施工誤差對剪力釘工作性能的影響

封博文，劉永健，彭元誠，孫立鵬，劉 江，張 凱

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,陜西 西安 710064；2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院,湖北 武漢 430056；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100088)

0引 言

鋼-混凝土組合梁具有優(yōu)異的力學(xué)性能和施工性能，因而被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，如已建成的上海南浦大橋、青州閩江大橋及青海海黃大橋等。剪力釘為鋼和混凝土的連接構(gòu)件，具有傳遞界面剪力、限制界面滑移、防止混凝土掀起、保證鋼和混凝土共同受力、協(xié)調(diào)變形的作用，其工作狀態(tài)直接影響結(jié)構(gòu)的工作性能。組合梁中剪力釘連接件的布置通常比較密集，在施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)剪力釘附近混凝土澆筑不密實(shí)、剪力釘距鋼板或混凝土邊緣距離不滿足規(guī)范要求以及剪力釘傾斜等施工問題。這些施工問題將改變剪力釘?shù)暮侠砉ぷ鳡顟B(tài)，進(jìn)而影響組合梁工作性能的充分發(fā)揮。

在國外，Ollgaard等[1]根據(jù)剪力釘推出試驗(yàn)研究，提出采用指數(shù)型模型來描述剪力釘連接件推出試驗(yàn)的荷載-滑移曲線；Lam等[2]采用有限元法模擬剪力釘推出試驗(yàn)，并與既有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和規(guī)范數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，證實(shí)了有限元法的可靠性；Shim等[3]針對大直徑剪力釘進(jìn)行推出試驗(yàn)研究，結(jié)果表明剪力釘抗剪剛度及抗剪承載力隨直徑增大而增大，歐洲規(guī)范[4]中建議的剪力釘抗剪承載力計(jì)算公式不適用于大直徑剪力釘，并提出了大直徑剪力釘抗剪承載力計(jì)算公式；An等[5]針對普通混凝土和高強(qiáng)混凝土進(jìn)行了剪力釘推出試驗(yàn)研究，結(jié)果表明混凝土的強(qiáng)度等級對剪力釘?shù)目辜舫休d力影響較大。

在中國，聶建國等[6]對剪力釘連接件在鋼-高強(qiáng)混凝土組合梁中的性能進(jìn)行了研究，提出了高強(qiáng)混凝土中連接件承載力的修正公式；薛偉辰等[7]采用推出試驗(yàn)研究了混凝土強(qiáng)度等級、栓釘直徑以及鋼梁類型等參數(shù)對剪力釘工作性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了剪力釘抗剪承載力計(jì)算公式；賈艷東等[8]對鋼-鋼纖維混凝土組合梁的剪力釘連接件進(jìn)行了推出試驗(yàn)研究，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果給出了荷載-滑移曲線的擬合公式；丁發(fā)興等[9]總結(jié)已有的推出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合有限元法研究了剪力釘直徑、屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度和橫向配筋率對剪力釘荷載-滑移性能的影響，并提出了考慮剪力釘直徑、屈服強(qiáng)度和混凝土強(qiáng)度影響的抗剪承載力計(jì)算公式和荷載-滑移關(guān)系計(jì)算方法；陳玲珠等[10-11]分別采用有限元法和剪力釘推出試驗(yàn)研究了剪力釘在高溫下的工作性能，并提出了高溫下剪力釘抗剪承載力的計(jì)算公式；榮學(xué)亮等[12]通過標(biāo)準(zhǔn)試件的推出試驗(yàn)，研究了剪力釘連接件銹蝕后抗剪承載力、變形能力和疲勞壽命的變化規(guī)律。

目前，國內(nèi)外針對剪力釘受力機(jī)理和工作性能的研究已相當(dāng)豐富，但針對施工誤差對剪力釘工作性能影響的研究還相對較少。本文首先采用剪力釘推出試驗(yàn)和有限元仿真分析相結(jié)合的研究方法，驗(yàn)證了采用有限元軟件ABAQUS模擬剪力釘推出試驗(yàn)時(shí)建模參數(shù)選取的合理性與可靠性。以有限元分析為基礎(chǔ)，研究了施工誤差對剪力釘連接件工作性能的影響，為組合梁的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1靜載推出試驗(yàn)

1.1試件設(shè)計(jì)

剪力釘推出試驗(yàn)采用1組共3個(gè)推出試件來研究剪力釘?shù)目辜舫休d力及其變形能力。試件構(gòu)造見圖1，每個(gè)試件有4個(gè)剪力釘，其規(guī)格為φ22×200，材質(zhì)選用ML15，機(jī)械性能和焊接性能滿足《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》(GB/T 10433—2002)的要求。鋼板材料為Q345D，混凝土標(biāo)號為C50。為排除推出試驗(yàn)時(shí)混凝土與鋼界面黏結(jié)作用對剪力釘抗剪能力的干擾，在試件鋼結(jié)構(gòu)翼緣表面涂抹潤滑油，防止鋼翼緣與混凝土黏結(jié)。

1.2加載方案及測點(diǎn)布置

采用20 000 kN FCS佛力加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，對工字鋼翼緣施加推力。試件底部設(shè)置細(xì)砂墊層，保證混凝土底部的受力均勻。測點(diǎn)布置見圖2，位移計(jì)布置在左右混凝土塊的2個(gè)側(cè)面上，共4個(gè)，精度要求為1/1 000 mm。

1.3試驗(yàn)結(jié)果及分析

1.3.1破壞形態(tài)

本次試驗(yàn)剪力釘連接件的破壞形態(tài)如圖3所示，試件均為剪力釘根部剪斷破壞。大部分剪力釘斷裂面光滑，且可以看到明顯的剪切變形。剪力釘根部沿受力方向有小部分混凝土被壓碎，混凝土塊表面無裂縫。產(chǎn)生這種破壞形態(tài)的主要原因是混凝土強(qiáng)度較高且剪力釘直徑較小。

1.3.2極限承載力分析

本次推出試驗(yàn)各試件破壞的極限荷載及對應(yīng)鋼混界面的最大相對滑移值見表1。由表1可知，3個(gè)試件的極限荷載偏差范圍為4%～9%，根據(jù)文獻(xiàn)[13]，剪力釘?shù)臉O限承載力取3個(gè)試件的最小值686.6 kN，換算成單釘抗剪承載力為171.7 kN。表2列出了由各規(guī)范推薦公式計(jì)算所得的φ22×200剪力釘?shù)目辜舫休d力。由表2可知，ASSHTO規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值最接近，僅有2.7%的相對誤差。其他各規(guī)范計(jì)算的抗剪承載力均比本次推出試驗(yàn)所得抗剪承載力小。

1.3.3荷載-滑移曲線分析

本次試驗(yàn)得到的3個(gè)試件的荷載-滑移曲線見圖4。由圖4可知，受荷初始階段，荷載與相對滑移量為線性關(guān)系，剪力釘?shù)目辜魟偠却?，線性階段最大滑移量約為0.5 mm。當(dāng)單釘所受荷載達(dá)到其抗剪承載力的60%左右時(shí)，剪力釘受力狀態(tài)開始進(jìn)入塑性階段，荷載與滑移量呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，抗剪剛度逐漸減小。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的70%～80%，滑移量達(dá)到2 mm時(shí)，滑移量迅速增長，而荷載無明顯增加，直至達(dá)到極限荷載。試件破壞表現(xiàn)出明顯的延性破壞特征。

表1試件極限荷載及最大相對滑移Tab.1Ultimate Loads and Maximum Relative Slips of Specimens

2有限元模擬

2.1有限元模擬方法

本文采用大型通用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行建模。所有試件均采用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行模擬，根據(jù)對稱性取1/2試件進(jìn)行建模計(jì)算。網(wǎng)格劃分采用掃掠技術(shù)及中性軸算法，單元均為六面體。為使計(jì)算結(jié)果更精確，增加了剪力釘?shù)木W(wǎng)格密度。有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖5。

表2抗剪承載力的規(guī)范計(jì)算值與試驗(yàn)值對比Tab.2Contrast of Shear Capacity Between Standard Calculation Values and Test Values

混凝土的本構(gòu)模型采用損傷塑性模型，損傷因子根據(jù)文獻(xiàn)[17]提出的方法計(jì)算。采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[18]中混凝土單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線，混凝土強(qiáng)度等級為C50。剪力釘及鋼板的本構(gòu)模型采用如圖6所示的理想彈塑性模型，其中，屈服強(qiáng)度fy取345 MPa，εy為屈服應(yīng)變，Es為鋼材彈性模量。

由于對試驗(yàn)試件組合界面進(jìn)行了涂油處理，無界面切向摩擦，因此，有限元建模時(shí)忽略了鋼板與混凝土交界面的切向摩擦。采用位移加載模擬實(shí)際加載過程。

2.2與推出試驗(yàn)結(jié)果對比分析

有限元模擬計(jì)算所得的荷載-滑移曲線與推出試驗(yàn)所得的荷載-滑移曲線對比見圖7。由圖7可知，有限元計(jì)算所得的荷載-滑移曲線變化規(guī)律與推出試驗(yàn)基本吻合。二者所得出的剪力釘在彈性階段的抗剪剛度基本一致。有限元模擬計(jì)算所得剪力釘抗剪承載力為170.0 kN，比推出試驗(yàn)結(jié)果僅小1%。

有限元模擬與剪力釘推出試驗(yàn)所得的彈性極限荷載、破壞荷載、荷載-滑移曲線發(fā)展規(guī)律均較為接近。因此，可采用第2.1節(jié)所述的方法建立有限元模型，從而對剪力釘力學(xué)性能開展研究。

3施工誤差的影響

3.1混凝土澆筑不密實(shí)

組合梁的鋼與混凝土連接部位構(gòu)造比較復(fù)雜，剪力釘布置多而密，且受普通鋼筋對空間的影響，剪力釘附近的混凝土澆筑質(zhì)量難以保證，經(jīng)常會出現(xiàn)混凝土澆筑不密實(shí)的情況，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，從而影響剪力釘?shù)墓ぷ餍阅堋?/p>

通過ABAQUS有限元軟件模擬考慮剪力釘附近混凝土澆筑不密實(shí)對剪力釘受力性能的影響分3種情況考慮：①剪力釘根部混凝土不密實(shí)；②剪力釘周圍混凝土均不密實(shí)；③剪力釘一側(cè)混凝土不密實(shí)。計(jì)算取最不利情況，即認(rèn)為澆筑不密實(shí)部分混凝土強(qiáng)度為0，模擬時(shí)鈍化對應(yīng)位置混凝土單元，圖8為對應(yīng)的有限元模型。

圖9為有限元計(jì)算所得的試件破壞形態(tài)。對于情況①，②，試件破壞的標(biāo)志均為剪力釘根部屈服，鋼板與混凝土相對滑移過大導(dǎo)致試件喪失承載力。試件發(fā)生此種破壞的主要原因是剪力釘周圍缺少混凝土的約束作用，在彎剪共同作用下剪力釘根部很快屈服，產(chǎn)生較大的塑性變形，導(dǎo)致鋼板與混凝土發(fā)生過大的相對滑移。對于情況③，沿圖8剪切方向1號剪力釘后側(cè)有效混凝土厚度較少，這部分混凝土受剪力釘擠壓破壞失效。隨后由2號剪力釘繼續(xù)承載，最終受剪屈服破壞。

圖10為考慮局部混凝土不密實(shí)的有限元計(jì)算結(jié)果與正常單個(gè)剪力釘推出試驗(yàn)的有限元計(jì)算結(jié)果對比。由圖10可知，剪力釘附近混凝土澆筑不密實(shí)使剪力釘單釘抗剪承載力降低60%～70%。

3.2剪力釘布置邊距不足

中國各規(guī)范對剪力釘距鋼梁翼緣及混凝土邊緣的最小距離都提出了要求，具體規(guī)定見表3。實(shí)際工程中經(jīng)常會出現(xiàn)剪力釘布置邊距不滿足規(guī)范要求的情況，本文考慮以下3種情況進(jìn)行有限元建模：①剪力釘距混凝土邊緣50 mm；②剪力釘距混凝土邊緣75 mm；③剪力釘距混凝土邊緣100 mm。圖11為相應(yīng)的有限元模型。

表3中國規(guī)范對剪力釘邊距的要求Tab.3Requirements of Chinese Standards for Edge Distances of Shear Studs

剪力釘距混凝土邊緣的距離分別為50，75，100 mm時(shí)，試件的破壞形態(tài)相似，均為剪力釘根部屈服、根部混凝土壓碎破壞，且邊距較小一側(cè)的混凝土開裂并出現(xiàn)外鼓。圖12為有限元計(jì)算所得的試件破壞形態(tài)。

圖13為考慮邊距不足的有限元計(jì)算結(jié)果與正常單個(gè)剪力釘推出試驗(yàn)有限元計(jì)算結(jié)果對比。由圖13可知，剪力釘距混凝土邊緣距離不滿足規(guī)范要求導(dǎo)致單釘抗剪承載力降低約27%，且邊距越小承載力越低，但差別不明顯。分析原因是由于剪力釘距混凝土邊緣距離不足，降低了混凝土對剪力釘?shù)募s束作用，且距離越小，混凝土對剪力釘?shù)募s束作用越小，則剪力釘?shù)目辜舫休d力越小。

3.3剪力釘傾斜

剪力釘在焊接過程中可能存在焊接偏差或施工工程中機(jī)具與人員操作過程的“磕碰”損壞，即導(dǎo)致剪力釘與鋼板不垂直，存在偏角。圖14為某組合梁橋在施工過程中出現(xiàn)的剪力釘傾斜情況。針對這種情況建立有限元模型，考察剪力釘傾斜對其承載力的影響。有限元模擬考慮順偏斜方向加載(順推)和逆偏斜方向加載(逆推)2種受力情況，剪力釘傾斜角度選取10°，30°，50°。圖15為相應(yīng)的有限元模型。

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，所有試件順推時(shí)及剪力釘傾斜10°的試件逆推時(shí)，試件的破壞形態(tài)均為剪力釘根部剪斷破壞，剪力釘傾斜30°，50°的試件逆推時(shí)，試件的破壞形態(tài)為剪力釘根部混凝土開裂破壞。圖16為考慮剪力釘傾斜的有限元計(jì)算結(jié)果與正常單個(gè)剪力釘推出試驗(yàn)的有限元計(jì)算結(jié)果對比。由圖16可以看出：順推時(shí)，剪力釘傾斜使單釘抗剪承載力平均下降約26%，3種傾斜角度的單釘抗剪承載力較接近；逆推時(shí)，剪力釘抗剪承載力隨剪力釘傾斜角度增大而降低，其中當(dāng)傾斜角度為50°時(shí)降低幅度較大，傾斜角度為10°，30°，50°時(shí)，抗剪承載能力分別降低26.8%，30.36%，41.3%。圖17為逆推與順推的抗剪承載力對比。由圖17可以看出，剪力釘分別傾斜10°，30°，50°時(shí)，逆推承載力比順推承載力分別低2%，7%，13%。剪力釘傾斜角度相同的情況下，逆推比順推受力更為不利，且隨著傾斜角度的增大，逆推承載力比順推承載力降低更多。上述不同傾斜角度剪力釘破壞模式及抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

表4剪力釘傾斜破壞形態(tài)及抗剪承載力Tab.4Failure Modes and Shear Capacities of Shear Stud Inclination

4結(jié)語

(1)本文通過對剪力釘推出試驗(yàn)結(jié)果與采用ABAQUS有限元分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證了本文有限元模擬方法的合理性與可靠性?？刹捎脭?shù)值模擬的方法對剪力釘受力性能開展研究。

(2)各國規(guī)范計(jì)算所得的剪力釘抗剪承載力偏于保守，均小于剪力釘推出試驗(yàn)和有限元仿真計(jì)算得到的剪力釘抗剪承載力。

(3)由于剪力釘周圍混凝土澆筑不密實(shí)、剪力釘布置邊距不足和剪力釘傾斜3種施工誤差的存在，使剪力釘?shù)目辜舫休d力有所降低，其中混凝土澆筑不密實(shí)的影響最大。因此，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，減小施工誤差，從而保證剪力釘?shù)墓ぷ餍阅堋?/p>

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