剪力與拉拔力共同作用下焊釘受力性能分析

薛東焱,宛青云,潘志宏,馬文剛

(江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

焊釘剪力連接件是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中常用的連接件[1-2],針對(duì)焊釘抗剪性能已有很多研究[3-4]．但在實(shí)際工程中,結(jié)構(gòu)不只存在剪力,還有軸力或彎矩作用,焊釘除了承受剪力,而且還承受拉拔力等多種荷載,因此,針對(duì)焊釘在多種荷載作用下的復(fù)雜受力研究顯得十分必要．文獻(xiàn)[5]在推出試驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)混凝土板施加橫向預(yù)加力,試驗(yàn)表明隨著橫向預(yù)加力的增加,焊釘?shù)臉O限承載力有所提高,但對(duì)最終滑移影響不大．文獻(xiàn)[6]采用不同長(zhǎng)徑比和不同強(qiáng)度的焊釘進(jìn)行先拉后剪試驗(yàn),得到了焊釘連接件拉剪承載力經(jīng)驗(yàn)公式．文獻(xiàn)[7]選取不同長(zhǎng)徑比,保持拉力和剪力以相同的比例增長(zhǎng),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到焊釘拉剪承載力計(jì)算公式．文獻(xiàn)[8]根據(jù)試驗(yàn)得到焊釘拉剪承載力近似計(jì)算公式．文獻(xiàn)[9]利用先拉后剪的加載方式對(duì)焊釘拉剪承載力建議公式進(jìn)行驗(yàn)證．文獻(xiàn)[10]采用拉力與剪力同步加載的方式對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證．文獻(xiàn)[11]先進(jìn)行拉拔試驗(yàn),再進(jìn)行剪切推出試驗(yàn),得到了推出試件在不同拉力作用下的荷載滑移曲線,討論了拉力對(duì)焊釘抗剪剛度和延性的影響,對(duì)焊釘拉剪承載力計(jì)算公式進(jìn)行了修正．

上述研究都是基于試驗(yàn)得到焊釘拉剪承載力的計(jì)算公式,目前針對(duì)焊釘在組合荷載作用下的有限元分析較少．文中運(yùn)用有限元軟件ABAQUS,分別對(duì)焊釘單純受剪力作用和拉剪組合作用下的推出試驗(yàn)進(jìn)行非線性分析,研究焊釘?shù)氖芰π阅?進(jìn)而分析試件的應(yīng)力分布狀態(tài)、破壞形式以及混凝土損傷等,對(duì)全面了解焊釘在組合荷載作用下的受力性能具有重要的意義．

1 有限元建模

采用模擬推出試驗(yàn)的方法研究焊釘?shù)氖芰π阅?根據(jù)推出試驗(yàn)試件的對(duì)稱性,建立1/4推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析．焊釘、鋼結(jié)構(gòu)、混凝土和鋼筋骨架分別單獨(dú)建模,然后裝配到一起．混凝土板尺寸250 mm×500 mm×500 mm,焊釘直徑22 mm,長(zhǎng)300 mm,釘帽直徑35 mm,高度10 mm,鋼筋直徑16 mm．?dāng)?shù)值模擬中考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性和材料非線性,使用ABAQUS/Standard靜力分析求解器求解．有限元模型如圖1．

1.1 材料本構(gòu)

鋼筋混凝土材料的本構(gòu)關(guān)系通常采用非線性的方式表達(dá)[12],文中混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中建議的本構(gòu)關(guān)系[13],如圖2,混凝土為C60混凝土,彈性模量為3.634×104MPa,混凝土的損傷使用ABAQUS中的CDP塑性損傷模型,其塑性參數(shù)見(jiàn)表1．

鋼材選用Q345鋼材,鋼結(jié)構(gòu)和焊釘使用相同的本構(gòu)關(guān)系,采用三折線式的彈塑性本構(gòu)模型,如圖3,計(jì)算公式為式(1)．

(1)

式中：Es為鋼材彈性模量；σy為鋼材屈服強(qiáng)度；σu=(1.2-1.3)σy,文中取σu=1.25σy,εu=30εy．

圖1 1/4有限元模型Fig.1 1/4 Finite element model

圖2 混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.2 Stress-strain relationship of concrete

表1 混凝土材料塑性參數(shù)Table 1 Plastic parameters of concrete materials

圖3 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Stress-strain relationship of steel

采用HRB335鋼筋，鋼筋本構(gòu)關(guān)系如圖4,計(jì)算公式為式(2)．

(2)

式中：σy為屈服強(qiáng)度,εy為達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服應(yīng)變,Es為鋼筋的彈性模量．

圖4 鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.4 Stress-strain relationship of rebar

鋼梁、焊釘和鋼筋材料參數(shù)見(jiàn)表2．

表2 鋼梁、焊釘和鋼筋材料參數(shù)Table 2 Parameters of steel beams, studs and reinforcement materials

1.2 單元類型及網(wǎng)格

混凝土、焊釘和鋼結(jié)構(gòu)都采用八節(jié)點(diǎn)的三維實(shí)體減縮積分單元(C3D8R),鋼筋骨架采用三維桁架(T3D2)建模．劃分網(wǎng)格之前先把結(jié)構(gòu)劃分成相對(duì)規(guī)則的若干單元,再利用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分方法進(jìn)行劃分．焊釘網(wǎng)格尺寸大約為9 mm,其余網(wǎng)格尺寸為15 mm．

1.3 界面接觸

焊釘與型鋼采用綁定的方式連接,焊釘與混凝土之間采用面與面接觸關(guān)系,用罰函數(shù)定義切向行為,摩擦系數(shù)為0.35,法向?yàn)橛步佑|．型鋼與混凝土板之間不考慮摩擦,鋼筋骨架采取嵌入的方法嵌入混凝土中．

1.4 邊界條件和加載方式

在焊釘單純受剪力作用的推出試驗(yàn)有限元分析中,面1關(guān)于Y軸對(duì)稱約束,約束條件為U2=UR1=UR3=0,面4關(guān)于X軸對(duì)稱約束,約束條件為U1=UR2=UR3=0,面3采取固定約束,約束條件為U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0．在型鋼頂部對(duì)加載面1施加沿Z軸方向的豎向位移荷載．

在焊釘受剪力和拉拔力共同作用的推出試驗(yàn)有限元分析中,荷載施加分兩步進(jìn)行．

第一步,對(duì)焊釘施加拉拔力．在1/4模型中,面2與面3完全固定,約束條件為U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0;面1關(guān)于Y軸施加對(duì)稱約束,約束條件為U2=UR1=UR3=0;面4在X軸方向不約束,約束條件為UR2=UR3=0．對(duì)加載面2施加沿X軸正方向的拉力,拉拔力大小分成0.2Tu,0.4Tu和0.6Tu3種工況,其中,Tu為焊釘抗拉拔極限承載力,根據(jù)焊釘極限拉力公式[14]計(jì)算:Tu=Asfu=π×112×519/4=197.2 kN．

第二步,對(duì)焊釘施加剪力．在1/4模型中,增加面4關(guān)于X軸對(duì)稱約束,即約束條件變?yōu)閁1=UR2=UR3=0,其他面約束條件均保持不變．在型鋼頂部對(duì)加載面1施加沿Z軸方向的豎向位移荷載,對(duì)于拉拔力大小分別為0.2Tu,0.4Tu和0.6Tu的3種不同工況,本次模擬位移荷載均加載到10 mm．

模型加載及邊界條件如圖5．

圖5 加載及邊界條件Fig.5 Load and boundary condition

2 有限元結(jié)果與分析

2.1 荷載-滑移曲線

推出試驗(yàn)荷載滑移曲線如圖6．不同拉拔力作用下焊釘極限承載力如圖7．

圖6 荷載-滑移曲線Fig.6 Load-slip curve

圖7 焊釘極限剪力值Fig.7 Ultimate shear value

從圖6中可以看出,單純受剪力作用和承受拉剪共同作用的條件下,焊釘荷載-滑移曲線在彈性階段基本重合,表明在此階段焊釘?shù)膭偠炔话l(fā)生變化．在彈塑性階段,焊釘承受的剪力呈非線性緩慢增加,單純受剪力作用的焊釘承載能力要優(yōu)于拉剪共同作用下的焊釘．并且,焊釘承受的拉拔力越大,焊釘就越早進(jìn)入彈塑性階段,焊釘?shù)臉O限承載能力越低．隨著拉拔力的增大,焊釘極限剪力值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)．通過(guò)表3計(jì)算可知,拉拔力對(duì)焊釘?shù)臉O限承載力影響較大,當(dāng)拉拔力分別為0.2Tu、0.4Tu和0.6Tu時(shí),焊釘?shù)臉O限剪力值與單純受剪相比分別下降了2.77%、11.66%和24.48%．

表3 焊釘極限剪力值Table 3 Ultimate shear value

2.2 焊釘拉剪承載力計(jì)算公式

焊釘拉剪極限承載力計(jì)算如圖8和表4．從圖8中可以看出,隨著拉力的增加,焊釘拉剪極限承載力呈現(xiàn)出非線性的下降,有限元計(jì)算值均位于建議計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果曲線附近,兩者吻合較好．有限元計(jì)算值與Takami和McMakin的建議公式計(jì)算結(jié)果較為接近,與Bode的建議公式計(jì)算結(jié)果偏差較大．從表4可以得知,有限元計(jì)算值與Takami和McMakin的建議公式計(jì)算結(jié)果最大偏差為6%,與Bode的建議公式計(jì)算結(jié)果最大偏差為27%．

圖8 焊釘拉剪極限承載力Fig.8 Ultimate carrying capacity under shear and tension loads

表4 焊釘拉剪極限承載力比較Table 4 Comparison of ultimate carrying capacity under shear and tension loads

2.3 焊釘應(yīng)力與變形

2.3.1 焊釘應(yīng)力

焊釘所受應(yīng)力如圖9,從左至右分別是拉拔力為0、0.2Tu、0.4Tu和0.6Tu時(shí)有限元計(jì)算的焊釘應(yīng)力極值圖．

圖9 焊釘應(yīng)力(單位：MPa)Fig.9 Stress of headed studs(unit：MPa)

表5為不同拉力作用下焊釘根部局部應(yīng)力值對(duì)比．

表5 不同拉力作用下焊釘根部應(yīng)力Table 5 Stress of headed studs under different tension loads MPa

從表5可以看出,隨著距離焊釘根部距離的增加,焊釘所受應(yīng)力逐漸減小,并且隨著拉拔力的增大,焊釘根部同一位置的應(yīng)力也相應(yīng)增大．從圖9可以看出,當(dāng)拉拔力為0時(shí),推出試驗(yàn)焊釘失效模式為焊釘根部發(fā)生剪切斷裂;當(dāng)拉剪組合作用時(shí),推出試驗(yàn)焊釘失效模式為焊釘根部頸縮和剪切斷裂．焊釘?shù)膽?yīng)力從根部到釘帽逐漸減小,并且隨著拉拔力的增大,焊釘內(nèi)部應(yīng)力分布趨于均勻,焊釘承擔(dān)荷載部位趨于整體性．

2.3.2 焊釘變形

焊釘變形如圖10,從左至右分別是拉拔力為0、0.2Tu、0.4Tu和0.6Tu時(shí)有限元計(jì)算的焊釘變形圖．從圖10可以看出,無(wú)論是單純承受剪力還是拉剪共同作用下,均是焊釘根部的變形最大,變形從焊釘根部到釘帽逐漸變小．并且拉拔力越大,焊釘?shù)念i縮變形越明顯,拉伸變形越大,焊釘越容易被剪斷．

圖10 焊釘變形(單位：mm)Fig.10 Deformation of headed studs(unit：mm)

焊釘與混凝土分離趨勢(shì)細(xì)部如圖11,從圖中可以看出,無(wú)論是單純承受剪力還是拉剪共同作用下,在推出試驗(yàn)中,焊釘與焊釘根部上方區(qū)域的混凝土發(fā)生分離,焊釘與焊釘根部下方區(qū)域與混凝土相擠壓,此處的混凝土應(yīng)力最集中也最大,最先被壓碎,這與試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合．

圖11 焊釘與混凝土分離圖Fig.11 Separation of headed studs and concrete

2.4 混凝土應(yīng)力與損傷

2.4.1 混凝土應(yīng)力

推出試件混凝土應(yīng)力如圖12,從圖中可以看出,在單純承受剪力的推出試驗(yàn)中,焊釘根部區(qū)域的混凝土應(yīng)力最大,最先屈服被壓碎．

圖12 混凝土應(yīng)力(單位：MPa)Fig.12 Stress of concrete(unit：MPa)

在剪力與拉拔力共同作用下,不僅焊釘根部區(qū)域混凝土存在應(yīng)力集中,釘帽與混凝土交界處也存在一定的應(yīng)力集中．隨著拉拔力的增大,焊釘根部和釘帽附近區(qū)域的混凝土應(yīng)力也同時(shí)增大,混凝土內(nèi)部應(yīng)力擴(kuò)散范圍也隨之逐漸增大．

2.4.2 混凝土損傷

混凝土損傷情況如圖13,焊釘根部附近混凝土損傷值見(jiàn)表6．從圖及表中可以看出,無(wú)論是單純承受剪力還是拉剪共同作用下,均是焊釘根部區(qū)域的混凝土損傷最嚴(yán)重．當(dāng)混凝土達(dá)到抗壓和抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土損傷值趨近于1,混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫,剛度下降,隨著荷載的進(jìn)一步增加,裂縫不斷擴(kuò)展,損傷不斷增加,直至混凝土被壓碎．隨著拉拔力的增加,焊釘根部的損傷區(qū)域逐漸擴(kuò)大,并且釘帽與混凝土相互作用區(qū)域的混凝土也出現(xiàn)不同程度的損傷．

圖13 混凝土損傷Fig.13 Damage of concrete

表6 焊釘根部附近混凝土損傷值Table 6 Damage value of concrete

3 結(jié)論

以焊釘剪力連接件為研究對(duì)象,采用非線性有限元的方法,對(duì)焊釘同時(shí)承受剪力和拉拔力的情況進(jìn)行受力性能分析,得到主要結(jié)論如下:

(1) 單純受剪力作用和承受拉剪共同作用的條件下,焊釘荷載-滑移曲線在彈性階段基本重合,焊釘?shù)膭偠茸兓^?。?/p>

(2) 焊釘承受的拉拔力越大,焊釘就越早進(jìn)入彈塑性階段,焊釘?shù)臉O限承載能力就越低．單純受剪力作用的焊釘承載能力要優(yōu)于拉剪共同作用下的焊釘,當(dāng)拉拔力分別為0.2Tu、0.4Tu和0.6Tu時(shí),焊釘?shù)臉O限剪力值與單純受剪相比分別下降了2.77%、11.66%和24.48%．

(3) 焊釘拉剪極限承載力有限元計(jì)算值與Takami和McMakin的建議公式計(jì)算結(jié)果較為接近,能夠反映焊釘?shù)恼鎸?shí)受力狀況．

(4) 拉剪組合作用時(shí),焊釘失效模式為焊釘根部頸縮和剪切斷裂,焊釘?shù)膽?yīng)力和變形從根部到釘帽逐漸減小．并且拉拔力越大,焊釘?shù)念i縮變形越明顯,拉伸變形越大,焊釘越容易被剪斷．

(5) 在剪力與拉拔力共同作用下,焊釘根部區(qū)域的混凝土應(yīng)力最為集中,釘帽與混凝土交界處也存在一定的應(yīng)力集中．隨著拉拔力的增大,焊釘根部和釘帽附近區(qū)域的混凝土應(yīng)力和損傷也同時(shí)增大,混凝土內(nèi)部應(yīng)力擴(kuò)散范圍也隨之逐漸增大．