波形鋼腹板組合箱梁帶栓釘埋入式抗剪連接件承載力推出試驗(yàn)及有限元模擬分析研究

胡 鋒，劉曉東，袁陽(yáng)光，韓萬(wàn)水，許 昕，王俊峰

(1. 河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南，鄭州 450006；2. 長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西，西安 710064；3. 西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西，西安 710055)

鋼混組合結(jié)構(gòu)因其輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到了廣泛的推廣應(yīng)用。其中，抗剪連接件是保證鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件有效連接的關(guān)鍵構(gòu)件，鑒于此，抗剪連接件的設(shè)計(jì)多取決于組合截面的具體形式，做到因地制宜。抗剪連接件的連接作用對(duì)組合截面受力性能影響顯著，在應(yīng)用之前，必須借助試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬等手段對(duì)其抗剪承載能力展開深入研究[1-2]。

截止目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已針對(duì)不同截面設(shè)計(jì)下的不同力學(xué)需求，設(shè)計(jì)并研究了不同類型抗剪連接件的力學(xué)性能[3]?？辜暨B接件力學(xué)性能及抗剪承載力的研究多借助推出試驗(yàn)展開，通過(guò)對(duì)代表性部位荷載-位移曲線的分析探究連接件的抗剪性能及極限承載力[4-5]。與此同時(shí)，研究人員亦通過(guò)試驗(yàn)的開展探究了各類連接件在結(jié)構(gòu)中的傳力機(jī)理及主要部件參數(shù)對(duì)抗剪性能的影響，并建立了相應(yīng)的抗剪承載力計(jì)算方法[6-8]。盡管關(guān)于抗剪連接件的研究成果積累日漸深厚，但新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念的提出及發(fā)展對(duì)抗剪連接件不斷地提出了新的要求，例如，針對(duì)新型鋼混組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，楊飛等[9]研究了一種新型鋼混螺栓連接件的力學(xué)性能，賀君等[10]提出了一種可拆卸開孔鋼管連接件。

近年來(lái)，波形鋼腹板組合箱梁的應(yīng)用逐漸廣泛，國(guó)內(nèi)外研究人員亦針對(duì)該類結(jié)構(gòu)形式的受力要求設(shè)計(jì)并研究了不同類型抗剪連接件的力學(xué)性能[11-14]。該類研究成果為波形鋼腹板組合箱梁設(shè)計(jì)建造提供了豐富的成果支撐。然而，在具體的工程應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，盡管某些連接件傳力機(jī)理明確、抗剪性能良好，但對(duì)施工工藝要求較高，而連接件的應(yīng)用效果往往因施工質(zhì)量難以保障而大打折扣。因此，在多數(shù)情況下，仍需結(jié)合主梁結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造形式，對(duì)抗剪連接件的構(gòu)造形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)傳力機(jī)理、施工簡(jiǎn)便性、施工質(zhì)量等的綜合權(quán)衡，最終提升應(yīng)用效果。

在此，為滿足一座波形鋼腹板部分斜拉橋建設(shè)中施工質(zhì)量及鋼混結(jié)構(gòu)連接處抗剪承載力的要求，對(duì)現(xiàn)有連接件進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)選，并選擇了栓釘進(jìn)行了嘗試性施工，但受限于主梁構(gòu)造，存在鋼混連接處施工質(zhì)量難以把控等問(wèn)題。故結(jié)合現(xiàn)有抗剪連接件的研究基礎(chǔ)及成果，設(shè)計(jì)并提出了一種新的抗剪連接件。抗剪連接件的具體形式為混凝土頂?shù)装迮c波形鋼腹板之間采用埋入式連接，埋入混凝土段的鋼腹板設(shè)置開孔并于孔內(nèi)貫穿鋼筋，同時(shí)在圓孔與混凝土板之間增加栓釘連接以提高其抗剪能力，該連接件屬于鋼混界面連接形式。首先，通過(guò)推出試件的設(shè)計(jì)及推出試驗(yàn)的開展，研究其抗剪性能及試件的破壞形式；然后，探究該類抗剪連接件推出試驗(yàn)的數(shù)值模擬方法，并聯(lián)合試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)其抗剪承載力影響因素進(jìn)行分析，具體包括栓釘焊接位置的影響以及的開孔位置影響；最后，結(jié)合帶栓釘埋入式抗剪連接件的承載機(jī)理與特點(diǎn)，通過(guò)理論分析建立該類抗剪連接件承載力的近似計(jì)算方法，并對(duì)計(jì)算方法的適用性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 帶栓釘埋入式抗剪連接件設(shè)計(jì)工程背景

帶栓釘埋入式抗剪連接件的設(shè)計(jì)應(yīng)用工程背景為朝陽(yáng)溝波形鋼腹板組合箱梁部分斜拉橋。圖1(a)給出了該橋梁的總體布置，橋梁跨徑布置為58 m+118 m+188 m+108 m，橋梁總長(zhǎng)472 m，為波形鋼腹板預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁部分斜拉橋體系，結(jié)構(gòu)體系采用連續(xù)-剛構(gòu)形式，橋面總寬35 m。圖1(b)給出了主梁的典型斷面形式。

圖1 朝陽(yáng)溝大橋總體信息Fig. 1 General information of Chaoyanggou Bridge

在朝陽(yáng)溝大橋建設(shè)過(guò)程中，抗剪連接件主要用于主梁波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接，不僅能夠傳遞混凝土與鋼梁之間的縱向剪切力，還需抵抗使兩者分離的掀起作用?？辜暨B接件的選型主要基于兩種考慮：1) 波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装逯g的連接效果；2) 施工的便捷性及施工質(zhì)量。建設(shè)之初，在以上兩種考慮的基礎(chǔ)上對(duì)現(xiàn)有鋼混組合橋梁連接件進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)選，并選擇了栓釘連接件進(jìn)行嘗試性施工，但結(jié)果發(fā)現(xiàn)采用栓釘連接件作為朝陽(yáng)溝大橋波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接構(gòu)造時(shí)，受制于主梁構(gòu)造等原因，存在施工質(zhì)量難以把控、多數(shù)位置混凝土難以澆筑密實(shí)等問(wèn)題，尤其是波形鋼腹板與混凝土頂板的連接處。

鑒于栓釘連接件在第一次施工中存在的問(wèn)題，以及對(duì)連接效果、施工質(zhì)量等的綜合考慮，在現(xiàn)有抗剪連接件研究成果的基礎(chǔ)之上[15-16]，針對(duì)該橋梁主梁波形鋼腹板與混凝土頂、底板的連接特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種新的帶栓釘埋入式抗剪連接件，并將其應(yīng)用于波形鋼腹板與混凝土頂?shù)装宓倪B接。

2 帶栓釘埋入式抗剪連接件推出試驗(yàn)

2.1 帶栓釘埋入式連接件及推出試件制作

帶栓釘埋入式抗剪連接件的具體構(gòu)造特征為：1) 混凝土頂?shù)装迮c波形鋼腹板之間采用埋入式連接，深入混凝土中的鋼腹板設(shè)置間距15 cm的圓孔，孔內(nèi)貫穿鋼筋直徑為28 mm；2) 圓孔與混凝土板之間同時(shí)增加栓釘連接；3) 波形鋼板埋入混凝土板的深度為30 cm，端部沿縱向增焊兩根直徑28 mm 的約束鋼筋。另外，在工程中，波形板開孔的間距一般固定，栓釘交替焊接在波形板直板的內(nèi)外側(cè)，在波形板兩側(cè)都焊接有約束鋼筋。從構(gòu)造特征方面說(shuō)，帶栓釘埋入式抗剪連接件本質(zhì)上屬于一種綜合性的鋼混界面連接形式，連接件的具體構(gòu)造如圖2 所示。

圖2 帶栓釘埋入式抗剪連接件構(gòu)造信息Fig. 2 Structural information of embedded shear connector with studs

為研究帶栓釘埋入式抗剪連接件的受力性能及抗剪承載力，設(shè)計(jì)如圖3(a)～圖3(b)所示的推出試件以開展推出試驗(yàn)。推出試件中各部位的命名及波形鋼板的幾何尺寸如圖3(c)。為探究開孔位置、栓釘焊接位置等對(duì)該類連接件抗剪承載力的影響情況，根據(jù)圖3 進(jìn)行局部調(diào)整，按照不同的開孔位置、不同的栓釘焊接位置制作6 種不同類型的推出試件，每種類型推出試件開展4～5 個(gè)平行試驗(yàn)，共計(jì)26 個(gè)試件，試件具體信息如表1 所示。其中，混凝土標(biāo)號(hào)為C50，波形鋼板及工字鋼采用Q345D 級(jí)板材，約束鋼筋為HRB400 級(jí)普通鋼筋，栓釘型號(hào)為ML15。圖4 給出了推出試件的現(xiàn)場(chǎng)制作過(guò)程，關(guān)鍵步驟為模板架設(shè)、混凝土澆筑及混凝土養(yǎng)護(hù)完成后模板拆除。

圖3 帶栓釘埋入式抗剪連接件推出試驗(yàn)試件設(shè)計(jì) /mmFig. 3 Design of specimen of embedded shear connector with studs used for push-out tests

圖4 推出試件制作Fig. 4 Fabrication of push-out test specimens

表1 推出試驗(yàn)試件情況Table 1 Details of specimens for push-out tests

2.2 推出試驗(yàn)加載方式及測(cè)點(diǎn)布置

本次試驗(yàn)主要采集作用于推出試件上的荷載以及推出試件混凝土板和加載用鋼板之間的相對(duì)滑移。為保證加載過(guò)程中對(duì)加載量級(jí)的精準(zhǔn)控制，采用電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)推出試驗(yàn)加載，在工字鋼頂部安放球鉸支座以保證均勻傳力，單個(gè)推出試件中包含兩側(cè)兩個(gè)帶栓釘埋入式波形板抗剪連接件，試驗(yàn)過(guò)程中萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(上海華龍WDW-1000)對(duì)工字鋼進(jìn)行加載，單個(gè)連接件所承受荷載為實(shí)際加載量值的1/2，加載布置如圖5所示。在加載量值達(dá)到500 kN 之前，以25 kN 為一個(gè)加載量級(jí)，加載量值超過(guò)500 kN 之后，減小每一級(jí)加載步長(zhǎng)至10 kN～20 kN，根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行加載步長(zhǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)整，荷載-位移曲線開始下降之后，以位移控制加載，盡可能多地采集下降段加載數(shù)據(jù)信息。為測(cè)試推出試驗(yàn)過(guò)程中代表性位置的位移，在波形鋼板左右兩側(cè)各布設(shè)三個(gè)位移傳感器(長(zhǎng)沙金碼JMDL-3150AT)，測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。推出試驗(yàn)開展過(guò)程中，記錄代表性位置位移水平、混凝土表面的裂紋發(fā)展情況以及每一級(jí)荷載下的推出試件外觀形態(tài)。根據(jù)所記錄的位移繪制荷載-位移變化曲線，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集。

圖5 位移傳感器及加載裝置布置Fig. 5 Layout of displacement sensors and loading device

2.3 推出試件荷載-位移曲線

6 種類型推出試件的試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示，其中開裂荷載對(duì)應(yīng)于混凝土板出現(xiàn)斜裂縫時(shí)的荷載，由表2 可知：1) 推出試件的最終失效模式均為混凝土板劈裂破壞；2) 栓釘焊接于直板外側(cè)的試件破壞時(shí)均伴隨有栓釘被剪斷，焊接于直板內(nèi)側(cè)的試件破壞時(shí)栓釘均未被剪斷；3) 栓釘在直板外側(cè)焊接時(shí)的極限承載力、極限滑移、開裂荷載等均大于栓釘在直板內(nèi)側(cè)焊接的情況；4) 開孔位置位于直板時(shí)推出試件抗剪極限承載力最大，其次為開孔位于上折板的推出試件，開孔位置位于下折板時(shí)推出試件抗剪極限承載力最小。

表2 推出試驗(yàn)關(guān)鍵試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Key experimental results of push-out tests

限于篇幅，圖6 給出了6 種試件類型的其中一個(gè)構(gòu)件在推出試驗(yàn)過(guò)程中記錄的荷載-位移曲線，由圖6 可知：帶栓釘埋入式抗剪連接件上折板、直板及下折板的荷載-位移曲線特征明顯不同，上折板荷載-位移曲線具有明顯的強(qiáng)化階段，下折板荷載-位移曲線幾乎不存在強(qiáng)化階段，位移達(dá)到最大水平時(shí)即進(jìn)入下降階段，而直板處荷載-位移曲線特征介于上折板與下折板之間，存在一定的強(qiáng)化階段。

圖6 不同類型推出試件代表性位置荷載-位移曲線Fig. 6 Load-deflection curves of representative positions of different kinds of push-out test specimens

2.4 推出試件破壞全過(guò)程分析

為分析推出試件的全過(guò)程破壞特征，首先對(duì)推出試件各平面進(jìn)行定義，具體如圖7 所示。根據(jù)推出試件試驗(yàn)全過(guò)程的試驗(yàn)現(xiàn)象及與之對(duì)應(yīng)的加載量級(jí)，對(duì)該類連接件的試驗(yàn)全過(guò)程現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)如下：

圖7 推出試驗(yàn)的試件混凝土板各表面定義Fig. 7 Definition of concrete surfaces of push-out test specimen

1) 加載量值介于0 倍～0.8 倍極限承載力：試件變形較小，最大位移介于0.6 mm～1.0 mm，位移與荷載近似呈線性變化關(guān)系，混凝土板未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；

2) 加載量值介于0.8 倍～1.0 倍極限承載力：首先在面D 中部產(chǎn)生寬度較小的裂縫，裂縫幾何輪廓與嵌入的波形鋼板輪廓接近，如圖8(a)，此后，位移增長(zhǎng)速度加快，隨著加載量值的繼續(xù)增加，面B 出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫寬度逐漸增大并發(fā)展至貫通，如圖8(b)，與此同時(shí)，面C 出現(xiàn)斜裂縫且與水平向夾角約為45°，裂縫的數(shù)量隨加載量值的增大而增加，如圖8(c)～圖8(d)，面E 與波形鋼板對(duì)應(yīng)位置處出現(xiàn)橫向裂縫，如圖8(e)，當(dāng)荷載增大至連接件極限抗剪承載力時(shí)，混凝土板外側(cè)面、頂面橫向及內(nèi)側(cè)面裂縫貫通，混凝土被波形板劈裂，發(fā)生劈裂破壞，波形板產(chǎn)生變形，如圖8(g)、圖8(h)所示，開孔中混凝土被壓碎，貫穿鋼筋沒(méi)有剪斷。焊接在波折板外側(cè)的栓釘被剪斷，焊接在波折板內(nèi)測(cè)的栓釘未被剪斷，剪斷栓釘如圖8(i)所示；

3) 加載量值超過(guò)1.0 倍極限承載力：較小的加載量值產(chǎn)生較大的位移，各混凝土面內(nèi)裂縫持續(xù)發(fā)展，直至試件破壞，如圖8(f)，但由于混凝土內(nèi)普通構(gòu)造鋼筋未被剪斷，混凝土板雖然被劈裂但仍具有一定的承載能力。

圖8 帶栓釘埋入式抗剪連接件推出試件破壞過(guò)程Fig. 8 Destruction procedure of embedded shear connectors with studs in push-out test

通過(guò)對(duì)試件破壞全過(guò)程試驗(yàn)現(xiàn)象的總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)：帶栓釘埋入式抗剪連接件混凝土開裂及主裂縫的形成與發(fā)展均在荷載水平達(dá)到0.8 倍極限承載力之后。

3 推出試驗(yàn)全過(guò)程有限元模擬

3.1 有限元模擬方法

為實(shí)現(xiàn)推出試件全過(guò)程有限元模擬，并借助模擬結(jié)果闡釋推出試件受力與破壞機(jī)理，采用ANSYS Workbench 建立非線性有限元模擬方法，為減少計(jì)算工作量，有限元模擬僅針對(duì)受力完全相同的推出試驗(yàn)試件1/2 模型。采用粘結(jié)形式模擬混凝土與深入其中的波形鋼板之間的連接，在波折板和混凝土接觸的區(qū)域建立接觸對(duì)，分析過(guò)程中認(rèn)為只要二者保持接觸，接觸面之間的摩擦力便一直存在，根據(jù)相關(guān)研究成果，界面摩擦系數(shù)取為0.25[17-18]。波形鋼板開孔表面、栓釘表面與混凝土之間的約束條件通過(guò)綁定形式實(shí)現(xiàn)，即忽略相對(duì)滑移，采用共節(jié)點(diǎn)的形式模擬混凝土和貫穿鋼筋之間的約束，鋼筋與混凝土之間的其他界面聯(lián)系采用嵌入式約束予以模擬[19-21]。采用Solid65單元模擬混凝土、栓釘，采用Link8 單元模擬鋼筋，采用Shell43 單元模擬波形鋼板及工字鋼。

根據(jù)推出試驗(yàn)開展之前所進(jìn)行的材料試驗(yàn)并聯(lián)系已有相關(guān)研究確定波形鋼板、栓釘、混凝土板、普通鋼筋及工字鋼的本構(gòu)模型。其中，波形鋼板采用單折線本構(gòu)模型，如圖9(a)，彈性模量與泊松比分別為2.1×105MPa、0.3[22]。栓釘采用帶有強(qiáng)化階段的雙折線本構(gòu)模型，如圖9(b)，屈服強(qiáng)度為350 MPa，極限強(qiáng)度為450 MPa，極限應(yīng)變?yōu)?.012[23]。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010-2015)確定受壓狀態(tài)及受拉狀態(tài)的混凝土本構(gòu)模型，如圖9(c)～圖9(d)所示，混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為32.4 MPa，對(duì)應(yīng)壓應(yīng)變?yōu)?.002。貫穿鋼筋及約束鋼筋采用單折線本構(gòu)模型，如圖9(e)，彈性模量、屈服強(qiáng)度及泊松比分別為2.1×105MPa、400 MPa與0.3。考慮到工字鋼剛度較大且在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中均處于彈性階段，故將其模擬為彈性材料，彈性模量為2.1×105MPa。根據(jù)以上分析，采用ANSYS Workbench 建立各組推出試件的1/2 有限元模擬，圖10 給出了栓釘在直板外側(cè)焊接時(shí)的有限元模型。

圖9 材料本構(gòu)模型Fig. 9 Constitutive models of materials

圖10 推出試件有限元1/2 模型Fig. 10 Finite element model of push-out test specimen

3.2 模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

采用所建立的推出試件模型對(duì)各類型試件推出試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行有限元模擬，并將模擬得到的荷載-位移曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比，表3 給出了推出試驗(yàn)有限元模擬得到的各類型試件極限承載力及其與推出試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果平均水平的相對(duì)誤差，可見(jiàn)有限元模擬與推出試驗(yàn)極限承載力相對(duì)誤差均未超過(guò)3.63%，圖11 以KJ-C-1、KJ-C-2 兩種類型的試件為例，給出了上、下折板荷載-位移曲線的對(duì)比，可見(jiàn)，有限元模擬得到的荷載-位移曲線與測(cè)試結(jié)果曲線吻合良好?？梢哉J(rèn)為，所建立的有限元模擬方法能夠較好地模擬推出試件在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中的力學(xué)行為。

圖11 有限元模擬與推出試驗(yàn)荷載-位移曲線對(duì)比Fig. 11 Load-deflection curves comparison between finite element simulation and push-out test

表3 推出試驗(yàn)有限元模擬結(jié)果及與測(cè)試結(jié)果對(duì)比Table 3 Finite element simulation results and comparison with test results

另外，為了研究試件的承載能力機(jī)理，在有限元模擬中增加了FE-A-3、FE-B-3、FE-C-3、FED-3 工況，如表3 所示。圖12 給出了極限狀態(tài)時(shí)混凝土板的拉應(yīng)力分布云圖，可見(jiàn)拉應(yīng)力水平較高區(qū)域能夠與圖8 中主要裂縫分布形態(tài)相吻合，具體如面D 中豎向斜裂縫、面E 中橫向裂縫、面B 與波形鋼板等高度處的水平裂縫以及面C 中的45°斜裂縫等。

圖12 混凝土板拉應(yīng)力分布云圖 /MPaFig. 12 Tensile stress distribution of concrete slab

3.3 基于有限元模擬的推出試件受力及破壞機(jī)理分析

采用所建立的推出試驗(yàn)有限元模擬方法及模擬結(jié)果，對(duì)推出試件的受力及破壞機(jī)理進(jìn)行分析。圖13 為開孔位置處混凝土變形圖。在加載過(guò)程中，混凝土板呈現(xiàn)前傾的趨勢(shì)，導(dǎo)致混凝土板背面波折板底面位置處出現(xiàn)橫向裂縫。被波形板和接合鋼筋包圍區(qū)域的混凝土豎向位移大于周圍其他區(qū)域，此區(qū)域的混凝土、接合鋼筋、波折板相互作用，形成整體，共同抵抗剪力作用。因此連接件的抗剪能力由三部分提供，第一部分為由波形板包裹的混凝土與約束鋼筋所形成的塊連接件；第二部分為焊接在波形板上的栓釘連接件；第三部分為開孔內(nèi)的混凝土剪力銷及貫穿鋼筋形成的開孔連接件。

圖13 開孔位置處混凝土變形圖 /mmFig. 13 Deformation of concrete at opening

1) 波形板包裹的混凝土與約束鋼筋所形成的塊連接件承載力分析

圖14 首先給出了極限狀態(tài)下栓釘在直板外側(cè)、內(nèi)側(cè)焊接時(shí)的混凝土及栓釘豎向變形，由圖14可知：被波形鋼板包裹的混凝土豎向位移大于同高度處的其他混凝土豎向位移，即被波形鋼板包裹的混凝土在與周圍波形鋼板共同運(yùn)動(dòng)，類似塊剪力連接件承受剪力。

2) 栓釘連接件承載力分析

另外，由圖14 進(jìn)一步可知，當(dāng)栓釘在直板內(nèi)側(cè)焊接時(shí)，栓釘整體同混凝土塊共同變形，二者之間相對(duì)滑移且栓釘根部變形較小，致使栓釘抗剪能力未能充分發(fā)揮，而栓釘焊接在直板外側(cè)時(shí)，由于周圍混凝土豎向變形較小，能夠給予栓釘良好的支撐，栓釘根部產(chǎn)生較大變形，使其抗剪強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，從而解釋了栓釘在直板外側(cè)焊接時(shí)試件的抗剪承載力高于在直板內(nèi)側(cè)焊接，以及栓釘在直板外側(cè)焊接時(shí)推出試件破壞均伴隨有栓釘被剪斷。

圖14 栓釘在外側(cè)及內(nèi)側(cè)焊接時(shí)的混凝土及栓釘豎向變形 /mmFig. 14 Vertical displacements of concrete and stud when stud is welded from outside and inner sides

3) 開孔內(nèi)的混凝土剪力銷及貫穿鋼筋形成的開孔連接件承載力分析

圖15 給出了極限狀態(tài)時(shí)波形板的應(yīng)力，可以發(fā)現(xiàn)波形板在開孔附近Von Mises 應(yīng)力較大。圖16給出了極限狀態(tài)時(shí)開孔內(nèi)混凝土及貫穿鋼筋應(yīng)力分布。可見(jiàn)孔中混凝土部分區(qū)域主壓應(yīng)力大于混凝土抗壓強(qiáng)度，孔中混凝土被壓碎；貫穿鋼筋在開孔位置發(fā)生變形，部分區(qū)域達(dá)到屈服強(qiáng)度。因此開孔之后形成的混凝土剪力銷與貫穿鋼筋亦能夠提供部分抗剪承載力，工作機(jī)理類似于開孔連接件。當(dāng)開孔位置位于直板時(shí)，混凝土剪力銷與加載方向垂直，能夠充分發(fā)揮抗剪能力，而當(dāng)開孔位置位于上折板或下折板時(shí)，因剪力銷與加載垂向存在一定夾角，抗剪能力無(wú)法充分發(fā)揮，當(dāng)開孔位置位于下折板時(shí)，由于開孔周圍混凝土同時(shí)需要承受塊連接件傳遞的剪力，與開孔位置位于上折板時(shí)相比混凝土受力更大，抗剪能力相對(duì)較弱，由此解釋了開孔位置位于直板時(shí)試件抗剪承載力最大，其次為開孔位于上折板的試件，開孔位置位于下折板的試件抗剪承載力最小。

圖15 極限狀態(tài)時(shí)波形板應(yīng)力 /MPaFig. 15 Stress distribution of corrugated steel plate at limit stage

圖16 極限狀態(tài)時(shí)開孔內(nèi)混凝土及貫穿鋼筋應(yīng)力 /MPaFig. 16 Stress distribution of concrete in opening hole and through rebar

4 帶栓釘埋入式抗剪連接件承載力近似計(jì)算方法

4.1 抗剪承載力近似計(jì)算方法

根據(jù)對(duì)推出試驗(yàn)全過(guò)程受力及破壞機(jī)理的分析，帶栓釘埋入式抗剪連接件的抗剪承載力Q主要包括三個(gè)部分(如圖17 所示)：

圖17 抗剪承載力計(jì)算示意圖Fig. 17 Calculation of shear strength

式中，Q1、Q2、Q3分別為波形板包裹的混凝土與約束鋼筋所形成的塊連接件、混凝土剪力銷及貫穿鋼筋以及栓釘提供的抗剪承載力。

1) 波形板包裹的混凝土與約束鋼筋所形成的塊連接件Q1

根據(jù)《復(fù)合橋梁設(shè)計(jì)施工指南》的建議[24]，一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)由約束鋼筋及其周圍混凝土共同提供的抗剪承載力可確定為[24]：

式中：fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；d為波形鋼板的波高；l為波形鋼板在混凝土中的埋置深度；fsk1為約束鋼筋標(biāo)準(zhǔn)屈服點(diǎn)應(yīng)力值；A1為約束鋼筋截面積。采用式(2)計(jì)算得出值為434.01kN，與表3 中有限元模擬得到FE-D 模型的抗剪承載力(411.89 kN)較為接近。

2) 混凝土剪力銷及貫穿鋼筋提供的抗剪承載力Q2

若忽略帶栓釘埋入式抗剪連接件中波形鋼板的幾何形狀影響，其中混凝土剪力銷及貫穿鋼筋可近似視為開孔板連接件，根據(jù)《組合折腹橋梁設(shè)計(jì)模式指南》及相關(guān)研究成果，單個(gè)混凝土剪力銷的抗剪承載力Qpu為[25]：

式中：dc、ds分別表示開孔直徑及貫穿鋼筋直徑；fsk2為貫穿鋼筋標(biāo)準(zhǔn)屈服點(diǎn)應(yīng)力。

在有限元模擬中，將FE-A-3、FE-B-3、FE-C-3三組模型的抗剪承載力分別與FE-D 模型的抗剪承載力相減，將得到的數(shù)值近似認(rèn)為是開孔在直板、下折板、上折板時(shí)混凝土剪力銷的抗剪承載力。根據(jù)結(jié)果，當(dāng)開孔位于直板時(shí)，單個(gè)混凝土剪力銷的折減系數(shù)為0.73。當(dāng)開孔位于上、下折板時(shí)，單個(gè)混凝土剪力銷的折減系數(shù)分別為0.53及0.45?？紤]水平剪力方向的不確定性，當(dāng)開孔位于折板時(shí)，單個(gè)混凝土剪力銷的折減系數(shù)偏安全取為0.45，同時(shí)將開孔位于直板時(shí)的折減系數(shù)取整為0.7。故一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)由混凝土剪力銷提供的抗剪承載力可確定為[26]：

3) 栓釘提供的抗剪承載力Q3

在分析帶栓釘埋入式抗剪連接件中栓釘提供的抗剪承載力時(shí)，首先明確剪力件中栓釘實(shí)際承載力對(duì)單釘理論抗剪承載力的折減情況。根據(jù)連接件中的栓釘幾何尺寸(直徑13 mm、長(zhǎng)度80 mm)及材料信息建立單釘有限元模型，得到單釘抗剪承載力為91.08 kN。根據(jù)建立與各試件對(duì)應(yīng)的無(wú)栓釘試件有限元模型得到的抗剪承載力，近似認(rèn)為提高的承載力完全由栓釘提供，通過(guò)有栓釘、無(wú)栓釘模型抗剪承載力之差與單釘抗剪承載力的對(duì)比，得到栓釘抗剪承載力折減效應(yīng)系數(shù)，具體結(jié)果如表4 所示?？紤]水平剪力方向的不確定性，當(dāng)焊接栓釘?shù)闹卑鍥](méi)有開孔時(shí)，焊接在外、內(nèi)側(cè)的栓釘?shù)某休d力折減系數(shù)分別偏安全取為0.80 及0.14。此外，在該類剪力件的工作環(huán)境下，由于混凝土強(qiáng)度較高且栓釘直徑較小，試件的破壞多始于栓釘被剪斷，因此，混凝土壓潰的情況不予考慮。

表4 抗剪栓釘承載力折減系數(shù)Table 4 Reduction coefficient of shear resistance of stud

根據(jù)以上分析，一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)由栓釘提供的抗剪承載力可確定為：

4.2 近似計(jì)算方法適用性分析

為分析所建立的帶栓釘埋入式抗剪連接件抗剪承載力計(jì)算方法的適用性，根據(jù)該類連接件的具體設(shè)計(jì)參數(shù)，采用所建立的承載力計(jì)算方法計(jì)算抗剪承載力，并與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果、有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，具體如表5 所示?？梢?jiàn)，按照近似計(jì)算方法得到的抗剪承載力與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的相對(duì)誤差均未超過(guò)8.93%，與數(shù)值模擬結(jié)果的相對(duì)誤差均未超過(guò)5.47%。可以認(rèn)為，所建立的帶栓釘埋入式抗剪連接件抗剪承載力近似計(jì)算方法具有良好的適用性。

表5 抗剪承載力計(jì)算方法適用性分析Table 5 Applicability analysis of calculation method of shear capacity

5 結(jié)論

本文以一座波形鋼腹板組合箱梁部分斜拉橋建造過(guò)程中所采用的帶栓釘埋入式抗剪連接件為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并開展了6 組26 個(gè)試件的推出試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)與理論分析，得到以下結(jié)論：

(1) 根據(jù)一座波形鋼腹板組合箱梁部分斜拉橋的受力要求設(shè)計(jì)了帶栓釘埋入式抗剪連接件，通過(guò)開展推出試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該類連接件混凝土開裂及主裂縫形成與發(fā)展均在荷載水平達(dá)到0.8 倍極限承載力之后，在混凝土發(fā)生劈裂破壞后，波形板產(chǎn)生變形，開孔中混凝土被壓碎，但貫穿鋼筋未被剪斷，焊接在波折板外側(cè)的栓釘被剪斷，而在內(nèi)測(cè)的栓釘未被剪斷；

(2) 栓釘在直板外側(cè)焊接時(shí)的抗剪承載力、極限滑移及開裂荷載等均大于直板內(nèi)側(cè)焊接的情況，開孔位置位于直板時(shí)試件抗剪承載力較大，其次為上折板及下折板開孔，帶栓釘埋入式抗剪連接件上折板荷載-位移曲線具有明顯的強(qiáng)化階段，下折板荷載-位移曲線幾乎不存在強(qiáng)化階段，直板處荷載位移曲線特征介于上折板與下折板之間；

(3) 基于ANSYS Workbench 進(jìn)行了推出試驗(yàn)有限元模擬，所建立的推出試驗(yàn)?zāi)M方法能夠有效地模擬試驗(yàn)過(guò)程中推出試件的力學(xué)性能，結(jié)合推出試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果，發(fā)現(xiàn)該類連接件的承載力主要由波形板包裹的混凝土與約束鋼筋所形成的塊連接件、開孔內(nèi)混凝土剪力銷以及栓釘共同提供；

(4) 結(jié)合推出試驗(yàn)與數(shù)值模擬，提出了帶栓釘埋入式抗剪連接件的承載力近似計(jì)算方法，并通過(guò)初步驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)該近似計(jì)算方法精度及適用性良好；

(5) 波形板包裹的混凝土與約束鋼筋所形成的塊連接件對(duì)該類連接件的極限承載力貢獻(xiàn)較高，可達(dá)到極限承載力的60%以上；該類連接件的合理結(jié)構(gòu)布置形式為栓釘焊接在波形板直板外側(cè)且在直板處開孔。