帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件的受力分析

謝祖巍 戚菁菁 吳記東

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411021）

0 引言

鋼-混組合結(jié)構(gòu)是通過剪力連接件將砼板和鋼梁連接成一個整體共同受力工作的結(jié)構(gòu)形式，能充分發(fā)揮砼板受壓和鋼梁受拉的優(yōu)勢。剪力連接件是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中不可或缺的部件，能約束鋼-混凝土界面的滑移，決定了鋼-混組合結(jié)構(gòu)的整體性能。

張勇[1]提出一種新型裝配式螺栓連接件，該螺栓連接件較傳統(tǒng)螺栓施工更方便快捷，具有良好的剪切剛度。陳海[2]提出一種帶橫向栓釘?shù)男滦徒M合PBL剪力鍵，該剪力鍵具有良好的抗剪性能，其承載力近似等于對應(yīng)普通PBL剪力鍵和栓釘剪力鍵的抗剪承載力之和。這些新型剪力連接件較傳統(tǒng)連接件都能一定程度地提高其抗剪性能。

謝錦文[3]在研究鋼-混組合結(jié)構(gòu)橋面系大直徑栓釘剪力連接件力學(xué)性能時，采用有限元軟件ABAQUS來模擬推出試驗，通過精細化的建模來模擬試驗，有限元分析結(jié)果與栓釘推出試驗測試結(jié)果對比，吻合良好。這種方法雖然模擬較準確，但建模復(fù)雜計算時間長。本課題組提出了一類帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件，在其推出試驗的基礎(chǔ)上[4]，本論文提出一種簡化的有限元分析模型以及有限元分析方法，并選用有限元分析軟件Midas/Gen對推出試驗進行數(shù)值分析。

1 有限元分析

1.1 推出試件的數(shù)值仿真模型假定

通過理論分析發(fā)現(xiàn)栓釘擴大頭一般處于混凝土翼緣板形心軸受壓區(qū)范圍內(nèi)，本文提出的“帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件數(shù)值模型”主要將帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件離散為純鋼制栓釘?shù)膱A截面短梁，數(shù)值模型假定如下：

（1）混凝土翼緣板采用板殼單元模擬，將內(nèi)部鋼筋離散在混凝土中，類似于材料非線性的鋼筋混凝土本構(gòu)。

（2）鋼梁采用板殼單元模擬，考慮鋼梁材料的非線性本構(gòu)。

（3）混凝土板單元和鋼梁上翼緣板單元接觸面允許橫向和縱向的相互錯動，但不允許有上下的分離趨勢。

（4）帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件按本文中提出的等效梁單元模擬，類似純鋼栓釘?shù)膱A截面短梁，其力學(xué)性能以及剛度退化規(guī)律更加接近鋼結(jié)構(gòu)，因此將其簡化為鋼材的材料非線性本構(gòu)。

1.2 數(shù)值模型本構(gòu)關(guān)系

模型中混凝土選用的是Midas軟件自帶的隨動硬化模型，本文中所采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）所建議混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。為了簡化計算，將鋼梁假定為理想彈塑性材料，忽略鋼材達到彈性極限強化時的應(yīng)力強化(見圖1～圖3)。

圖1 混凝土本構(gòu)關(guān)系

圖2 鋼梁本構(gòu)關(guān)系

圖3 栓釘?shù)暮奢d-滑移本構(gòu)關(guān)系

1.3 單元類型及網(wǎng)格劃分

推出模型的有限元網(wǎng)格劃分如下所示，由于本文屬于靜力問題分析，因此選用Midas/Gen有限元軟件模塊來進行數(shù)值仿真分析。對推出模型施加邊界條件，約束兩側(cè)混凝土翼緣板底部的6個自由度（Dx=Dy=Dz=0，Rx=Ry=Rz=0），工況則采用對頂部鋼板施加強制滑移的方式，分析控制數(shù)據(jù)采用材料非線性，收斂條件為滑移控制，程序運算采用Newton-Raphson法。

2 參數(shù)分析

為探究不同參數(shù)對帶約束構(gòu)造的新型剪力連接件推出試件的力學(xué)性能影響，基于現(xiàn)有的相關(guān)理論以及混凝土和栓釘剪力連接件的受力特征，分析數(shù)值模型的破壞機理。分別研究了板厚、栓釘直徑、混凝土強度對數(shù)值模擬結(jié)果的影響。

2.1 混凝土板厚對連接件剪切性能的影響

以板厚為影響因素的數(shù)值模型其參數(shù)如表1所示。

表1 構(gòu)件參數(shù)表（板厚為影響因素）

在相同的強制滑移的條件下，對SA-1、SA-2、SA-3、SA-4這四組推出模型進行對比分析，得出4組數(shù)值模型的荷載-滑移曲線，以及選用《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范》（GB 50917-2013）[5]中建議的栓釘荷載-滑移計算模型，得到4組傳統(tǒng)栓釘剪力連接件的荷載-滑移曲線（如圖4所示），并按照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2017）計算，得出栓釘?shù)臉O限抗剪承載力，以及單釘極限承載力如表2所示：

圖4 不同板厚下的荷載-滑移曲線

表2 構(gòu)件極限承載力

通過圖4、表2中給出的數(shù)值分析數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)論：

從數(shù)值模型的荷載-滑移曲線來看，隨著板厚的增加，數(shù)值模型的極限抗剪承載力也在增大。板厚越厚，數(shù)值模型的初始剪切剛度越大。以栓釘極限承載力的1.6倍作為界定數(shù)值模型剪斷和壓潰的界限值，可以確定SA-3模型、SA-4模型為栓釘剪斷破壞。在達到栓釘承載力極限值之后，繼續(xù)增加板厚對提高數(shù)值模型的承載力極限值影響不大。

2.2 栓釘直徑對連接件剪切性能的影響

2.2.1 不同栓釘直徑下荷載-滑移曲線（見表3、表4、表5）

表3 構(gòu)件參數(shù)表（栓釘直徑為影響因素）

表4 構(gòu)件極限承載力

通過對比對圖5和表4數(shù)值仿真分析結(jié)果，可以得到以下結(jié)論：

圖5 不同栓釘直徑下的荷載-滑移曲線

數(shù)值模型的極限承載力隨著栓釘直徑的增大而明顯增大。栓釘直徑越大，數(shù)值模型的初始剪切剛度越大。隨著栓釘直徑的變化，栓釘剪力連接件發(fā)生了比較明顯的內(nèi)力重分布，栓釘剪力連接件的內(nèi)力重分布主要和板厚、混凝土強度、栓釘直徑有關(guān)。

2.3 混凝土強度對連接件剪切性能的影響

為研究混凝土強度對數(shù)值模型受力性能的影響，以混凝土強度等級為影響因素對模型進行數(shù)值分析（見表5）。

表5 構(gòu)件參數(shù)表（混凝土強度為影響因素）

表6 構(gòu)件極限承載力

通過對比圖6、表5，C30、C35、C40強度的數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)混凝土強度對數(shù)值模型的影響非常小，可以說明帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件數(shù)值模型對板厚和栓釘直徑比較敏感，對混凝土強度的敏感程度很低。

4 結(jié)束語

（1）通過對帶約束構(gòu)造的推出試驗進行數(shù)值模擬，表明本文所提出的這種有限元分析方法能比較準確地模擬這類帶約束構(gòu)造的新型剪力連接件受力過程，可用于對實際工程的參數(shù)分析。

（2）帶約束構(gòu)造的新型栓釘剪力連接件對板厚以及栓釘直徑較為敏感，對混凝土強度敏感程度較低；當數(shù)值模型處于栓釘剪斷破壞時，模型對栓釘直徑的敏感程度要高于板厚；當數(shù)值模型處于混凝土壓潰破壞時，模型對板厚的敏感程度要高于栓釘直徑。