集簇式栓釘連接件群釘效應(yīng)研究

劉成章，洪兆遠(yuǎn)，柏 湘，史劍飛

（中機(jī)中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

鋼混組合橋梁的建造目前朝著標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、快速化的方向不斷發(fā)展，裝配式組合橋梁憑借其優(yōu)勢(shì)得到的廣泛應(yīng)用[1-2]。裝配式組合橋梁目前主要是通過在鋼梁上面設(shè)置集簇式栓釘與混凝土橋面板緊密連接。但是由于集簇式栓釘連接件中栓釘?shù)牟贾妹芏容^高，各排栓釘之間的群釘效應(yīng)相當(dāng)明顯，這導(dǎo)致其與單釘連接件的受力性能存在很大的差異。目前各國規(guī)范僅給出了單釘承載力相關(guān)計(jì)算方法，并未對(duì)集簇式栓釘連接件中群釘效應(yīng)的影響給出對(duì)應(yīng)計(jì)算方法，針對(duì)于此點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)開展了一系列研究。

目前，GB50917-2013《鋼-混組合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》考慮混凝土強(qiáng)度（C30-C60）和群釘間距的影響，提出了普通混凝土中的集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)的計(jì)算方法[3]。Okada 等通過群釘推出試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)栓釘?shù)目v向間距大于13d（d為栓釘?shù)闹睆剑r(shí)，栓釘之間的群釘效應(yīng)可不予考慮。并且提出了考慮混凝土強(qiáng)度及栓釘間距的栓釘連接件抗剪承載力計(jì)算方法[4]。劉沐宇等針對(duì)長短型的集簇式剪力釘?shù)牟贾锰攸c(diǎn)，通過對(duì)應(yīng)的集簇式栓釘連接件的推出試驗(yàn)，重點(diǎn)研究該類連接件的抗剪承載力的相關(guān)性能[5]。其研究表明短栓釘?shù)闹睆胶涂估瓘?qiáng)度對(duì)該類連接件的力學(xué)性能影響較為顯著。隨后，大量學(xué)者對(duì)集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)開展了一系列研究。

本文以某文獻(xiàn)中的集簇式栓釘連接件為設(shè)計(jì)依據(jù)，采用ABAQUS 建立其有限元模型，與文獻(xiàn)中試件的承載力進(jìn)行校核，進(jìn)而對(duì)該類連接件的破壞形態(tài)、破壞機(jī)理進(jìn)行分析，后對(duì)群釘效應(yīng)的影響參數(shù)開展了分析，得到了相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律。

1 試件設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)[6]中的集簇式栓釘連接件GS1 的實(shí)驗(yàn)，其試件尺寸如圖1 所示。鋼梁采用Q345，其尺寸為600mm×190mm×20mm；混凝土采用C50，其尺寸為600mm×500mm×350mm。栓釘?shù)囊?guī)格為?16mm×150mm（直徑×高度）。鋼筋采用熱軋帶肋鋼筋，強(qiáng)度等級(jí)為HRB335，豎向鋼筋和箍筋的直徑分別為16mm 和8mm。其余材料的力學(xué)性能參數(shù)詳細(xì)見表1 所示。混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量分別為52.5MPa 和34.5GPa，混凝土層的保護(hù)層厚度選為60mm，栓釘間距選擇為64mm（4d），橫向間距為180mm，布置為2 列×3 排。

表1 材料參數(shù)

圖1 試件尺寸示意圖（mm）

2 有限元模型建立

2.1 模型概述

采用ABAQUS 建立集簇式栓釘連接件的有限元模型，其中混凝土板、栓釘以及工字鋼梁部件采用三維實(shí)體單位進(jìn)行模擬，混凝土板中的鋼筋網(wǎng)采用桁架單元模擬。建模時(shí)直接將栓釘與工字鋼板合并為同一部件，僅賦予不同的材料參數(shù)。鋼筋直接嵌入到混凝土板內(nèi)部。鋼梁和混凝土、栓釘與混凝土孔壁之間采用面面接觸關(guān)系。其法向均采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)。由于試件的鋼混界面進(jìn)行了涂油處理，因此鋼混界面摩擦系數(shù)取成0，而栓釘和混凝土孔壁之間的摩擦系數(shù)取0.4。

由于試件關(guān)于雙平面對(duì)稱，為節(jié)省計(jì)算成本的考慮，此處僅建立1/4 模型進(jìn)行有限元分析。分別在XOY平面和YOZ平面設(shè)置對(duì)稱邊界條件。在混凝土板的底部設(shè)置固結(jié)約束，在鋼梁頂面形心處設(shè)置參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)與鋼梁平面耦合，在參考點(diǎn)施加位移荷載進(jìn)行加載。全局的整體有限元網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

2.2 材料本構(gòu)

栓釘、鋼梁與鋼筋均采用雙折線本構(gòu)模型，混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型。根據(jù)損傷塑性本構(gòu)要求，混凝土的單軸拉伸與單軸壓縮的本構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線按照規(guī)范GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中選取。

2.3 模型驗(yàn)證

試件的破壞形態(tài)為栓釘被剪斷，栓釘周圍的混凝土出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，破壞示意圖見圖3 所示。從圖中可以明顯看出，栓釘周圍的混凝土應(yīng)力已經(jīng)超限（混凝土被壓潰），栓釘根部出現(xiàn)破壞（栓釘被剪斷）。試件的破壞形態(tài)與文獻(xiàn)[6]的推出試驗(yàn)的破壞形態(tài)相一致。本文模擬的集簇式栓釘連接件的抗剪極限承載力為1 432kN，文獻(xiàn)[6]的實(shí)測結(jié)果為1 451.6kN。兩者的抗剪極限承載力相差僅1.3%，這說明本文的數(shù)值模型可以反映集簇式栓釘連接件的破壞過程和極限承載力。

圖3 破壞模式

3 群釘效應(yīng)機(jī)理分析

當(dāng)開始加載時(shí)，栓釘周圍的混凝土受到的壓應(yīng)力較小，其混凝土板的橫向變形也比較??；但隨著頂部荷載的進(jìn)一步增大，栓釘?shù)撞康幕炷脸惺艿膲簯?yīng)力逐漸增大，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫。但栓釘周圍的局部混凝土?xí)岣呒s束作用，該區(qū)域的受壓混凝土的強(qiáng)度和延性得到提高。在栓釘?shù)膹椥允芰﹄A段，可以將其視為彈性地基梁結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 單個(gè)栓釘受力示意圖

當(dāng)在鋼梁上部承載豎向荷載F時(shí)，此時(shí)，栓釘根部A 端會(huì)隨著鋼板的下移產(chǎn)生比較大的豎向位移，而遠(yuǎn)離鋼板端的B 端（栓釘頭部）會(huì)阻礙A端的下移。隨著荷載的不斷加大，栓釘根部A 端下側(cè)的混凝土最先進(jìn)入到塑性狀態(tài)，該區(qū)域的混凝土提供的反力不再增加。但是附件區(qū)域的混凝土仍然可以承載一定的荷載，隨著豎向荷載F的進(jìn)一步增加，混凝土的塑性區(qū)域很快地會(huì)從栓釘根部區(qū)域A 端向栓釘頭部區(qū)域B 端擴(kuò)展，直至栓釘被剪斷或者混凝土整體不能承載壓力時(shí)，栓釘連接件的承載力達(dá)到極限狀態(tài)。

群釘連接件與單個(gè)栓釘?shù)闹饕獏^(qū)別在于單個(gè)栓釘試件周圍的混凝土區(qū)域較大，混凝土所能提供的反力較大，而集簇式栓釘連接件由于栓釘排列比較緊密，導(dǎo)致混凝土提供的反力較小，因此，和單釘試件相比較，在破壞過程中出現(xiàn)極限滑移較大和承載力下降的現(xiàn)象。

4 群釘效應(yīng)參數(shù)研究

在集簇式栓釘連接件中，群釘效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致連接件的抗剪承載力有所降低。目前一般認(rèn)為影響群釘效應(yīng)的參數(shù)主要有栓釘間距離、混凝土板的強(qiáng)度等。因此，針對(duì)群釘效應(yīng)的影響參數(shù)開展有限元分析，分析其對(duì)集簇式栓釘連接件抗剪承載力的影響。

4.1 間距影響

以文中的試件為基準(zhǔn)模型（栓釘?shù)呐艛?shù)選取為3 排，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50），分別調(diào)整栓釘?shù)拈g距為4～11d，所有試件的單釘平均承載力如圖5 所示。

圖5 間距影響

從圖5 中看出，當(dāng)栓釘間距由4d 增加至11d的過程中，試件的單釘平均承載力在不斷增加，從最開始的119.3kN 增加至137.2kN，單釘?shù)钠骄休d力增加了15.1%。承載力的增量與栓釘間距呈現(xiàn)出線性增長趨勢(shì)。但試件的極限滑移量變化不大，由4d 增加至11d 時(shí)，極限滑移量變化僅3%。這說明栓釘間距對(duì)平均承載力的影響比較明顯，對(duì)極限滑移量的影響較小。并且滑移量也滿足歐洲規(guī)范中關(guān)于連接件的延性要求（極限滑移量大于6mm）。

對(duì)于集簇式栓釘連接件，當(dāng)混凝土強(qiáng)度和尺寸確定之后，間距對(duì)其的影響主要是兩排栓釘之間的混凝土對(duì)栓釘?shù)募s束作用，當(dāng)間距過小時(shí)，栓釘上部的混凝土?xí)幱谠撍ㄡ攲?duì)其的拉應(yīng)力和前排栓釘對(duì)其的壓應(yīng)力相互作用過程中。兩者之間的拉壓應(yīng)力相互重疊，削弱了混凝土對(duì)栓釘?shù)募s束作用，引起栓釘?shù)目辜舫休d力的下降。但當(dāng)間距達(dá)到一定間距之后，當(dāng)栓釘周圍混凝土不再處于應(yīng)力重疊狀態(tài)下，此時(shí)群釘效應(yīng)便不再存在，一般規(guī)范規(guī)定在普通混凝土中，當(dāng)栓釘間距達(dá)到13d 時(shí)，集簇式栓釘連接件的承載力計(jì)算時(shí)不再考慮群釘效應(yīng)的影響。

4.2 混凝土強(qiáng)度影響

為研究混凝土強(qiáng)度對(duì)集簇式栓釘連接件群釘效應(yīng)的影響。以文中的試件為基準(zhǔn)模型（栓釘?shù)拈g距選擇為4d，排數(shù)選擇為3 排），混凝土強(qiáng)度分別為C50、C60、C70、C80、C120。對(duì)應(yīng)工況下的試件極限承載力和極限滑移量見圖6 所示。

圖6 混凝土強(qiáng)度影響

從圖6 中可以看出，單釘?shù)钠骄鶚O限承載力隨混凝土強(qiáng)度的增加而逐漸增加。當(dāng)強(qiáng)度由C50增加至C120 過程中，單釘平均極限承載力由119.3kN 增加143.8kN，平均極限承載力增加了20.5%。并且當(dāng)混凝土為UHPC（120MPa），單釘承載力超過材料極限承載力（抗拉強(qiáng)度與截面面積之積）。這表明UHPC 材料對(duì)栓釘?shù)目辜舫休d力存在一定的增強(qiáng)作用，在進(jìn)行UHPC 中的集簇式栓釘連接件抗剪承載力計(jì)算過程中，應(yīng)考慮UHPC 的增強(qiáng)作用。極限滑移量隨混凝土強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，當(dāng)強(qiáng)度由C50 增加至C120 過程中，極限滑移量由6.7mm 降至5.76mm，極限滑移量降低了14%。并且當(dāng)混凝土材料為UHPC 時(shí)，極限滑移量不滿足6mm 的要求，主要是由于UHPC 材料具有較高強(qiáng)度，導(dǎo)致栓釘難以發(fā)生變形。總體而言，集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)隨混凝土強(qiáng)度的增加而逐漸減小。

5 結(jié)論

本文針對(duì)集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)開展了機(jī)理分析和影響參數(shù)分析，主要有以下結(jié)論。

1）集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)存在的主要原因是兩排栓釘之間的混凝土板存在應(yīng)力重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域混凝土出現(xiàn)裂縫，進(jìn)而造成了栓釘?shù)某休d力出現(xiàn)下降。

2）栓釘?shù)拈g距對(duì)群釘效應(yīng)的影響最為明顯，當(dāng)栓釘間距不斷增大的過程中，試件的單釘平均承載力不斷增加，但滑移量變化不是很大，這表明群釘效應(yīng)隨栓釘間距增加而不斷減小，當(dāng)間距達(dá)到一定值時(shí)，群釘效應(yīng)消失。

3）混凝土強(qiáng)度對(duì)群釘效應(yīng)的影響最低，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，群釘效應(yīng)逐漸減弱，單釘?shù)钠骄休d力逐漸增加，極限滑移量逐漸降低。此外，在UHPC 材料中，UHPC 會(huì)對(duì)栓釘?shù)目辜舫休d力起到一定的增強(qiáng)作用，在計(jì)算抗剪承載力應(yīng)該考慮。