混凝土空洞對剪力釘抗拔和抗剪性能的影響研究

張柳煜， 黃樂州， 蘇舉， 金鑫， 解斌

(1.長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室， 陜西 西安 710064； 2.中國市政工程西南設計研究總院有限公司， 四川 成都 610084；3.中設設計集團股份有限公司， 江蘇 南京 210014； 4.云南武倘尋高速公路有限責任公司， 云南 昆明 651599)

剪力釘作為鋼-混組合梁中的重要連接件，不僅能夠抵抗鋼梁與混凝土板間的縱向剪力，并約束二者之間的滑移作用，還可防止混凝土板與鋼梁脫離，其工作狀態(tài)直接影響組合結構的工作性能。

以往很多學者對剪力釘做了大量研究，Lam等[1]通過有限元法模擬剪力釘推出試驗，驗證了有限元法的可靠性；文獻[2-9]分別研究了混凝土破壞面與水平面的角度以及栓釘埋置深度等因素對剪力釘?shù)目估休d力的影響，并提出了相應的抗拉承載力計算公式；Smith A[10]通過對組合梁進行推出試驗，得出剪力連接件的橫向間距對剪力連接件的抗力影響不大；聶建國等[11]通過抗拔不抗剪栓釘試件的拉拔試驗，得出了栓釘尺寸是影響其抗拔性能的主要因素；丁敏等[12]通過對連接件在單調荷載下的推出試驗，得出高性能混凝土中剪力釘抗剪承載力與在普通混凝土中相近；汪炳等[13]采用Abaqus研究了剪力釘連接件的直徑和長度對剪力釘承載能力的影響，并得出了剪力釘長度與直徑比小于4時，剪力釘極易發(fā)生拔出破壞；張金等[14]采用Ansys得出了剪力鍵的布置形式對鋼-混凝土組合連續(xù)梁的力學性能會產(chǎn)生重大影響；劉永健等[15]通過剪力釘推出試驗與有限元模擬計算相結合的方法得出了混凝土澆筑不密實對剪力釘抗剪承載能力影響最大；李成君等[16]通過對縱向荷載作用下剪力釘連接件的抗剪性能和極限承載力試驗研究發(fā)現(xiàn)，剪力釘周圍混凝土的包裹作用能明顯提高剪力釘縱向抗剪承載力和延性；李慧等[17]通過對剪力釘連接件進行推出試驗得出：剪力釘經(jīng)受的凍融循環(huán)次數(shù)越多，剪力釘和混凝土試塊損傷越大；謝宜琨[18]通過對剪力釘連接件在低溫下的推出試驗，得出剪力釘?shù)目辜魟偠入S溫度降低而提高，且直徑越大，提升幅度越小。

綜上所述，對于剪力釘自身的因素對剪力釘拔出和剪切影響的研究已經(jīng)較為完善，但由于剪力釘周圍的混凝土不密實等引起的空洞對剪力釘?shù)目拱涡院涂辜粜缘挠绊懙难芯亢苌?，特別是關于空洞對剪力釘抗拔性的影響研究更少。

該文以有限元分析為基礎，研究混凝土空洞對剪力釘抗拔和抗剪性能的影響，為提出鋼-混組合梁施工誤差的控制范圍提供科學依據(jù)。

1 有限元模型的建立

采用Abaqus有限元軟件進行仿真分析，選用材料本構關系時，混凝土采用塑性損傷模型，鋼板采用理想彈塑性模型。剪力釘本構模型選用考慮強化階段的雙折線模型，各種材料特性如表1所示。

文中所有部件均采用C3D8R實體單元，網(wǎng)格劃分采用掃掠技術及中性軸算法，單元均為六面體。

表1 模型材料參數(shù)

2 模型驗證

為檢驗有限元模型的精確度，采用文獻[19-20]得到的拉拔試驗結果和文獻[15]得到的推出試驗結果，進行抗拔有限元模型和抗剪有限元模型的驗證，如圖1所示(圖中①表示剛體，②表示鋼板，③表示混凝土)。

圖1 抗拔有限元模型和抗剪有限元模型

2.1 拉拔試驗

周偉翔[19]、藺釗飛等[20]曾對剪力釘在不同長度和鋼板有無開孔的情況下，進行過拉拔試驗，該文只將試驗中剪力釘直徑為22 mm、長度為100 mm的試驗結果作為有限元模型驗證的依據(jù)，采用對剛體施加3 cm的位移加載模擬試驗加載的方式。在不考慮摩擦作用的情況下，剪力釘與混凝土采用硬接觸的方式。

圖2中的試驗曲線由文獻[19]的3次試驗中最大值繪制而成，模型與試驗的荷載-剝離曲線基本重合，剪力釘最大抗拔承載能力在模型中為161.7 kN，試驗結果為155.3 kN，相對誤差為4.12%。

圖2 剪力釘荷載-剝離曲線對比圖

2.2 推出試驗

劉永健等[15]曾通過靜載推出試驗對直徑為22 mm、長度200 mm的剪力釘進行抗剪承載力研究，該文以靜載試驗模型作為分析的基礎。同樣地，采用位移加載來模擬試驗加載，即對剛體施加1.2 cm的強制位移。

由于剪力釘本構模型選用考慮強化階段的雙折線模型，剪力釘荷載-滑移曲線的下降段在模型中難以實現(xiàn)，所以在模型和試驗結果比對時未考慮試驗結果中的荷載-滑移曲線的下降段(圖3)。

圖3 剪力釘荷載-滑移曲線對比圖

由圖3可知：模型與試驗的荷載-滑移曲線規(guī)律基本相同，模型中剪力釘最大抗剪承載力為166.07 kN，試驗結果為171.7 kN，相對誤差為-3.28%。

整體結果表明：該文所采用的有限元模型參數(shù)和模擬方法是正確的。

3 抗拔性能

3.1 空洞大小

由剪力釘拉拔試驗結果發(fā)現(xiàn)，釘頭下方1 cm范圍內的混凝土承受較大的壓應力，與此同時，釘頭周圍的空洞對剪力釘?shù)挠绊懮形纯芍?。為此分開研究剪力釘釘頭周圍和剪力釘釘頭下方混凝土空洞大小對剪力釘抗拔性能的影響。

(1) 釘頭周圍空洞的影響

空洞工況及其編號如表2所示。

表2 釘頭周圍空洞工況

剪力釘拉拔承載力及對應的剝離量與空洞體積的關系曲線見圖4。

圖4 剪力釘抗拔承載力和對應的剝離量折線圖

由圖4可知：① 與基本工況1相比，工況2～6承載力降低幅度分別為0.5%、0.5%、0.5%、0.6%、0.5%。顯然，釘頭周圍的空洞與剛度相對較大的剪力釘釘頭相比，對剪力釘抗拔承載力影響較??；② 與基本工況1相比，工況2～6剝離量降低幅度分別為1.0%、4.4%、6.6%、7.8%、9.2%。釘頭周圍空洞的增大與剪力釘抗拔承載力對應的剝離量呈現(xiàn)相反的變化趨勢。

由以上分析可知，體積為15.4 cm3的空洞(頂頭無混凝土包裹)使剝離量減小9.2%，而極限抗拔承載力降低幅度在1%以內。釘頭周圍混凝土空洞對剪力釘極限抗拔承載能力的影響較小，對剪力釘極限抗拔承載能力對應的剝離量有一定的影響。

(2) 釘頭下方1 cm內的空洞

空洞工況及其編號見表3。

表3 剪力釘下方空洞工況參數(shù)

剪力釘抗拔承載力和對應剝離量與空洞體積的關系曲線見圖5。

由圖5可知：剪力釘抗拔承載力隨著釘頭下方空洞增大，大幅度降低，與此同時，剝離量先減小后增大。

圖5 剪力釘抗拔承載力和對應剝離量折線圖

由以上分析可知：釘頭下方1 cm內的混凝土空洞對剪力釘抗拔性能影響較大。釘頭下部4.4 cm3的空洞(剪力釘周圍僅有1/3混凝土包裹)可使剪力釘抗拔承載力降低37.4%。

3.2 空洞位置

由于剪力釘釘頭下方不同位置混凝土的空洞對剪力釘抗拔性能影響較大，為此該文取大小為2.9 cm3(剪力釘周圍有一半混凝土包裹)和5.8 cm3(剪力釘周圍無混凝土包裹)的空洞沿著釘長方向不同位置進行研究。

(1) 空洞體積為2.9 cm3(剪力釘周圍有一半混凝土包裹)

空洞中心距釘頭底部的距離h，對應的各個工況編號及空洞位置見表4。

表4 剪力釘下方空洞(2.9 cm3)工況

剪力釘抗拔承載力和對應剝離量與空洞中心距釘頭下表面的距離變化關系見圖6。

圖6 剪力釘抗拔承載力和對應剝離量折線圖

由圖6可知：在釘頭下方1.5 cm(占釘長1/3左右)范圍內體積為2.9 cm3的空洞對剪力釘抗拔性能有一定的影響。

(2) 空洞體積為5.8 cm3(剪力釘周圍無混凝土包裹)

根據(jù)空洞中心距釘頭底部的距離h，對應的各個工況編號及空洞位置見表5。

表5 剪力釘下方空洞(5.8 cm3)工況

剪力釘拉拔承載力與對應剝離量的關系見圖7。

圖7 剪力釘抗拔承載力和對應剝離量折線圖

由圖7可知：釘頭下方4 cm(占釘長1/3左右)范圍內的體積為5.8 cm3的空洞對剪力釘抗拔性能有一定影響。

4 抗剪性能

由基本推出試驗數(shù)值計算結果發(fā)現(xiàn)，推出試驗破壞階段剪力釘根部受到較大的壓應力，在剪力釘中部和釘頭處有較大的拉應力。因此，通過有限元仿真模擬，研究上述應力較大(或者破壞嚴重)位置的混凝土空洞對剪力釘抗剪性能的影響。

4.1 空洞位置

(1) 沿剪力釘高度方向的空洞

沿剪力釘高度方向，研究每個區(qū)域處剪力釘僅有3/4混凝土包裹，即空洞體積為3.05 cm3時，空洞對剪力釘受剪性能的影響以及其影響范圍?？斩粗行木噌旑^底部的距離用h表示，工況編號順序及位置見表6。試驗結果見圖8。剪力釘抗剪承載能力與承載力降低幅度見表7。

表6 剪力釘高度方向的空洞工況參數(shù)

圖8 剪力釘極限抗剪承載力和對應滑移量折線圖

表7 剪力釘抗剪承載能力與承載力降低幅度

由圖8可知：空洞越接近剪力釘?shù)撞?，承載能力降低越大。從表7中不難發(fā)現(xiàn)，距剪力釘頭部垂直距離在3 cm(占剪力釘長度1/6左右)以內的空洞對剪力釘承載能力影響較大。工況7和工況14的剪力釘抗剪承載能力降低了0.3%左右，頂頭受壓處的混凝土空洞對剪力釘抗剪承載能力的影響較小。

由圖8及表7可知：由于空洞的存在，使單釘抗剪剛度降低，導致滑移量增大，隨著空洞距離的增加，對滑移量的影響逐漸變小，從而表現(xiàn)出剪力釘極限抗剪承載力對應界面滑移量呈現(xiàn)先增大后隨著空洞對剪力釘抗剪性能影響的降低而逐漸收斂的趨勢。

表8 沿剪力釘推出方向的空洞工況參數(shù)

(2) 沿剪力釘推出方向的空洞

工況1～6主要研究沿剪力釘推出方向不同位置的3 cm3的空洞對剪力釘抗剪性能的影響。空洞中心距剪力釘頭外表面的距離用h表示，工況編號及空洞位置見表8，試驗結果見圖9。

表9 不同體積大小的空洞工況

由圖9可知：沿剪力釘推出方向4 cm以內的空洞對剪力釘承載能力影響較大。并且沿剪力釘推出方向的空洞對界面滑移量的變化規(guī)律與沿釘高方向基本一致。

圖9 剪力釘極限抗剪承載力和對應滑移量折線圖

由以上分析可知：在沿釘長方向3 cm(占剪力釘長度1/6)，沿推出方向4 cm(占剪力釘長度1/5)范圍內的3 cm3空洞，對剪力釘抗剪性能有一定影響。

4.2 空洞大小

通過上述空洞位置對剪力釘抗剪性能的影響研究發(fā)現(xiàn)，剪力釘頭部混凝土的空洞對其影響最為顯著，因此通過改變剪力釘頭部混凝土的空洞體積大小，分析其對剪力釘抗剪性能的影響。工況編號及體積如表9所示，計算結果如圖10所示。

圖10 剪力釘極限抗剪承載力和對應滑移量折線圖

由圖10可知：剪力釘抗剪承載力對釘頭空洞體積的變化較為敏感，空洞不僅會降低單釘使用階段抗剪剛度，也會大幅度降低單釘抗剪承載力，增加界面滑移量。

5 結論

(1) 由空洞對剪力釘抗拔性能的影響可知，隨著空洞體積的增加，頂頭周圍的空洞，剪力釘極限抗拔承載力基本保持不變；釘頭下方1 cm內，剪力釘極限抗拔承載力大幅度降低；當同一大小的空洞，其位置從釘頭沿著釘長方向向下移動時，抗拔承載力均會減小。

(2) 由空洞對剪力釘抗剪性能的影響可知，當同一大小的空洞，其位置從釘頭沿著釘長方向移動時，剪力釘抗剪承載力先增大，后穩(wěn)定不變，當同一大小的空洞，其位置從釘頭沿著剪力釘推出方向移動時，剪力釘抗剪承載力減小；當空洞處于頂頭周圍時，隨著空洞體積的增加，剪力釘極限抗剪承載力顯著減小。

(3) 由空洞對剪力釘抗拉和抗剪性能的影響可知，混凝土空洞對剪力釘力學性能影響不一，體積較小時，產(chǎn)生的影響也較大。因此對焊釘澆筑區(qū)域混凝土的澆筑工藝的質量檢驗標準應更加嚴格。