裝配式鋼-混凝土組合梁中栓釘連接件的抗剪承載力分析

余浩瀚，李大華，王健康，柳軍修

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥，230022；2.貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽，550003)

0 前言

鋼—混凝土組合梁結(jié)合了鋼材和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種類型的建筑物和橋梁結(jié)構(gòu)。隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展，鋼筋混凝土組合梁由于其“預(yù)制裝配”、“快速施工”等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于搶險(xiǎn)、搶修工程中[1]。栓釘連接件是確保鋼筋混凝土板和鋼板可以一起工作的關(guān)鍵部件，影響組合梁承載力和變形性能主要原因來自于栓釘連接件的變形。為此，我們將考慮鋼梁與混凝土板之間荷載—滑移的關(guān)系。

戴益民[2]通過12組推出試驗(yàn)，研究了剪力槽孔形狀和孔內(nèi)填充材料對(duì)栓釘連接件的受剪性能的影響；王連廣[3]收集了大量的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，并針對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，從而提出栓釘連接件的荷載-滑移關(guān)系計(jì)算式；丁發(fā)興等[4]通過3組推出試驗(yàn)，研究了栓釘直徑、屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù)對(duì)栓釘連接件的受剪承載力的影響，并通過大量算例參數(shù)分析，提出了考慮栓釘?shù)闹睆?、屈服?qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的栓釘連接件的受剪承載力計(jì)算式和荷載-滑移曲線的計(jì)算方法；王一泓[5]通過推出試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)分別對(duì)栓釘連接件和橡膠集料混凝土板組合梁的靜力性能和疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考慮了橡膠集料混凝土板的強(qiáng)度、栓釘直徑等對(duì)栓釘連接件和組合梁的靜力性能和疲勞性能的影響。項(xiàng)貽強(qiáng)等[6]基于混凝土和栓釘?shù)乃苄該p傷模型，利用ABAQUS有限元軟件，對(duì)栓釘連接件抗剪承載力的影響因素進(jìn)行了研究。

本文采用有限元軟件ABAQUS建立了試件的精細(xì)數(shù)值模型。研究了栓釘直徑，屈服強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)栓釘連接件抗剪承載力的影響。

1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)歐洲規(guī)范4[7]的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)了推出試件，試件的詳細(xì)介紹和尺寸細(xì)節(jié)如圖1所示。本文共設(shè)計(jì)了6組共19個(gè)推出試件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，研究栓釘直徑、屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等參數(shù)對(duì)栓釘連接件的受剪承載力的影響。每個(gè)推出試件的鋼梁兩側(cè)各焊有16個(gè)栓釘，栓釘直徑分別為13 mm、16 mm、19 mm和22 mm。采用GB/T 10433《圓柱頭焊釘》規(guī)定的4.6級(jí)栓釘，推出試件中鋼梁均為Q235鋼材?；炷涟鍍?nèi)鋼筋均為HPB300級(jí)鋼。

圖1 推出試件尺寸參數(shù)(單位mm)

2 模型建立

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

有限元分析的關(guān)鍵就是合理選擇材料本構(gòu)關(guān)系。

2.1.1 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

ABAQUS材料庫提供的混凝土塑性損傷模型(CDP模型)?；炷翍?yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系采用GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]推薦的曲線，單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可通過式(1)確定：

式(3)可以確定單軸受拉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

2.1.2 鋼梁、栓釘和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

栓釘，鋼梁和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系都是彈塑性本構(gòu)模型，如圖2所示，這一本構(gòu)模型保證了應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系的唯一性。

圖2 鋼材的本構(gòu)模型

2.2 單元類型的選取和網(wǎng)格劃分

栓釘，鋼梁和混凝土均基于八節(jié)點(diǎn)三維固體線性壓下裝置(C3D8R)。使用三維雙結(jié)點(diǎn)桁架單元(T3D2)對(duì)鋼筋進(jìn)行數(shù)值模擬。

根據(jù)試件的幾何對(duì)稱性，采用ABAQUS軟件建立1/4試件的有限元模型進(jìn)行分析。使用掃描和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)分別對(duì)栓釘，栓釘孔位置和鋼梁的其他部分進(jìn)行精細(xì)嚙合。在應(yīng)力集中部分，網(wǎng)格更細(xì)，其他部分更粗糙。詳細(xì)如圖3所示。

圖3 模型單元選取和網(wǎng)格劃分

2.3 界面接觸關(guān)系

推出試件有限元模型各部件之間接觸關(guān)系的處理是數(shù)值分析中最為復(fù)雜的部分。

(1)栓釘帽和混凝土板的接觸關(guān)系：相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，試件破壞后，栓釘帽完全固定在混凝土板中，未發(fā)生滑移，因此本模型采用綁定(Tie)約束方式。

(2)栓釘桿和混凝土板的接觸關(guān)系：栓釘桿與混凝土板的接觸由切線方向的罰函數(shù)(Penalty)和法線方向的硬接觸(Hard Contact)兩部分組成，考慮了栓釘與混凝土之間的自然粘結(jié)力和庫侖摩擦力，參考文獻(xiàn)中取值，取摩擦系數(shù)為0.4，選擇栓釘表面作為主表面，混凝土表面為從屬表面；

(3)鋼梁與混凝土板的接觸關(guān)系：為了充分體現(xiàn)栓釘連接件的抗剪性能，本模型不考慮鋼梁和混凝土之間黏結(jié)力和庫侖摩擦力的作用，在接觸面切向采用 Frictionless surface to surface contact接觸；在法向上采用硬接觸(Hard Contact)，兩者存在相互的側(cè)向約束，但是發(fā)生掀起效應(yīng)時(shí)允許接觸面分離。

(4)新、舊混凝土間的接觸關(guān)系：本文不考慮新、舊混凝土間的粘結(jié)滑移，假定兩者之間粘結(jié)可靠，不發(fā)生剝離現(xiàn)象，其接觸關(guān)系采用綁定(Tie)。

2.4 邊界條件及加載方式

在1/4推出試件的對(duì)稱面上分別施加對(duì)稱邊界條件，推出試件試件與地面接觸位置采用固定端接觸；在鋼梁頂面采用位移加載，見圖4所示。

3 有限元分析

3.1 影響參數(shù)分析

本節(jié)將針對(duì)前述主要影響因素進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。

3.1.1 變剪距混凝土強(qiáng)度等級(jí)的參數(shù)分析

以直徑為16 mm的栓釘連接器和屈服強(qiáng)度為350 MPa的試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析，剪力槽孔內(nèi)不同混凝土強(qiáng)度等級(jí)的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表1，其抗剪承載力如圖5(a)所示。從圖中可以看出，螺栓連接處的抗剪承載力隨著剪力槽中混凝土強(qiáng)度水平的增加而增加，但增長速度減慢。

表1 變剪距混凝土強(qiáng)度等級(jí)的推出試件主要參數(shù)

圖4 邊界條件及加載方式

3.1.2 栓釘直徑變化的參數(shù)分析

以剪切槽中混凝土強(qiáng)度等級(jí)C40的栓釘連接件試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。具有不同樁徑的突出試件的有限元模型的主要參數(shù)如表2所示。剪切承載能力如圖5(b)所示。從圖中可以看出，栓釘連接件的剪切承載能力隨著栓釘直徑的增加而近似線性地增加。

表2 栓釘直徑變化的推出試件主要參數(shù)

3.1.3 栓釘屈服強(qiáng)度變化的參數(shù)分析

以剪切槽中的樁徑為16 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同栓釘屈服強(qiáng)度的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表3，其抗剪承載力如圖5(c)所示。從圖中可以看出，栓釘連接件的剪切承載能力隨栓釘屈服強(qiáng)度的增加而近似線性增加。

表3 栓釘屈服強(qiáng)度變化的推出試件主要參數(shù)

3.1.4 變化預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級(jí)的參數(shù)化分析

以栓釘?shù)闹睆綖?6 mm，屈服強(qiáng)度為350 MPa，剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的栓釘連接件推出試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級(jí)的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表4，其抗剪承載力如圖5(d)所示。由圖可知，栓釘連接件的抗剪承載力隨預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級(jí)的增加而增加。但增幅很小，其對(duì)栓釘抗剪承載力影響不大。

表4 變化預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級(jí)的推出試件主要參數(shù)

3.1.5 變化混凝土板內(nèi)橫向配筋率

以栓釘直徑為16 mm，屈服強(qiáng)度為350 MPa，剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的栓釘連接件推出試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同橫向配筋率的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表5，其抗剪承載力如圖5(e)所示。由圖可知，栓釘連接件的抗剪承載力隨混凝土板內(nèi)橫向配筋率的增加而增加，但增幅很小，其對(duì)栓釘抗剪承載力影響不大。

表5 變化混凝土板內(nèi)橫向配筋率的推出試件主要參數(shù)

3.1.6 變化栓釘數(shù)量

以栓釘直徑為16 mm，屈服強(qiáng)度為350 MPa，剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50的栓釘連接件推出試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同栓釘數(shù)量的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表6，其抗剪承載力如圖5(f)所示。由圖可知，栓釘連接件的抗剪承載力隨栓釘個(gè)數(shù)的增加有所增加，但增幅很小，其對(duì)栓釘抗剪承載力影響不大。

表6 變化栓釘數(shù)量的推出試件主要參數(shù)

3.2 荷載—滑移曲線

根據(jù)栓釘連接件抗剪承載力影響因素的分析，栓釘連接件抗剪承載力的主要影響因素為：剪切槽中的混凝土強(qiáng)度等級(jí)，栓釘直徑和屈服強(qiáng)度。

圖6(a)顯示了不同剪切槽中混凝土強(qiáng)度等級(jí)下栓釘接頭的荷載-滑移曲線。圖6(b)顯示了不同樁徑的栓釘連接器的負(fù)載-滑移曲線。圖6(c)顯示了不同樁釘屈服強(qiáng)度的栓釘連接器的負(fù)載-滑移曲線。

3.3 數(shù)值模型的受力變形

圖7中(a)(b)所示為栓釘、鋼筋和混凝土板的Mises應(yīng)力云圖，圖7中(c)所示為推出試件的變形云圖，由栓釘應(yīng)力云圖可知，推出試件發(fā)生破壞時(shí)，栓釘下部的應(yīng)力最大，也是最先達(dá)到屈服的，栓釘?shù)膽?yīng)力由下部到上部逐漸減小，而鋼梁應(yīng)力不大；栓釘下部的變形也是最大，也從下部到上部不斷減?。凰ㄡ斚虏渴軌簜?cè)混凝土局部壓碎，另一側(cè)混凝土與栓釘發(fā)生脫離。

4 結(jié)論

本文基于有限元軟件ABAQUS建立并分析了試件的三維實(shí)體模型?？紤]界面滑移效應(yīng)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)，栓釘直徑和屈服強(qiáng)度對(duì)栓釘連接件抗剪承載力的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1)由推出試驗(yàn)的參數(shù)化有限元分析可知，隨著剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高，栓釘連接的剪切承載能力得到改善，但生長速度減慢，最大滑移逐漸減小。延展性降低，因此實(shí)際工程不提倡使用高強(qiáng)度混凝土來提高栓釘?shù)目辜羟心芰Α?/p>

圖5 影響栓釘連接件的抗剪承載力主要參數(shù)曲線

圖6 栓釘連接件在各因素下的荷載—滑移曲線

圖7 應(yīng)力云圖與變形云圖

(2)隨著預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級(jí)、橫向配筋率和栓釘數(shù)量的增加，連接件的抗剪承載力也在微弱增加，但影響不大，因此實(shí)際工程中也不提倡使用增加上述三種變量來增加栓釘?shù)目辜羟心芰Α?/p>

(3)栓釘連接件的剪切承載力也隨著栓釘直徑和屈服強(qiáng)度的增加而線性增加，最大滑移也增加，且效果較明顯，因此建議使用增加栓釘直徑和屈服強(qiáng)度的做法提高連接件的抗剪能力。

(4)推出試件發(fā)生破壞時(shí)，栓釘下部的應(yīng)力最大，由下部到上部不斷減小，而鋼梁應(yīng)力不大；栓釘?shù)淖冃我矎南虏肯蛏喜坎粩鄿p小；栓釘受壓側(cè)的混凝土被部分壓碎，另一側(cè)的混凝土與栓釘分離。