鋼-混凝土組合梁V型栓釘連接件抗剪承載力研究

彭定東，周 超，周銀笙，熊 汪

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

鋼混組合梁由型鋼、混凝土和抗剪連接件組成，此類結構可充分發(fā)揮鋼材與混凝土的性能，在降低材料用量的同時，結構整體承載能力大幅提高，相比傳統(tǒng)混凝土板梁結構[1]，鋼混組合梁具備跨度較大的優(yōu)點[2]，已大量運用于建筑和橋梁工程中[3]。剪力連接件是型鋼與混凝土安全性和協(xié)調受力的關鍵，其不僅可以傳遞2種材料間的剪力，同時可以抵抗混凝土的掀起作用。

伴隨鋼混組合結構的大力發(fā)展，大量學者針對抗剪連接件進行了研究。Viest[4]通過推出試驗研究栓釘直徑和混凝土強度等級對抗剪承載力的影響，結果表明，栓釘承載力隨栓釘直徑提高而提高，隨混凝土強度增加而增加，且與混凝土強度的1/2次方呈正比關系。Ollgaard等[5]基于推出試驗對栓釘抗剪連接件進行參數(shù)分析，明確混凝土強度和彈性模量直接影響最終結果，并以此提出栓釘承載力計算公式，該公式形式簡單且適用性強，成為栓釘剪力連接件設計的基礎公式。N.Gattesco等[6]提出直剪試驗測試栓釘連接性能，與推出試驗結果吻合良好，基于結果提出了栓釘荷載-滑移公式。Pallares等[7-8]對300多個推出試驗分析結果進行總結，與各國規(guī)范進行詳細對比，為栓釘連接件的設計和規(guī)范制定提供了參考依據(jù)。Shen等[9]基于推出試驗，研究在剪力和拉力復合作用下栓釘與實心板和壓型鋼板連接的抗剪性能，得出在實心板中，栓釘出現(xiàn)大滑移后剪切斷裂，而疊合板中混凝土則發(fā)生脆性椎體破壞;栓釘在壓型鋼板中的安裝位置對栓釘?shù)目辜粜阅苡绊戯@著。Chen等[10]采用數(shù)值模擬大量建模，分析由彎矩引起的混凝土裂縫情況下栓釘群的力學性能，得出在推擠過程中，混凝土的裂縫會影響栓釘?shù)交炷恋募袅鬟f，導致栓釘抗剪剛度減小，由回歸分析建立彎矩引起裂縫與栓釘抗剪剛度減小的關系，提出評估混凝土裂縫深度的分析方法。汪勁豐等[11]基于24個栓釘抗剪試驗探究栓釘高度對栓釘承載力的影響，結果表明，當連接件長徑比4.5～13.2時，栓釘剪力承載力抗剪承載力隨長徑比增加而增大。為方便抗剪連接件更換，實現(xiàn)實時維護，嚴鑫等[12]提出了一種可拆卸螺栓連接件，基于試驗得出更換前后連接件力學性能變化不會影響鋼混組合結構整體性能。趙根田等[13]采用推出試驗分別研究栓釘抗剪連接件在重復荷載與單調荷載下的力學性能，結果表明重復荷載作用下栓釘抗剪件出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象和裂縫發(fā)展，導致栓釘承載力下降。丁發(fā)興等[14]采用試驗與有限元結合的方式，研究栓釘直徑、數(shù)量、長徑比、屈服強度、混凝土強度和橫向配筋率等對栓釘剪力連接件荷載移性能的影響，建議了栓釘受剪承載力公式。王雋[15]運用ABAQUS有限元模型對一系列栓釘推出試驗進行分析，采用模型可良好解決無側向支撐的小滑移非成熟破壞。孫艷寧等[16]基于推出試驗研究一種新型裝配式栓釘，結果表明該栓釘在承載能力滿足規(guī)范要求的同時延性明顯提高。

目前，國內外學者主要針對常規(guī)栓釘和可拆卸螺栓進行推出試驗，很少涉及改進常規(guī)栓釘力學性能研究，本文在常規(guī)栓釘?shù)幕A上進行改進，提出一種新型V型栓釘抗剪連接件，將雙排焊釘降低位單排，大幅降低現(xiàn)場焊接次數(shù)，減小鋼材焊接損傷；新型V型栓釘具體形式如圖1所示，主要由2個常規(guī)栓釘組成，底部可增加基座保證焊接方便。為明確V型栓釘?shù)目辜粜阅?，采用ABAQUS有限元軟件建立栓釘推出試驗，通過參數(shù)分析，研究V型栓釘基座高度、焊接角度γ、構造角度β、混凝土強度、栓釘材料強度和直徑對構件承載力的影響。

圖1 V型栓釘構造圖(單位：mm)

2 模型設計

本文模型參考歐洲標準Eurocode4建立推出試驗，兩邊混凝土尺寸取600 mm×400 mm×460mm，采用HW250×250型鋼，在型鋼翼緣邊每側各設置一個V型栓釘，混凝土內部鋼筋直徑均取10mm，位置關系如圖2所示。

圖2 推出試件尺寸(單位：mm)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為提高計算效率，根據(jù)模型對稱性，在ABAQUS軟件中取用1/2模型；鋼梁、栓釘采用C3D8R單元，V型栓釘構造難以保證栓釘周圍混凝土網(wǎng)格劃分均為六面體，對混凝體進行切分，栓釘周圍混凝土采用C3D10單元，其余部位采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元。詳細情況如圖3所示?；炷僚c鋼梁間采用硬接觸，不設置摩擦參數(shù)；栓釘與鋼梁之間進行綁定連接；鋼筋內嵌于混凝土內部，忽略鋼筋與混凝土之間的粘性滑移；栓釘和混凝土采用摩擦接觸，并考慮0.2的摩擦系數(shù)。固定混凝土低面自由度并在1/2對稱面上施加對稱邊界約束，耦合鋼梁頂面于一點進行位移法加載獲取承載力結果。

圖3 模型建立及網(wǎng)格劃分

3.2 本構參數(shù)

采用ABAQUS2017自帶混凝土塑性損傷模型，本構關系采用GB 50010—2010《混凝土結構設計規(guī)范》推薦曲線，其單軸受壓應力-應變形式如下：

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

式中，σ—混凝土應力，MPa；ε—混凝土應變；Ec—混凝土彈性模量，MPa；dc—混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)；αc—混凝土單軸受壓應力-應變曲線下降段參數(shù)值；fc，r—混凝土單軸抗壓強度代表值；εc，r—與單軸抗壓強度fc，r相應的混凝土峰值應變。

單軸受拉表達式如下：

σ=(1-dt)Ecε

(3)

(4)

式中，dt—混凝土單軸受拉損傷演化參數(shù)；αt—混凝土單軸受拉應力-應變曲線下降段參數(shù)值；ft，r—混凝土單軸抗拉強度代表值，MPa；εt，r—與單軸抗拉強度ft，r相應的混凝土峰值應變。

鋼材荷栓釘均采用理想彈塑性模型，型鋼采用與栓釘一致材料，其應力-應變關系如圖4所示。

圖4 鋼材本構關系圖

3.3 材料參數(shù)

采用C30混凝土，其彈性模量為3×104MPa，密度為2400kg/m3，泊松比為0.2；推出試驗中不考慮工字鋼的受力和變形，有限元模擬中可對型鋼進行加強處理[17]，本文型鋼和栓釘取一致材料，屈服強度為470.8MPa，彈性模量為2×105MPa，泊松比取0.3。

3.4 模型驗證

Dennis Lam[18]通過試驗與有限元模擬的方式對傳統(tǒng)栓釘?shù)目辜舫休d性能進行了研究，試驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果吻合良好?；谖谋具\用的本構關系和模擬方法，設置相同尺寸栓釘和相同材料強度試件對Dennis Lam文中SP3試驗進行數(shù)值分析，提取栓釘荷載-滑移曲線與文獻數(shù)據(jù)、理論數(shù)據(jù)對比，如圖5所示，試驗栓釘承載力為92.18kN，本文有限元模擬值為92.47kN，可知，有限元模型與試驗、理論值吻合良好，采用數(shù)值分析能夠較好研究栓釘承載力。

圖5 有限元計算和試驗值比較

3.5 V型栓釘受力過程分析

對無基座V型栓釘進行數(shù)值模擬，結合應力狀態(tài)試件分析栓釘各階段受力性能。初始加載時，V型栓釘受力較小，變形處于彈性范圍內，栓釘根部受力比較大，對周邊混凝土擠壓較小，栓釘頂部幾乎無應力。隨著荷載逐漸增加，栓釘?shù)撞砍霈F(xiàn)滑移，栓釘桿部開始微小彎曲變形，對下部混凝土造成擠壓損傷，栓釘根部和中部出現(xiàn)較大應力，頂部基本無應力作用。隨著荷載的進一步加大，荷載逐漸接近承載力，栓釘桿部應力增大向栓釘根部擴散，栓釘根部應力則向上擴散與桿部銜接，栓釘根部單元發(fā)生大變形導致剪切破壞，底部混凝土受壓損傷進一步擴大，栓釘頂部應力仍處于較低水平。栓釘各階段具體受力狀態(tài)如圖6所示。

圖6 栓釘各階段應力變化狀態(tài)

4 影響參數(shù)分析

4.1 基座高度

設置混凝土強度為30MPa，栓釘屈服強度為470.8MPa、直徑19mm、長度100mm，β角取45°，γ角取0°，改變栓釘基座高度，得出不同基座高度對栓釘承載力的影響，結果如圖7所示?？傮w上，V型栓釘承載力隨基座高度增加而增加，當基座高度在0～4mm時栓釘總體承載力增幅不大；當基座高度由4mm增加至6mm，栓釘總體承載力提高明顯，增加幅度約33%；基座高度在6～10mm的增長幅度與0～2mm相差不大，不超過8%。提取不同高度基座的受力狀態(tài)，如圖8所示，隨著基座高度的增加，基座達到屈服應力的面積逐漸增多，基座在0～4mm時，面積增加不明顯，基座高度由4mm增加至6mm，基座達屈服面積急劇增多，6～10mm變化不明顯。分析原因為，在基座高度為0時，栓釘端部發(fā)生剪斷破壞，隨著基座高度的增加，基座與栓釘開始協(xié)同受力，提高了栓釘承載力，但是在基座高度小于4mm的情況下，基座對栓釘承載力影響較小，栓釘與基座交界處為試件承載力控制截面；當基座高度在4～6mm時，控制截面逐漸向栓釘基座過渡，基座截面面積大于栓釘與基座交界處，試件承載力因此大幅上漲；當基座高度大于6mm，強度控制截面過渡完成，栓釘交界面仍舊會對V型栓釘性能產生削弱影響，試件隨交界面遠離強度控制面而緩慢增加。

圖7 基座高度對栓釘承載力的影響

圖8 不同高度基座破壞應力云圖

4.2 焊接角度γ和構造角度β

設置混凝土強度為30MPa，栓釘屈服強度為470.8MPa、直徑19mm、長度180mm，改變β角為30°、45°和60°，對比分析角β對V型栓釘承載力影響，考慮混凝土保護層厚度和栓釘構造關系，對β角小于30°和大于60°不做討論。如圖9所示，隨著γ角的增大，V型栓釘承載力呈線性降低，分析原因為栓釘與型鋼連接面積隨γ角增大依次減小，通過計算，β角為45°和60°時，底部面積分別是30°的70.1%和57.7%；β角為30°時，承載力為216.9kN；β角45°和60°承載力分別是30°時的86.0%和70.9%，承載力下降趨勢小于栓釘?shù)撞棵娣e降低趨勢，原因為栓釘基座對試件強度的影響。

圖9 γ角與β角對承載力的影響

保證β角為45°，改變γ角大小，可知，γ角的變化對栓釘承載力影響較小，其中，當γ角在15°、45°、60°和75°時，栓釘承載力均在195kN左右，數(shù)值相差不大；但是當γ角為30°和90°時，V型栓釘承載力都有一定程度提高，分析原因為在γ角等于30°時，斜釘正好與混凝土內部鋼筋相交，鋼筋與栓釘?shù)膮f(xié)同受力提高了V型釘承載力；當γ角等于90°時，栓釘基座由橫向變?yōu)樨Q向，2個常規(guī)栓釘呈“斜撐”形式，如圖10所示，這種狀態(tài)對栓釘承載力有提升作用。

圖10 γ角等于90°時受力形式

4.3 混凝土強度

設置栓釘屈服強度為470.8MPa、直徑19mm、長度180mm，γ角為0°，β角為45°為例，改變混凝土強度為C30、C40、C50和C60，如圖11所示，隨著混凝土強度增加，栓釘承載力相對增加，混凝土為C60時承載力相比C30增加僅5.5%，增長趨勢緩慢。

圖11 混凝土強度等級對承載力的影響

4.4 栓釘強度

釘起著連接型鋼和混凝土的作用，材料強度對試件承載力影響較大。以混凝土強度取C30為例，直徑19mm、長度180mm，β角取45°，γ角取0°，設置栓釘材料強度分別為390、470、490、550 MPa，得到后3個栓釘承載力相對前1個依次增加10.2%、3.1%、10.4%，如圖12所示，試件承載力與栓釘屈服強度呈近似線性關系。

圖12 栓釘強度對承載力的影響

4.5 直徑

根據(jù)GB/T 104433—2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》中建議栓釘尺寸，以混凝土強度C30為例，保持栓釘長度為180mm，β角取45°，γ角取0°，栓釘屈服強度為470.8MPa，設置直徑分別為10、13、15、19、22、25mm栓釘進行計算，結果如圖13所示，試件承載力隨栓釘直徑的增加而近似近似線性增加。

圖13 栓釘直徑對承載力的影響

5 V型栓釘與常規(guī)栓釘受力對比

以γ角取0°，β角取45°的無基座栓釘和4mm基座栓釘為例，由圖14可知，初始受力階段，V型栓釘剪切剛度較大，滑移增加速度遠小于荷載增加速度；同采用2個常規(guī)栓釘?shù)脑嚰芰π阅軐Ρ?，荷載相同時，V型栓釘滑移量大于常規(guī)栓釘，在荷載接近抗剪承載力時，2種栓釘滑移曲線基本一致；由于無基座栓釘端頭交接處存在切削，2個常規(guī)栓釘承載力大于無基座栓釘，4mm基座V型栓釘與2個常規(guī)栓釘承載力基本一致，因此當V型栓釘β角小于45°，基座高度大于4mm時，可使用當前規(guī)范公式對其進行強度計算。

圖14 幾種栓釘?shù)暮奢d滑移曲線對比

6 結論

本文基于ABAQUS有限元建立推出試驗模型對V型栓釘承載力進行研究，分析栓釘各參數(shù)對最終結果的影響，得到如下結論：

(1)利用ABAQUS有限元模擬推出試驗得到栓釘承載力荷載與真實試驗數(shù)據(jù)十分接近，荷載-滑移曲線吻合良好，ABAQUS有限元計算可用于推出試驗研究。

(2)V型栓釘承載力隨基座高度增加而相應增加，當基座高度小于4mm和大于6mm，增加速度緩慢，基座高度在4～6mm之間時，承載力增加迅速；γ角對V型栓釘承載力影響不大，栓釘承載力隨β角的增大而減??；混凝土強度對栓釘承載力影響較??；V型栓釘承載力與栓釘材料強度和直徑呈近似線性關系。

(3)β角為45°的4mm基座V型栓釘與常規(guī)栓釘承載力基本一致，可使用當前規(guī)范公式對β角小于45°、基座高度大于4mm的V型釘進行強度計算。