鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件受剪性能

陳俊，汪威，丁發(fā)興，許福，龍士國(guó)，楊才千, 3

鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件受剪性能

陳俊1，汪威1，丁發(fā)興2, 4，許福1，龍士國(guó)1，楊才千1, 3

(1. 湘潭大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 東南大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210018；4. 湖南省裝配式建筑工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

采用ABAQUS有限元軟件對(duì)鋼-混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件的受剪性能進(jìn)行三維實(shí)體有限元非線性分析，模型考慮鋼梁、混凝土板和高強(qiáng)螺栓等材料非線性以及各部件之間的接觸關(guān)系，在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上探討混凝土強(qiáng)度以及高強(qiáng)螺栓直徑、屈服強(qiáng)度、長(zhǎng)徑比和預(yù)緊力等參數(shù)對(duì)抗剪承載力的影響，分析結(jié)果表明：高強(qiáng)螺栓連接件的抗剪承載力隨混凝土強(qiáng)度、螺栓直徑與屈服強(qiáng)度的增大而提高。通過擬合建立考慮混凝土強(qiáng)度、高強(qiáng)螺栓直徑和屈服強(qiáng)度影響的單個(gè)連接件抗剪承載力計(jì)算式，并對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中栓釘受剪計(jì)算公式和國(guó)外學(xué)者及本文提出的高強(qiáng)螺栓受剪計(jì)算公式的計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果表明本文提出的計(jì)算式具有較高的精度。

鋼-混凝土組合梁；高強(qiáng)螺栓抗剪連接件；推出試驗(yàn)；有限元；受剪性能

抗剪連接件是確保組合梁中鋼梁與混凝土板共同工作的關(guān)鍵元件。栓釘連接件具有各向同性、受力性能好、制造工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于組合結(jié)構(gòu)及橋梁工程中，國(guó)內(nèi)外對(duì)其抗剪性能的研究也取得了一定的成果[1?5]。目前，國(guó)家正大力發(fā)展裝配式建筑，高強(qiáng)螺栓可作為一種可裝配拆卸栓釘替代傳統(tǒng)栓釘應(yīng)用到鋼?混凝土組合梁中以提高裝配效率。已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究[6?9]，結(jié)果表明：高強(qiáng)螺栓的抗剪承載力明顯大于栓釘，歐洲Eurocode 4規(guī)范[10]建議的栓釘抗剪承載力計(jì)算公式預(yù)測(cè)高強(qiáng)螺栓抗剪承載力將偏于保守。在組合梁抗剪連接件數(shù)值模擬方面，國(guó)內(nèi)外研究較多的是栓釘剪力連接件[11?15]，研究成果表明混凝土強(qiáng)度等級(jí)、栓釘直徑和屈服強(qiáng)度對(duì)連接件的抗剪承載力都有影響，但有關(guān)高強(qiáng)螺栓抗剪連接件的數(shù)值研究依舊較少，且關(guān)于其受剪承載力計(jì)算方法的研究也比較少見。LIU等[16]采用ABAQUS有限元軟件對(duì)高強(qiáng)螺栓抗剪連接件預(yù)留孔推出試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，混凝土采用新型材料(GPC)，模型中高強(qiáng)螺栓采用理想彈塑性本構(gòu)，并對(duì)Kwon等[9]建議的連接件抗剪承載力計(jì)算公式進(jìn)行改進(jìn)，但改進(jìn)后的公式?jīng)]有考慮混凝土強(qiáng)度的影響。Hassanieh等[17]采用ABAQUS軟件對(duì)高強(qiáng)螺栓連接件預(yù)留槽口木?鋼梁推出試驗(yàn)進(jìn)行有限元分析，并分別對(duì)單個(gè)參數(shù)影響下的受剪承載力提出計(jì)算式。鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓連接件受力復(fù)雜，且影響因素較多，各因素對(duì)其受剪承載力的影響也并非單獨(dú)作用。為研究鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件的受剪性能，作者在對(duì)鋼?混凝土組合梁栓釘抗剪連接件受壓、受拉靜力及往復(fù)推出研究成果[11, 15, 18]的基礎(chǔ)上，主要工作如下：1) 采用ABAQUS有限元軟件，對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者進(jìn)行高強(qiáng)螺栓連接件推出試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行非線性仿真分析與驗(yàn)證；2) 根據(jù)有限元模型對(duì)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)和高強(qiáng)螺栓的直徑、長(zhǎng)徑比、屈服強(qiáng)度及預(yù)緊力等參數(shù)對(duì)受剪承載力的影響進(jìn)行分析，提出高強(qiáng)螺栓連接件抗剪承載力計(jì)算公式；3) 根據(jù)有限元算例計(jì)算值結(jié)合已有文獻(xiàn)試驗(yàn)值，對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中建議的、國(guó)外學(xué)者及筆者提出的高強(qiáng)螺連接件抗剪承載力計(jì)算公式的計(jì)算值進(jìn)行比較。

1 有限元模型及驗(yàn)證

1.1 計(jì)算模型

文獻(xiàn)[6?8]推出試驗(yàn)的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖1所示，其中文獻(xiàn)[6]每側(cè)混凝土板含4個(gè)抗剪連接件，文獻(xiàn)[7?8]每側(cè)只含2個(gè)連接件。

(a) 平面圖；(b) 立面圖；(c) 側(cè)面圖

1.2 模型建立

1.2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

采用ABAQUS/Standard6.12[19]有限元軟件進(jìn)行建模分析，混凝土、鋼梁和鋼筋的本構(gòu)模型見文 獻(xiàn)[20]，高強(qiáng)螺栓本構(gòu)采用三折線材料模型[21]：

式中：i為高強(qiáng)螺栓的等效應(yīng)力；i為高強(qiáng)螺栓的等效應(yīng)變；y為屈服時(shí)的應(yīng)變；s為高強(qiáng)螺栓的彈性模量；s為屈服強(qiáng)度。由于試驗(yàn)從開始加載到破壞，螺帽與螺桿兩者之間的滑移量很微小，可以把螺帽和螺桿作為整體共同建模。對(duì)文獻(xiàn)[6?8]中沒有給出高強(qiáng)螺栓具體材性試驗(yàn)數(shù)值的，取高強(qiáng)螺栓名義屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 單元類型與網(wǎng)格劃分

混凝土、鋼梁和高強(qiáng)螺栓都采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體線性減縮積分單元(C3D8R)，沙漏(hourglassing)控制。鋼筋采用三維桁架線性單元(T3D2)?？紤]到推出試驗(yàn)的對(duì)稱性，本文采用試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?/4結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模分析，該有限元模型包含混凝土板、高強(qiáng)螺栓、鋼梁、縱筋和箍筋4個(gè)部分。高強(qiáng)螺栓的螺紋部分按等效換算的凈截面直徑建模，螺栓大六角頭也進(jìn)行等直徑換算；混凝土板的孔洞和鋼梁的孔洞由布爾操作完成。網(wǎng)格劃分均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)混凝土孔洞和鋼梁孔洞附近應(yīng)力集中區(qū)域采用相對(duì)較細(xì)的網(wǎng)格劃分，對(duì)其余部分采用較粗的網(wǎng)格劃分。高強(qiáng)螺栓抗剪連接件三維實(shí)體精細(xì)有限元模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示。

1.2.3 界面的模擬

鋼梁與混凝土板的接觸采用面?面(Surface- to-Surface)接觸，設(shè)置法線方向的硬接觸(hard)和切線方向的摩擦接觸，其中摩擦因數(shù)按文獻(xiàn)[6?8]中給定數(shù)值取值，對(duì)于文獻(xiàn)中沒有給出具體摩擦因數(shù)的，則取值參考JGJ82—2011鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接技術(shù)規(guī)程[22]。

高強(qiáng)螺栓與混凝土板的接觸分為徑向和環(huán)向2個(gè)接觸方向。徑向：混凝土板與螺帽的徑向、螺栓大六角頭的徑向接觸都設(shè)為法線方向的硬接觸，并設(shè)置允許接觸后分離；環(huán)向：混凝土板與螺帽的環(huán)向、大六角頭的環(huán)向接觸，設(shè)為法線方向的硬接觸和切線方向的摩擦接觸。

(a) 混凝土單元；(b) 鋼梁?jiǎn)卧?c) 高強(qiáng)螺栓單元；(d) 鋼筋單元

圖3 螺栓荷載的施加

鋼梁與螺桿的接觸設(shè)為法線方向的硬接觸，并設(shè)置允許接觸后分離；螺帽與鋼梁的接觸設(shè)為法線方向的硬接觸和切線方向的摩擦接觸。鋼筋采用Embedded方式嵌入混凝土板中，不考慮兩者之間的黏結(jié)滑移效應(yīng)，使兩者有相同的平動(dòng)自由度。

1.2.4 邊界條件

對(duì)圖2 1/4模型施加對(duì)稱邊界條件。分別對(duì)面1施加軸方向(U=UR=UR=0)，面2施加軸方向(U=UR=UR=0)對(duì)稱邊界條件，對(duì)面3施加固定邊界條件。

1.2.5 施加荷載與定義分析步

鋼梁頂面作為加載面并采用位移控制加載，有限元模型計(jì)算分析步共分為5步：1) 接觸關(guān)系、邊界條件在初始分析步中建立，并傳遞到后續(xù)的分析步中；2) 施加螺栓預(yù)緊力，采用螺栓荷載(Bolt Load)方式進(jìn)行施加，為了讓螺栓與鋼梁、螺栓與混凝土板之間的接觸緩慢平穩(wěn)地建立，先施加微小的荷載；3) 施加高強(qiáng)螺栓試驗(yàn)時(shí)實(shí)際大小的預(yù)緊力，或取值參考GB50017—2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[22]建議值。4) 固定螺栓的長(zhǎng)度；5) 對(duì)鋼梁頂面施加位移荷載。文獻(xiàn)[8]計(jì)算模型中螺栓荷載的施加如圖3 所示。

1.3 模型驗(yàn)證及分析

有限元模型計(jì)算得到的荷載?滑移曲線與試驗(yàn)荷載?滑移關(guān)系曲線的比較如圖4所示，可以看出：1) 對(duì)于文獻(xiàn)[7?8]試驗(yàn)曲線，由于螺栓與混凝土之間充分接觸無間隙，混凝土對(duì)螺栓的約束作用較強(qiáng)，荷載?滑移曲線與傳統(tǒng)栓釘連接件類似。圖4(c)和4(d)中NB，RPB和CPB分別表示高強(qiáng)螺栓連接件現(xiàn)澆、普通預(yù)留孔和預(yù)埋波紋管灌漿推出試件，其中劉中良[8]有限元計(jì)算曲線是各種對(duì)比試驗(yàn)曲線的上限且與CPB推出試件最為接近。由于高強(qiáng)螺栓未進(jìn)行螺紋建模，因此在彈塑性階段有限元計(jì)算曲線剛度較實(shí)際推出試件大，但兩者峰值荷載相差不大?？傮w而言，有限元模型可以反映實(shí)際推出試件的抗剪承載力；2) Ataei等[6]由于混凝土板預(yù)留孔洞、鋼梁孔洞與螺栓之間存在不同大小的間隙，因此有限元荷載?滑移曲線在螺栓預(yù)緊力被克服之后出現(xiàn)明顯的滑移平臺(tái)。圖4中b表示螺栓預(yù)緊力值，考慮推出試件高強(qiáng)螺栓在施加預(yù)緊力或裝配搬運(yùn)過程中，螺栓與混凝土板預(yù)留孔洞、鋼梁孔洞之間存在錯(cuò)動(dòng)，并非如有限元模型那樣完全對(duì)中，因此試驗(yàn)中的滑移平臺(tái)相對(duì)不明顯?？傮w來說，有限元模型可以反映實(shí)際推出試件的抗剪承載力。圖5所示為文獻(xiàn)[6, 8]有限元計(jì)算模型所得高強(qiáng)螺栓von- Mises應(yīng)力與變形云圖與試驗(yàn)破壞形態(tài)的對(duì)比，可見試驗(yàn)破壞形態(tài)與有限元破壞都是高強(qiáng)螺栓被 剪斷。

(a) 文獻(xiàn)[6]16，20mm連接件；(b) 文獻(xiàn)[7]15.9mm，19mm連接件；(c) 文獻(xiàn)[8]10，16 mm連接件；(d) 文獻(xiàn)[8]12mm連接件

(a) 文獻(xiàn)[6]20 mm高強(qiáng)螺栓；(b) 文獻(xiàn)[8]16mm高強(qiáng)螺栓

2 抗剪承載力分析與比較

2.1 參數(shù)分析

由于高強(qiáng)螺栓連接件推出試驗(yàn)荷載?滑移曲線沒有明顯的下降段，因此，本文將抗剪承載力定義為連接件的峰值荷載，采用ABAQUS有限元軟件對(duì)單個(gè)高強(qiáng)螺栓連接件抗剪承載力的參數(shù)分析如下：

1)混凝土強(qiáng)度。以螺桿長(zhǎng)度=150mm，嵌入長(zhǎng)度E=100mm，屈服強(qiáng)度s=640MPa，直徑為10~20mm的高強(qiáng)螺栓抗剪連接件為例，圖6(a)所示為不同混凝土強(qiáng)度對(duì)抗剪承載力的影響，可知當(dāng)高強(qiáng)螺栓直徑和屈服強(qiáng)度相同時(shí)，提高混凝土的強(qiáng)度可以提高螺栓的受剪承載能力。當(dāng)混凝土強(qiáng)度從C20增大到C60時(shí)，10~20mm高強(qiáng)螺栓的極限承載力分別提高22%，32%，31%，35%和34%。

2) 高強(qiáng)螺栓直徑。以螺桿長(zhǎng)度=150mm，嵌入長(zhǎng)度E=100mm，屈服強(qiáng)度s=640MPa，混凝土強(qiáng)度為C20~C60的高強(qiáng)螺栓抗剪連接件為例，圖6(b)所示為不同高強(qiáng)螺栓直徑對(duì)抗剪承載能力的影響，可見混凝土強(qiáng)度相同時(shí)，高強(qiáng)螺栓連接件的抗剪承載力隨著直徑的增大而明顯增大。當(dāng)混凝土強(qiáng)度為C40時(shí)，直徑從10~16mm時(shí)，此時(shí)平均直徑每增加2mm，抗剪承載力平均增幅達(dá)35%；當(dāng)直徑16~20mm時(shí)，直徑每增加2mm，抗剪承載力平均增幅為20%。

3)高強(qiáng)螺栓屈服強(qiáng)度。以螺桿長(zhǎng)度=150mm，嵌入長(zhǎng)度E=100mm，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為40MPa高強(qiáng)螺栓抗剪連接件為例，圖6(c)所示分析為不同屈服強(qiáng)度對(duì)抗剪承載能力的影響，可知高強(qiáng)螺栓的抗剪承載能力隨著屈服強(qiáng)度的提高而幾乎線性增加。

4) 高強(qiáng)螺栓長(zhǎng)徑比。以混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為40MPa，屈服強(qiáng)度s=640MPa，直徑分別為10，12和16mm的高強(qiáng)螺栓抗剪連接件為例，圖6(d)所示為不同直徑長(zhǎng)徑比對(duì)高強(qiáng)螺栓抗剪承載能力的影響。由圖可知，當(dāng)長(zhǎng)徑比較小時(shí)，連接件抗剪承載力隨高強(qiáng)螺栓長(zhǎng)徑比的增大而提高，但當(dāng)長(zhǎng)徑比大于4時(shí)，抗剪承載力增幅較小。文獻(xiàn)[13]有限元分析結(jié)論有著類似規(guī)律。

5) 高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力。以混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為40MPa，屈服強(qiáng)度s=640MPa，嵌入長(zhǎng)度E=100mm，直徑為10~16mm的高強(qiáng)螺栓抗剪連接件為例，圖6(e)所示為不同預(yù)緊力對(duì)高強(qiáng)螺栓抗剪承載能力的影響，橫坐標(biāo)表示規(guī)范[23]中建議施加的預(yù)緊力。可見預(yù)緊力大小對(duì)高強(qiáng)螺栓連接件抗剪承載力的影響較小，文獻(xiàn)[17, 24]也有著類似結(jié)論。

綜上所述，鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件的抗剪承載力隨混凝土強(qiáng)度、螺栓的直徑以及屈服強(qiáng)度的增大而提高，其中增大高強(qiáng)螺栓直徑對(duì)提高連接件的受剪承載力最有效。

(a) 混凝土強(qiáng)度；(b) 高強(qiáng)螺栓直徑；(c) 高強(qiáng)螺栓屈服強(qiáng)度；(d) 高強(qiáng)螺栓長(zhǎng)徑比；(e) 高強(qiáng)螺栓預(yù)緊力

2.2 高強(qiáng)螺栓抗剪承載力計(jì)算公式

基于有限元參數(shù)分析，考慮混凝土強(qiáng)度cu(C20~C60)，高強(qiáng)螺栓直徑(10~20mm)以及屈服強(qiáng)度s(640~1 080MPa)的影響，通過擬合回歸，提出單個(gè)高強(qiáng)螺栓抗剪承載力計(jì)算公式：

圖7所示為式(2)計(jì)算值與本文有限元算例計(jì)算值的比較，圖8所示為式(2)計(jì)算值與文獻(xiàn)[6?9,24?25]試驗(yàn)值之間的比較，其中縱坐標(biāo)Pu,f和Pu,0分別表示有限元計(jì)算值和試驗(yàn)值，橫坐標(biāo)Pu,c表示式(2)計(jì)算值，有限元計(jì)算值與式(2)計(jì)算值之比均值為1.010，均方差為0.025，試驗(yàn)值與式(2)計(jì)算值之比均值為0.988，均方差為0.161，可見本文提出的計(jì)算式(2)精度較好。

圖8 公式計(jì)算值與文獻(xiàn)[6?8,24?25]試驗(yàn)值之間的比較

2.3 公式比較

目前各國(guó)規(guī)范對(duì)于鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件的計(jì)算尚未給出相關(guān)計(jì)算公式。本文基于文獻(xiàn)[6?9, 24?25]中的85組試驗(yàn)值和本文45組有限元算例計(jì)算值，通過與中國(guó)GB50017—2017[23]規(guī)范、美國(guó)AISC360?16[26]規(guī)范和歐洲Eurocode 4[10]規(guī)范中建議的栓釘抗剪承載力公式計(jì)算值，以及Kwon等[9]、LIU等[16]和筆者提出的高強(qiáng)螺栓抗剪承載力計(jì)算公式的計(jì)算值進(jìn)行比較，各計(jì)算公式見表1，比較結(jié)果見表2和表3。

表1 各國(guó)規(guī)范與學(xué)者提出的受剪承載力計(jì)算公式

表2 45個(gè)有限元算例計(jì)算值與各公式計(jì)算值的比較

注：u,(i)表示文中建議公式(i)計(jì)算值；為u,0/u,(i)的平均值；為u,0/u,(i)的離散系數(shù)。

從表2和表3中可以看出：1) 筆者提出的計(jì)算式，精度最高，適用性更廣；2) 各國(guó)規(guī)范栓釘建議公式計(jì)算值及國(guó)外學(xué)者提出的公式計(jì)算值較試驗(yàn)值和算例分析計(jì)算值都偏小，其中ANSI/AISC360- 16[26]和LIU等[16]建議的公式計(jì)算值相對(duì)較接近。

表3 試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值及各公式計(jì)算值的比較

3 結(jié)論

1) 建立的鋼?混凝土組合梁高強(qiáng)螺栓抗剪連接件三維實(shí)體精細(xì)有限元模型計(jì)算結(jié)果與各文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。

2) 有限元參數(shù)分析結(jié)果表明：高強(qiáng)螺栓連接件抗剪承載力隨混凝土強(qiáng)度、螺栓直徑及屈服強(qiáng)度的增大而提高，螺栓長(zhǎng)徑比及預(yù)緊力對(duì)抗剪承載力影響較??；基于參數(shù)分析提出考慮不同混凝土強(qiáng)度、高強(qiáng)螺栓直徑及屈服強(qiáng)度的抗剪連接件受剪承載力計(jì)算式，公式結(jié)果與算例計(jì)算結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

3) 通過與GB50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo) 準(zhǔn)》、ANSI/AISC360-16和Eurocode 4規(guī)范中栓釘抗剪承載力建議公式與Kwon和LIU等提出的公式進(jìn)行比較，結(jié)果表明，所建立的計(jì)算公式精度較高。

[1] Ollgaard J G, Slutter R G, Fisher J W. Shear strength of stud connectors in lightweight and normal-weight concrete[J]. AISC Engineering Journal, 1971, 8(2): 55? 64.

[2] Shim C S, Lee P G, Yoon T Y. Static behavior of large stud shear connectors[J]. Engineering Structures, 2004, 26(12): 1853?1860.

[3] 聶建國(guó), 沈聚敏, 袁彥聲, 等. 鋼?混凝土組合梁中剪力連接件實(shí)際承載力的研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 1996, 17(2): 21?28. NIE Jianguo, SHEN Jumin, YUAN Yansheng, et al. Study on the actual bearing capacity of shear connectors in steel-concrete composite beams[J]. Journal of Building Structures, 1996, 17(2): 21?28.

[4] 薛偉辰, 丁敏, 王驊, 等. 單調(diào)荷載下栓釘連接件受剪性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2009, 30(1): 95?100. XUE Weichen, DING Min, WANG Hua, et al. Experimental studies on behavior of stud shear connectors under monotonic loads[J]. Journal of Building Structures, 2009, 30(1): 95?100.

[5] 周凌宇, 伏榮. 重復(fù)荷載作用下栓釘連接件力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 7(3): 31? 36. ZHOU Lingyu, FU Rong. Experiment study on mechanical behavior of the stud connector under repeated load[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2010, 7(3): 31?36.

[6] Ataei A, Bradford M A, Xinpei L. Sustainable composite beams and joints with deconstructable table bolted shear connectors[C]// Proceedings of the 23rd Australasian Conference on the Mechanics of Structures and Materials, Byron Bay, Australia, 9?12. 2014.

[7] Lawrence N D. High strength bolt shear connectors- pushout tests[J]. Journal Proceedings, 1968, 65(9): 767? 769.

[8] 劉中良. 裝配式組合梁高強(qiáng)螺栓連接件抗剪性能試驗(yàn)研究[D]. 湘潭: 湘潭大學(xué), 2017. LIU Zhongliang. Experimental study on the shear behavior of the prefabricated composite beam high strength bolt connector[D]. Xiangtan: Xiangtan University, 2017.

[9] Kwon G, Engelhardt M D, Klingner R E. Behavior of post-installed shear connectors under static and fatigue loading[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2010, 66(4): 532?541.

[10] Eurocode 4. Design of composite steel and concrete structures, Part 1.1: General rules and rules for buildings[S]. Brusseles, Belguim, 2004.

[11] DING F X, YIN G A, WANG H B, et al. Static behavior of stud connectors in bi-direction push-off tests[J]. Thin-Walled Structures, 2017, 120: 307?318.

[12] Lam D, Elliott K S, Nethercot D A. Parametric study on composite steel beams with precast concrete hollow core floor slabs[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2000, 54(2): 283?304.

[13] Pavlovi? M, Markovi? Z, Veljkovi? M, et al. Bolted shear connectors vs. headed studs behaviour in push-out tests[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2013, 88: 134?149.

[14] XU C, Sugiura K, WU C, et al. Parametrical static analysis on group studs with typical push-out tests[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2012, 72(5): 84?96.

[15] 丁發(fā)興, 倪鳴, 龔永智, 等. 栓釘剪力連接件滑移性能試驗(yàn)研究及受剪承載力計(jì)算[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2014, 35(9): 98?106. DING Faxing, NI Ming, GONG Yongzhi, et al. Experimental study on slip behavior and calculation of shear bearing capacity for shear stud connectors[J]. Journal of Building Structures, 2014, 35(9): 98?106.

[16] LIU X P, Bradford M A, Michael S S L. Behavior of high-strength friction-grip bolted shear connectors in sustainable composite beams[J]. Journal of Structural Engineering, 2015, 141(6): 1?12.

[17] Hassanieh A, Valipour H R, Bradford M A. Bolt shear connectors in grout pockets: Finite element modelling and parametric study[J]. Construction and Building Materials, 2018, 176: 179?192.

[18] YIN G A, DING F X, WANG H B, et al. Behavior of headed shear stud connectors subjected to cyclic loading[J]. Steel and Composite Structures, 2017, 25(6): 705?716.

[19] Abaqus[CP]. Version 6.12, 2012.

[20] DING F X, YING X Y, ZHOU L C, et al. Unified calculation method and its application in determining the uniaxial mechanical properties of concrete[J]. Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China, 2011, 5(3): 381?393.

[21] 王燕, 鄭杰, 侯兆欣. 高強(qiáng)螺栓外伸端板撬力作用的有限元分析與設(shè)計(jì)方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu), 2009, 39(5): 68?75. WANG Yan, ZHENG Jie, HOU Zhaoxin. Design and finite element study on the prying force of high strength bolt in extended end-plate connections[J]. Building Structure, 2009, 39(5): 68-75.

[22] JGJ 82—2011, 鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓連接技術(shù)規(guī)程[S]. JGJ 82—2011, Technical specification for high strength bolt connections of steel structure[S].

[23] GB 50017—2017, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S]. GB 50017—2017, Standard for design of steel structures[S].

[24] ZHANG Y J, CHEN B C, LIU A R, et al. Experimental study on shear behavior of high strength bolt connection in prefabricated steel-concrete composite beam[J]. Composites Part B (2018), doi: https://doi.org/10. 1016/j.compositesb.2018. 10.007.

[25] 杜浩, 張冰, 胡夏閩, 等. 鋼?混凝土組合梁螺栓連接件受剪性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2017(增1): 308?314. DU Hao, ZHANG Bing, HU Xiamin, et al. Experimental study on shear behavior of bolt connectors in steel- concrete composite beams[J]. Journal of Building Structures, 2017(Suppl 1): 308?314.

[26] ANSI/AISC 360-16, Specification for structural steel buildings[S]. Chicago, IL, 2016.

Shear bearing capacity of high-strength bolt connectors in steel-concrete composite beams

CHEN Jun1, WANG Wei1, DING Faxing2, 4, XU Fu1, LONG Shiguo1, YANG Caiqian1, 3

(1. College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;2. College of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;3. College of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210018, China;4. Engineering Technology Research Center for Prefabricated Construction Industrialization of Hunan Province, Changsha 410075, China)

ABAQUS was used to develop the three-dimensional finite element model and study the shear bearing capacity of steel-concrete composite beams with high-strength bolt shear connector. The numerical model took into account the non-linearities of steel, concrete, bolt shear connector and other materials as well as contact among components. Validated against the experimental results, the structural performance of the high-strength bolt diameter, yield strength, length-diameter ratio and pretension as well as the strength of concrete was discussed. It was found that the shear bearing capacity was improved with the increase of concrete strength, high-strength bolt diameter and yield strength. The new design equation of single connector which considered the influence of concrete strength, diameter and yield strength was established through fitting. With then it comes to the comparison between numerical value under current specification of stud shear formula and numerical value calculated by high-strength bolt shear formula which was proposed by foreign scholars and this paper. The results show that the formula proposed in this paper is equipped with high precision.

steel-concrete composite beam; high-strength bolt shear connector; push-off test; FEA; shear bearing capacity

TU398.9

A

1672 ? 7029(2019)10? 2553 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.10.023

2018?12?25

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0703404)；國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51578548)；湖南省自然科學(xué)杰出青年基金資助項(xiàng)目(2019JJ20029)；湖南省科技重大專項(xiàng)(2017SK1010)；湖南省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)技術(shù)投資項(xiàng)目(2018GK5028)

丁發(fā)興(1979?)，男，浙江瑞安人，教授，博士，從事鋼?混凝土組合結(jié)構(gòu)研究；E?mail：dinfaxin@mail.csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)