剪力釘傾斜對(duì)其力學(xué)性能影響分析

張柳煜,金 鑫,蘇 舉,孫武云,黃樂(lè)州

(1.長(zhǎng)安大學(xué)橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)安大學(xué)，陜西 西安 710064；2.中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；3.云南武倘尋高速公路有限責(zé)任公司，云南 昆明 650000)

鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋梁是將鋼梁與混凝土橋面板通過(guò)抗剪連接件連接成整體共同受力的橋梁形式，剪力釘是鋼混組合結(jié)構(gòu)中非常重要的連接構(gòu)件，起到了抵抗鋼梁與混凝土之間的縱向剪力和防止鋼板與混凝土板掀起的作用，但由于構(gòu)件在加工，制作以及安裝的過(guò)程中存在的問(wèn)題，剪力釘連接件往往會(huì)出現(xiàn)尺寸偏差、剪力釘空洞、剪力釘傾斜等誤差，這些誤差往往對(duì)其力學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于剪力釘受力特性的研究主要通過(guò)拉拔及推出實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取剪力釘?shù)臉O限抗拉拔及抗剪承載力，對(duì)剪力釘?shù)南嚓P(guān)規(guī)范也是通過(guò)實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。20世紀(jì)50～60年代，美國(guó)工程師就對(duì)鋼-混組合梁和剪力連接件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[1-2]；90年代，Deric J.Oehlers[3]對(duì)在疲勞荷載作用下，剪力釘?shù)暮奢d滑移曲線(xiàn)和其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究，為之后剪力釘破壞機(jī)理的研究奠定了基礎(chǔ)；2000年胡夏閩[4]等人對(duì)剪力釘抗剪承載能力計(jì)算公式展開(kāi)了研究，給出了基于可靠度的剪力釘承載能力計(jì)算公式；2007年周偉翔[5]為了驗(yàn)證剪力釘抗剪承載能力計(jì)算公式的準(zhǔn)確性，將剪力釘連接件推出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退媒Y(jié)果與理論結(jié)果就進(jìn)行了對(duì)比研究；2015年藺釗飛[6-7]等人建立室內(nèi)縮尺推出模型試驗(yàn)，得出了可以防止鋼-混組合梁脆性破壞的有效措施，即控制剪力連接件的高徑比，控制混凝土的強(qiáng)度等；2017年李成君[8]等人設(shè)計(jì)了裝配式剪力釘?shù)牟贾梅绞?，通過(guò)推出試驗(yàn)對(duì)剪力釘?shù)幕菩阅苓M(jìn)行研究，為組合梁剪力釘設(shè)計(jì)提供了參考；2018年甘屹東[9]等人進(jìn)行靜力推出試驗(yàn)，研究鋼與超高性能混凝土之間焊接抗剪連接件的抗剪性能，并結(jié)合工程背景研究了布置方式對(duì)其的影響。

本文首先通過(guò)通用有限元分析軟件abaqus，選用合理的參數(shù)，來(lái)模擬剪力釘連接件的拉拔及推出實(shí)驗(yàn)，并與相關(guān)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證本文所采用的材料本構(gòu)關(guān)系、參數(shù)取值及有限元模擬方法的可靠性和精確性，然后以有限元分析為基礎(chǔ)，建立不同的工況，研究剪力釘傾斜對(duì)其力學(xué)性能的影響，為制定剪力釘?shù)牡脑O(shè)計(jì)和施工誤差控制范圍提供了參考。

1 有限元模型建立

本文通過(guò)通用有限元軟件ABAQUS建立仿真模型，采用C3D8R實(shí)體單元，混凝土材料參數(shù)如下：Ec為34 500 MPa,Fck為32.4 MPa，F(xiàn)tk為2.64 MPa，ν為0.2，混凝土本構(gòu)采用ABAQUS損傷塑性模型[10]?；炷晾瓑簯?yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖1、圖2所示。

圖1 混凝土受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

圖2 混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

剪力釘?shù)谋緲?gòu)模型選用雙折線(xiàn)模型，不考慮剛度退化[11，12]，材料強(qiáng)度根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果選取[3]，其余相關(guān)參數(shù)依據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]選取，見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)Table1 MaterialparametersE/GPafy/MPafu/MPaν剪力釘2064205190.31鋼梁2063450.31鋼筋2064000.31

有限元模型及網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3，剪力釘與其周?chē)嘟佑|的混凝土采用硬接觸，并進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，以提高計(jì)算精度。有限元計(jì)算中，忽略了混凝土與鋼板之間的切向摩擦力，僅考慮法向的相互作用。

圖3 剪力釘試驗(yàn)數(shù)值分析模型

2 剪力釘模型驗(yàn)證

2.1 剪力釘連接件拉拔試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證

本文選擇直徑為22 mm，長(zhǎng)度為100 mm(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Φ22×100)剪力釘模型，及直徑為22 mm，長(zhǎng)度為300 mm(以下簡(jiǎn)稱(chēng)Φ22×300)剪力釘模型進(jìn)行拉拔試驗(yàn)有限元模擬，繪制以剝離量為橫坐標(biāo)，荷載大小為縱坐標(biāo)的荷載剝離曲線(xiàn)，分析剪力釘?shù)目估涡阅埽⒛M結(jié)果與周偉翔[5]進(jìn)行的剪力釘拉拔實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。剪力釘拔出試驗(yàn)試件尺寸見(jiàn)圖4。

(a)立面圖

Φ22×100剪力釘試件及Φ22×300剪力釘試件有限元模擬剪力釘荷載-剝離曲線(xiàn)與文獻(xiàn)[3]對(duì)比結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 Φ22×100剪力釘荷載-剝離曲線(xiàn)

圖6 Φ22×300剪力釘荷載-剝離曲線(xiàn)

由圖5可知，在彈性階段，Φ22×100剪力釘有限元模擬的結(jié)果與試件結(jié)果曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致，抗剪剛度隨著荷載的增加而逐漸減小，仿真結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果先進(jìn)入塑性階段，在文獻(xiàn)試驗(yàn)中，剪力釘極限抗拉拔承載力為155.3 kN，而仿真結(jié)果僅比試驗(yàn)結(jié)果大4.1%。

由圖7可知，在彈性階段，Φ22×300 剪力釘有限元模擬的結(jié)果與試件結(jié)果曲線(xiàn)變化趨勢(shì)基本一致，其破壞形式為剪力釘被拉斷破壞，但由于在試驗(yàn)的過(guò)程中，很難對(duì)試件進(jìn)行軸心受拉，實(shí)際試件會(huì)受到拉彎作用，因此有限元模擬的剪力釘抗拉極限承載能力比試驗(yàn)結(jié)果要略大。

用有限元模擬的剪力釘拉拔試驗(yàn)荷載-剝離曲線(xiàn)能較好地反映剪力釘?shù)睦闻c破壞過(guò)程，與試驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)相比，整體的發(fā)展規(guī)律相近，證明了有限元模擬結(jié)果是可取的，因此下文以該拉拔試驗(yàn)有限元模擬為基礎(chǔ)，分析剪力釘傾斜對(duì)其抗拉拔性能的影響。

2.2 剪力釘連接件推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷尿?yàn)證

本文在封博文[14]等人靜載推出試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇Φ22×300剪力釘試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行推出試驗(yàn)有限元模擬，對(duì)剪力釘抗剪性能進(jìn)行有限元分析。圖7為仿真模型的尺寸圖，剪力釘荷載-滑移曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果如圖8所示。

2.2 3組術(shù)前、術(shù)后血紅蛋白的比較 A、B、C 3組血紅蛋白術(shù)后各時(shí)點(diǎn)均較術(shù)前明顯升高，3組間術(shù)后3個(gè)月隨訪(fǎng)血紅蛋白差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)，術(shù)后6、12個(gè)月B、C組血紅蛋白明顯高于A(yíng)組，3組間差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。見(jiàn)表3。

(a)立面圖

圖8 Φ22×200剪力釘荷載-滑移曲線(xiàn)

由圖8可得，有限元模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)基本一致，二者極限抗剪承載力相對(duì)誤差僅有3.3%，相對(duì)滑移量也相差不大，說(shuō)明有限元模擬的結(jié)果較為準(zhǔn)確，下文以該有限元模擬為基礎(chǔ)，分析剪力釘傾斜對(duì)其抗剪性能的影響。

3 剪力釘傾斜對(duì)拉拔性能的影響

剪力釘在施工、焊接以及拼裝的過(guò)程中，不可避免會(huì)產(chǎn)生一定的傾斜，本文運(yùn)用單因素敏感性分析法，分不同工況，針對(duì)不同傾斜角度，通過(guò)有限元模擬剪力釘?shù)陌纬鲈囼?yàn)，研究剪力釘傾斜對(duì)其拉拔性能的影響。仿真模擬采用C50混凝土，直徑22 mm，長(zhǎng)度150 mm的Φ22×150剪力釘。各工況傾斜角度有：工況1為0°，工況2為5°，工況3為10°，工況4為20°，工況5為30°，工況6為40°，工況7為50°。不同傾角的剪力釘剝離量曲線(xiàn)如圖9所示、不同傾角的剪力釘荷載-剝離曲線(xiàn)如圖10所示、不同傾角的剪力釘極限抗拔承載力變化曲線(xiàn)如圖11所示。

圖9 不同傾角剪力釘剝離量曲線(xiàn)

圖10 不同傾角剪力釘荷載-剝離曲線(xiàn)

圖11 不同傾角剪力釘極限抗拔承載力曲線(xiàn)

由圖9可得，剪力釘剝離量隨著傾斜角度的增大先增大后減小，從0°～5°降低的最快，30°時(shí)降低到谷值。傾斜角度為5°～40°時(shí)，其剝離量分別降低了24.5%，36.0%，38.4%，39.9%，25.6%，傾斜角度為50°時(shí)，剝離量增高了43.1%。

由圖10可得，不同傾斜角度剪力釘荷載剝離曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)一樣，隨著傾斜角度的增大，同一剝離量對(duì)應(yīng)的荷載大小減小，因此傾斜角度的不同僅對(duì)剪力釘極限抗拉承載力和對(duì)應(yīng)的剝離量有影響。

由圖11可得，隨著剪力釘傾斜角度的增大，其極限抗拉拔承載力不斷下降，且下降幅度越來(lái)越大，當(dāng)傾斜角度為50°時(shí)，剪力釘?shù)臉O限抗拉承載力降低了70%，說(shuō)明剪力釘?shù)目拱纬休d力對(duì)傾斜角度的變化較為敏感。

由有限元模擬結(jié)果可得，剪力釘傾斜時(shí)其拔出試驗(yàn)的破壞形態(tài)均為混凝土破壞。當(dāng)剪力釘傾斜角度大于5°時(shí)，剪力釘?shù)钠茐男螒B(tài)為脆性破壞，無(wú)明顯的塑性變形，對(duì)結(jié)構(gòu)危害較大，應(yīng)該避免。通過(guò)剪力釘抗拉承載力和和破壞模式對(duì)剪力釘傾斜角度的敏感程度分析可知，為了避免剪力釘抗拉拔承載能力大幅降低以及剪力釘?shù)拇嘈云茐?，在施工過(guò)程中應(yīng)該將剪力釘?shù)膬A斜角度控制在5°以?xún)?nèi)。

4 剪力釘傾斜對(duì)抗剪性能的影響

為研究剪力釘傾斜對(duì)其抗剪性能的影響，本文分不同工況，針對(duì)不同的推出方式(順推：使得剪力釘根部混凝土受壓區(qū)增大；逆推：使得剪力釘根部混凝土受壓區(qū)減小)，通過(guò)有限元模擬減小不同傾斜角度的剪力釘推出試驗(yàn)。仿真模擬采用C50混凝土，Φ22×200剪力釘。工況編號(hào)見(jiàn)表2。順推時(shí)剪力釘抗剪荷載滑移曲線(xiàn)見(jiàn)圖12，逆推時(shí)剪力釘抗剪荷載滑移曲線(xiàn)見(jiàn)圖13，抗剪承載力變化曲線(xiàn)和對(duì)應(yīng)滑移量變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖14、圖15所示。

圖15 滑移量隨傾斜角度變化折線(xiàn)圖

表2 剪力釘傾斜工況參數(shù)表Table2 TiltingconditionofShearstud傾斜角度順推工況逆推工況0°工況1-0工況2-05°工況1-1工況2-110°工況1-2工況2-215°工況1-3工況2-320°工況1-4工況2-425°工況1-5工況2-530°工況1-6工況2-635°工況1-7工況2-740°工況1-8工況2-845°工況1-9工況2-950°工況1-10工況2-10

圖12 順推剪力釘荷載-滑移曲線(xiàn)

由圖12、圖13可知，隨著傾斜角度和推出方式的變化，剪力釘?shù)暮奢d滑移曲線(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)變化不大，但是剪力釘極限抗剪承載力和對(duì)應(yīng)的截面滑移量大小對(duì)傾斜角度的變化較敏感。

圖13 逆推剪力剪荷載-滑移曲線(xiàn)

圖14 抗剪承載力隨傾斜角度變化折線(xiàn)圖

逆推時(shí)，剪力釘抗剪極限承載能力大體隨著傾斜角度的增加先減小后增大。當(dāng)傾斜角度為5°時(shí)，略有增加，相較于垂直狀態(tài)增加了0.2%；當(dāng)傾斜角度為20°時(shí)，剪力釘極限抗剪承載能力最小，相較于垂直狀態(tài)，降低了10.6%。由圖10可知，當(dāng)剪力釘?shù)膬A斜角度控制10°以上時(shí)，順推相較于逆推更有利。

由圖15可知：對(duì)于順推，剪力釘極限抗剪承載力對(duì)應(yīng)滑移量大體隨著傾斜角度的增加而減小，5°～25°之間，降低的速度最快，25°之后，降速變緩，滑移量也逐漸收斂。到40°時(shí)，剪力釘抗剪承載力最低，相比于垂直狀態(tài)降低了47%。對(duì)于逆推，界面滑移量變化趨勢(shì)較復(fù)雜，變化幅度較小，剪力釘極限抗剪承載力對(duì)應(yīng)滑移量大體隨著傾斜角度的增加先減小后增大。

不同傾斜角度和不同推出方向下，剪力釘?shù)氖芰π螒B(tài)和破壞模式不同，因此剪力釘?shù)臉O限抗剪承載能力和對(duì)應(yīng)的滑移量會(huì)呈現(xiàn)上述的規(guī)律。表3給出了不同傾斜角度和不同推出方向的剪力釘?shù)钠茐男螒B(tài)。

表3 結(jié)構(gòu)破壞形態(tài)Table3 Structuralfailurepatterns傾斜角度順推逆推 0°剪力釘剪斷剪力釘剪斷 5°剪力釘剪斷剪力釘剪斷10°剪力釘剪斷混凝土壓碎15°剪力釘剪斷混凝土壓碎20°剪力釘剪斷混凝土壓碎25°剪力釘剪斷混凝土壓碎30°剪力釘剪斷混凝土壓碎35°剪力釘剪斷混凝土壓碎40°剪力釘剪斷混凝土壓碎45°剪力釘剪斷剪力釘剪斷50°剪力釘剪斷剪力釘剪斷

當(dāng)剪力釘垂直狀態(tài)時(shí)，剪力釘?shù)钠茐男螒B(tài)為剪力釘根部被剪斷破壞，其抗剪承載力主要由材料的抗拉強(qiáng)度和剪力釘?shù)慕孛娣e控制，順推時(shí)，當(dāng)剪力釘發(fā)生傾斜，與剪力釘接觸的混凝土的受壓區(qū)域面積增大，對(duì)于剪力釘?shù)目辜羰怯欣模虼?，剪力釘傾斜會(huì)增加剪力釘?shù)目辜舫休d力，但是剪力釘一旦發(fā)生傾斜，在抗剪的同時(shí)，也將承擔(dān)更大的軸向拉力，因此剪力釘?shù)乃苄誀顟B(tài)來(lái)的更早，破壞也提前。

逆推時(shí)，剪力釘根部接觸的混凝土受壓區(qū)域會(huì)因?yàn)榧袅︶數(shù)膬A斜角度增大而減小，這對(duì)于剪力釘抗剪是不利的，但當(dāng)傾斜角度較小時(shí)(5°左右)，剪力釘?shù)目辜舫休d力主要還是受材料的抗拉強(qiáng)度和剪力釘?shù)慕孛娣e控制，其抗剪承載力降低程度不大，破壞形式依舊為剪力釘剪斷破壞；當(dāng)傾斜角度不斷增大(20°左右)，此時(shí)混凝土的受壓區(qū)域不斷減小，對(duì)剪力釘?shù)目辜粲绊戄^大，破壞形式也變?yōu)榛炷翂核槠茐?；?dāng)傾斜角度繼續(xù)增大時(shí)，剪力釘所受的軸向壓力不斷增大，與剪力釘根部接觸的混凝土所受的壓力不斷減小，一定程度上提高了剪力釘抗剪承載力，此時(shí)破壞形態(tài)變?yōu)榧袅︶敿魯嗥茐摹?/p>

剪力釘?shù)膬A斜角度對(duì)剪力釘抗剪承載力以及破壞形態(tài)影響影響較大，在施工中因充分考慮剪力釘傾斜角度的誤差。由上述分析可知，當(dāng)剪力釘傾斜角度在5°以?xún)?nèi)時(shí)，剪力釘抗剪承載力變化較小，且剪力釘破壞形態(tài)也沒(méi)有改變，因此從抗剪性能角度出發(fā)，在施工過(guò)程中應(yīng)將剪力釘?shù)膬A斜角度控制在5°以?xún)?nèi)。

5 結(jié)論

a.通過(guò)ABAQUS軟件能較為精確地模擬出剪力釘?shù)目估螌?shí)驗(yàn)以及抗推出實(shí)驗(yàn)。

b.拉拔實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭?，隨著傾斜角度的增大，剪力釘?shù)目估纬休d力逐漸減小，其對(duì)應(yīng)剝離量先增大后減小，不同傾斜角度的剪力釘拔出實(shí)驗(yàn)破壞形態(tài)均為混凝土破壞。

c.推出實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校樛茣r(shí)，剪力釘傾斜會(huì)使混凝土受壓區(qū)域增大，有利于剪力釘抗剪。隨著傾斜角度的增大，剪力釘變化的大體趨勢(shì)是極限抗剪承載力增大，對(duì)應(yīng)的滑移量減小。

d.逆推時(shí)，剪力釘傾斜會(huì)減小混凝土的受壓，這對(duì)于剪力釘抗剪是不利的。隨著傾斜角度的增加，剪力釘破壞形態(tài)從剪力釘剪斷破壞變?yōu)榛炷翂核槠茐脑僮優(yōu)榧袅︶敿魯嗥茐?，極限抗剪承載力和對(duì)應(yīng)滑移量的大體變化趨勢(shì)為先略微增加后減小再增加。

e.由剪力釘傾斜對(duì)其抗拔承載能力以及抗剪承載能力的影響，建議施工過(guò)程中將剪力釘傾斜角度的誤差控制在5°以?xún)?nèi)。