.3極限承載力計(jì)算公式

由4.2節(jié)可知,鋼板厚度是影響ΔQ/Qs1的主要因素.在表4中,不考慮鋼板厚度、混凝土強(qiáng)度因素影響的條件下,ΔQ/Qs1的最小值為25.21%.

在實(shí)際工程應(yīng)用中,波折板厚度大于10 mm,混凝土強(qiáng)度等于或高于C50、低于C65,且開孔橫向間距大于70 mm,嵌入式抗剪連接件的開孔直徑為50 mm,貫穿鋼筋直徑取20～30 cm. 由此可知,嵌入式雙排孔抗剪連接件混凝土銷的極限承載力偏保守，取為單排孔抗剪連接件混凝土銷極限承載力的1.3倍.

對(duì)于嵌入式雙排孔抗剪連接件,混凝土抗剪銷的極限承載力為

(4)

嵌入式雙排孔抗剪連接件抗剪齒鍵極限承載力按式(1)計(jì)算.

5結(jié)論

1) 對(duì)于嵌入式雙排孔抗剪連接件,雙排孔布置于波折板的直板位置,隨第2排孔(第1排孔定義為距工字鋼較近的孔)圓心橫向距離的增大,連接件的極限承載力也增大;第1排孔布置在直板或上折板位置,第2排孔布置在波折板的上折板位置,隨第2排孔圓心橫向距離的增大,連接件的極限承載力也增大.

2) 當(dāng)波折板厚度大于10 mm，混凝土強(qiáng)度等于或高于C50、低于C65,且開孔橫向間距大于70 mm時(shí),嵌入式雙排孔抗剪連接件混凝土銷的極限承載力為嵌入式單排孔抗剪連接件混凝土銷的1.3倍.

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Ultimate capacity of embedded shear connector with double row holes

Cheng Chen1Jiang Yuesheng2Cai Jianzhong3Wan Shui1

(1School of Transportations, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Huzhou Traffic and Plan Design Institute, Huzhou 313000, China)(3Nanchang Municipal Public Group, Nanchang 330009, China)

Abstract:To obtain the formula for the ultimate capacity of the embedded shear connectors with double row holes, three kinds of specimen of the embedded shear connectors with single or double row holes were designed. The effects of different hole locations in the folded plate and combined reinforcement on the ultimate capacity of the embedded shear connectors were studied. By using the finite element method, the influences of the plate thickness, the size of concrete, the strength of concrete, the diameter of the penetrated reinforcement, the diameter of the hole, the distance of the hole, and the vertical position of the hole on the ultimate capacity of the embedded shear connectors with double row holes were researched. The results show that the ultimate capacity of the embedded shear connector with double row hole set in the position of the flat plate of the corrugated plate is larger than that with double row hole set in the position of the folded plate of the corrugated plate. The ultimate capacity of the double rows concrete pin of the embedded shear connector with double row holes is 1.3 times of that of the concrete pin of the embedded shear connector with single row hole.

Key words:embedded shear connector; double row hole; load-slip curve; ultimate capacity; finite element analysis

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.018

收稿日期:2015-08-23.

作者簡(jiǎn)介:程宸(1983—)，男，博士生；萬(wàn)水(聯(lián)系人)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，lanyu421@163.com.

基金項(xiàng)目:浙江省交通廳科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013H23).

中圖分類號(hào):U448.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-0505(2016)02-0341-06

引用本文: 程宸,江越勝,蔡建中,等.嵌入式雙排孔抗剪連接件極限承載力[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(2):341-346. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.018.