腹板洞口形狀的改變對(duì)栓釘?shù)氖芰Ψ治?/h1>
2024-04-15 07:40:48余國(guó)偉周翔韋雅妮
河南科技 2024年4期 關(guān)鍵詞：有限元
余國(guó)偉 周翔 韋雅妮
摘 要：【目的】基于腹板洞口形狀的改變，研究栓釘連接件的受力特征。【方法】建立精密的有限元模型，通過改變洞口形狀，觀察栓釘在不同位置及洞口形狀下的剛度差異，并通過應(yīng)力云圖得出栓釘掀起的近似計(jì)算公式。【結(jié)果】研究結(jié)果表明，腹板洞口處產(chǎn)生應(yīng)力集中，且最容易發(fā)生破壞，導(dǎo)致腹板洞口正上方的栓釘力學(xué)性能最薄弱，其滑移量明顯大于其他位置。同時(shí)改變洞口形狀，對(duì)于曲線的整體走勢(shì)改變不大。隨著荷載的不斷增加，荷載—滑移曲線走勢(shì)不再符合線性規(guī)律，應(yīng)力云圖和受力模型所反映的結(jié)果相吻合?！窘Y(jié)論】研究結(jié)果可為其他類似工程研究提供參考。
關(guān)鍵詞：連接件；有限元；剛度；組合梁
中圖分類號(hào)：TU398.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2024）04-0066-05
DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.012
Stress Analysis of Stud by Changing Shape of Web Opening
YU Guowei? ? ZHOU Xiang? ? WEI Yani
（College of Civil Engineering， Southwest Forestry University， Kunming 655024， China）
Abstract： [Purposes] Based on the change of the shape of the web hole， the stress characteristics of the stud connector were studied. [Methods] A precise finite element model was established to observe the stiffness difference of the stud at different positions and under the shape of the hole by changing the shape of the hole， and the approximate calculation formula of the stud lift was obtained through the stress cloud map. [Findings] Stress concentration occurred at the opening of the web portal， which was the most prone to failure. As a result， the mechanical properties of the stud directly above the opening of the web portal were the weakest， and its slip amount was significantly greater than that of other positions. At the same time， changing the shape of the opening did not change the overall trend of the curve much. The results of stress nephogram are in agreement with those of stress model. [Conclusions] The research results can provide reference for other similar engineering research.
Keywords： connecting parts; finite element; stiffness; composite beam
0 引言
鋼-混組合梁用鋼量少、剛度大，同時(shí)具有穩(wěn)定性、整體性、耐火性及抗疲勞性好等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于超高層建筑和地下工程。為了充分利用建筑物的層高，通過將腹板進(jìn)行開洞，一方面可以減少層高，另一方面便于管道的鋪設(shè)。但由于腹板開洞后，應(yīng)力在腹板中流向改變，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的抗剪、剛度等力學(xué)性能降低，且容易在洞口處出現(xiàn)應(yīng)力集中。不同的洞口形狀，應(yīng)力集中程度不同，因此可以選用不同的洞口形狀來(lái)改變應(yīng)力集中，從而減少腹板開洞所造成的不利影響。同時(shí)為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，需要將栓釘作為鋼與混凝土之間的連接件，讓兩種結(jié)構(gòu)共同受力，可以很好地傳遞鋼與混凝土之間的剪力，并防止兩者分離。Ollgaard等［1］對(duì)栓釘進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，分析了混凝土的強(qiáng)度、栓釘?shù)闹睆?、彈性模量?duì)結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生的影響，提出了混凝土板不出現(xiàn)裂縫情況下栓釘?shù)某休d力公式。周安等［2］進(jìn)行了栓釘抗剪連接件三水平正交推出試驗(yàn)，其中主要考慮了栓釘?shù)闹睆?、混凝土?qiáng)度和鋼纖維配置三要素，通過極差和方差分析，發(fā)現(xiàn)在混凝土中配置鋼纖維不會(huì)影響栓釘?shù)目辜魟偠?，栓釘?shù)目辜魟偠入S混凝土強(qiáng)度的提高而增大，抗剪剛度與滑移量呈雙曲線函數(shù)關(guān)系。白永生等［3］總結(jié)了三種腹板開洞組合梁承載力的計(jì)算方法。綜上所述，對(duì)于栓釘和腹部開洞的組合梁研究在國(guó)內(nèi)外已較成熟，但對(duì)于腹板開洞并通過栓釘進(jìn)行連接的組合形式還需進(jìn)一步分析。
本研究將栓釘作為連接件［4-6］，通過有限元數(shù)值模擬研究每個(gè)栓釘在不同洞口形狀受力情況，以及不同洞口形狀處栓釘?shù)氖芰η闆r，并計(jì)算栓釘掀起力近似值，確定不同洞口形狀下栓釘?shù)氖芰μ卣鳌?/p>
1 有限元模型建立
1.1 單元類型及材料本構(gòu)關(guān)系
采用ANSYS有限元軟件建立負(fù)彎曲區(qū)腹板開洞鋼-混組合梁的整體模型，如圖1所示。建模時(shí)忽略鋼材連接處的焊縫和焊接殘余應(yīng)力的影響，并且對(duì)洞口區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。為得到理想的結(jié)果，在鋼材和混凝土接觸面引入接觸單元。同時(shí)，為避免應(yīng)力集中，在混凝土兩端和施加荷載處設(shè)置剛性墊塊。此外，荷載施加采用斜坡荷載方式逐級(jí)施加。
鋼筋選用3D有限應(yīng)變桿單元LINK180，該單元支持Chaboche非線性強(qiáng)化塑性及大應(yīng)變等特性，通過拉伸試驗(yàn)得到鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。混凝土選用被稱為3D加筋混凝土實(shí)體單元的SOLID65，對(duì)材料進(jìn)行非線性處理，可模擬混凝土開裂、壓碎、塑性變形及徐變等特性，本構(gòu)關(guān)系選用Hognestad建議的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，見式（1）。
[σc=fc2εε0-εε02? ? ? ? ? ? ? ? ? ?ε≤ε0fc1-0.15ε-ε0εcu-ε0? ? ? ε0<ε≤εcu] （1）
Hognestad在理論分析計(jì)算時(shí)，[εu]取0.003 8；[σ0]=0.85[fc]，[ε0]=2[σ0]/[E0]，其中[fc]為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，[E0]為混凝土的彈性模量。
工字鋼的上下翼緣選用3D8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID45，通過拉伸試驗(yàn)得到鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。工字鋼的腹板和加勁肋選用4節(jié)點(diǎn)塑性大變形殼單元SHELL43，通過拉伸試驗(yàn)得到鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。栓釘選用COMBIN39非線性彈簧單元來(lái)模擬，采用Ollgaard建議的荷載—滑移關(guān)系，具體見式（2）。
[σc=Px=Nvc（1-e-0.71sx）0.4Px=EsAsdLssyPz=Nvc（1-e-0.71sz）0.4] （2）
式中：[sx、sy、sz]分別為三個(gè)方向的相對(duì)滑移；[Asd]為栓釘截面面積；Es為栓釘彈性模量，取為2.06[×]
105 MPa；為栓釘長(zhǎng)度；[Px、Py、Pz]分別為三個(gè)方向的
應(yīng)力；[Nvc]為單個(gè)栓釘抗剪承載力。
1.2 試件尺寸
為了研究負(fù)彎矩區(qū)腹板開洞組合梁栓釘受力性能，本研究設(shè)計(jì)并制作了組合梁試件，如圖2所示，并通過ANSYS進(jìn)行1∶1建模。
2 洞口區(qū)域簡(jiǎn)化模型
2.1 洞口區(qū)域受力模型
鋼-混組合梁在腹板開洞后，其破壞形式主要有剪切破壞、彎曲破壞和空腹破壞等［7-8］。當(dāng)開洞位置處于彎剪區(qū)域時(shí)，空腹破壞是最常見的破壞形式。因此，為研究鋼-混組合梁腹板洞口上方的栓釘受力性能，本研究基于空腹桁架模型建立腹板開洞組合梁力學(xué)模型，如圖3所示，截面上有軸力、剪力、彎曲共同作用。圖3中[MLg]、[MRg]分別為截面左端和右端的彎曲；V、N分別為截面的剪力和軸力；[a0]、[h0]為截面寬度和高度；Vs、Fs分別為栓釘所受剪力和軸力。
2.2 洞口區(qū)域有限元模型
為了分析不同形狀的洞口對(duì)腹板開洞組合梁洞口上方栓釘受力性能的影響，根據(jù)圖3的力學(xué)模型設(shè)計(jì)了6根洞口形狀不同的鋼-混組合梁（B1-B6），洞口形狀分別為長(zhǎng)方形、長(zhǎng)方形加半圓、正六邊形、正八邊形、圓形、橢圓，有限元模型如圖4所示。試件的有限元模型都在洞口處進(jìn)行局部加密網(wǎng)格劃分，以提高其計(jì)算精度。為了確保有限元模型的準(zhǔn)確性，幾何模型采用體映射網(wǎng)格劃分，洞口區(qū)域采用AMAP加密劃分網(wǎng)格。
3 結(jié)果分析
本研究采用栓釘作為組合梁的抗剪連接件，但由于栓釘屬于柔性抗剪連接件，在交界面一定會(huì)出現(xiàn)水平滑移和豎向掀起力。通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在無(wú)洞區(qū)域栓釘?shù)幕品植紖^(qū)別不大，主要變化發(fā)生在洞口區(qū)域。通過有限元模型求解，分析不同洞口形狀對(duì)洞口區(qū)域抗剪連接件的受力影響，并對(duì)6根有限元模型進(jìn)行相同的荷載分級(jí)加載，主要分析如下。
3.1 每個(gè)栓釘在不同洞口的受力分析
根據(jù)有限元數(shù)據(jù)提取每個(gè)栓釘在不同荷載、不同洞口形狀時(shí)的水平滑移值，繪制每個(gè)栓釘在不同洞口形狀的荷載—水平滑移曲線，如圖5所示。
通過圖5（a）和圖5（e）可知，栓釘1和栓釘5在有限元模型B4～B6中，其水平滑移值分布較為平緩，沒有發(fā)生突變。在有限元模型B1～B3中，荷載初期時(shí)，受力比較均勻，栓釘?shù)乃交瞥示€性增長(zhǎng)，但當(dāng)荷載增加到75 kN時(shí)，栓釘1和栓釘5的水平滑移都出現(xiàn)了不同程度的滑移突變。因?yàn)樵谀Ｐ虰4～B6中栓釘1和栓釘5并不在洞口區(qū)域上方，而模型B1～B3中栓釘1和栓釘5在洞口區(qū)域，說明開洞對(duì)栓釘?shù)乃交朴忻黠@的改變，增加了其水平滑移。由圖5（b）、圖5（c）和圖5（d）可知，洞口區(qū)域的栓釘在不同洞口形狀的荷載—水平滑移曲線走勢(shì)大致相似，說明抗剪連接件在水平方向的破壞模式和洞口區(qū)域的受力機(jī)制是一致的。
3.2 不同洞口形狀處栓釘?shù)氖芰Ψ治?/p>
根據(jù)有限元結(jié)果繪制了B1～B6的荷載—水平位移曲線，如圖6所示。由有限元結(jié)果和圖6可知，在荷載作用較小時(shí)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯破壞，組合梁上的測(cè)點(diǎn)水平滑移值都較小，荷載—水平滑移曲線呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)荷載逐步施加時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯破壞，洞口處滑移值明顯開始增大，荷載—水平滑移曲線不再符合線性規(guī)律，表明縱向剪力重分布已經(jīng)開始發(fā)生；同時(shí)洞口處滑移值增長(zhǎng)較快，明顯大于其他測(cè)點(diǎn)的位移值，表明腹板開洞減小了截面剛度。
3.3 栓釘掀起力近似計(jì)算
根據(jù)栓釘?shù)膽?yīng)力云圖，假設(shè)腹板開孔組合梁的栓釘在負(fù)彎矩作用下承受垂直方向的軸向掀起力和水平方向作用在根部的剪力，栓釘?shù)氖芰δＰ涂梢约俣槭芾瓨?gòu)件。洞口應(yīng)力云圖如圖7所示，栓釘?shù)膽?yīng)變值較小，即在軸向掀起力作用下，栓釘?shù)睦瓚?yīng)力不能達(dá)到抗拉屈服強(qiáng)度。因此，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的應(yīng)變值近似計(jì)算出栓釘所承受的掀起力Fs的大小，計(jì)算公式見式（3）。
[Fs=εst·Ast·Est] （3）
式中：[εst]為實(shí)測(cè)栓釘應(yīng)變平均值；[Ast]為栓釘截面面積；[Est]為栓釘彈性模量，取為2.06[×]105 MPa。
4 結(jié)論
有限元計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)用ANSYS有限元模擬能較好地反應(yīng)栓釘?shù)氖芰π阅埽治鼋Y(jié)果如下。
①當(dāng)栓釘位于洞口上方時(shí)，應(yīng)力流向容易在開洞處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致栓釘?shù)乃交圃黾印?/p>
②通過改變洞口形狀對(duì)曲線的整體走勢(shì)影響不大，得出連接件在水平方向的破壞模式和洞口區(qū)域的受力機(jī)制是一致的。
③隨著荷載的不斷增加，洞口處栓釘?shù)膭偠茸兓^其他位置更為明顯，表明腹板開洞減小了截面剛度。
④根據(jù)栓釘?shù)膽?yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和受力模型得出栓釘掀起力計(jì)算公式，從而預(yù)先選擇栓釘截面尺寸，以免發(fā)生因栓釘連接件提前破壞導(dǎo)致組合梁受力不均的情況。
參考文獻(xiàn)：
［1］OLLGAARD J G，SLUTTER R G， FISHER J.Shear strength of stud connectors in lightweight and normal weight concrete［J］.AISC Eng'g Jr.，April，1971.
［2］周安，戴航，劉其偉.栓釘連接件極限承載力及剪切剛度的試驗(yàn)［J］.工業(yè)建筑，2007（10）：84-87.
［3］白永生，蔣永生，梁書亭，等.腹板開洞的鋼與混凝土組合梁承載力計(jì)算方法綜述和探討［J］.工業(yè)建筑，2004（6）：68-70，83.
［4］戚菁菁，吳記東，曹華，等.帶約束構(gòu)造的栓釘剪力連接件承載力研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2022，52（S2）：975-980.
［5］謝鑫，廖文遠(yuǎn).栓釘推出試驗(yàn)及有限元仿真研究［J］.河南科技，2023，42（5）：32-36.
［6］張成，吳沛峰，成浩偉，等.組合剪力連接件的抗拉承載力有限元分析［J］.城市道橋與防洪，2022（9）：59-63，12-13.
［7］王雪飛，曾思智，黃海，等.腹板開洞型抗剪連接件的抗震性能試驗(yàn)研究［J］.廣西大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2022，47（6）：1471-1480.
［8］張怡. 腹板開洞拱考慮腹板局部屈曲設(shè)計(jì)方法研究［D］.西安：西安建筑科技大學(xué)，2020.
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Abstract： [Purposes] Based on the change of the shape of the web hole， the stress characteristics of the stud connector were studied. [Methods] A precise finite element model was established to observe the stiffness difference of the stud at different positions and under the shape of the hole by changing the shape of the hole， and the approximate calculation formula of the stud lift was obtained through the stress cloud map. [Findings] Stress concentration occurred at the opening of the web portal， which was the most prone to failure. As a result， the mechanical properties of the stud directly above the opening of the web portal were the weakest， and its slip amount was significantly greater than that of other positions. At the same time， changing the shape of the opening did not change the overall trend of the curve much. The results of stress nephogram are in agreement with those of stress model. [Conclusions] The research results can provide reference for other similar engineering research.
Keywords： connecting parts; finite element; stiffness; composite beam
0 引言
鋼-混組合梁用鋼量少、剛度大，同時(shí)具有穩(wěn)定性、整體性、耐火性及抗疲勞性好等優(yōu)勢(shì)，被廣泛運(yùn)用于超高層建筑和地下工程。為了充分利用建筑物的層高，通過將腹板進(jìn)行開洞，一方面可以減少層高，另一方面便于管道的鋪設(shè)。但由于腹板開洞后，應(yīng)力在腹板中流向改變，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的抗剪、剛度等力學(xué)性能降低，且容易在洞口處出現(xiàn)應(yīng)力集中。不同的洞口形狀，應(yīng)力集中程度不同，因此可以選用不同的洞口形狀來(lái)改變應(yīng)力集中，從而減少腹板開洞所造成的不利影響。同時(shí)為增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能，需要將栓釘作為鋼與混凝土之間的連接件，讓兩種結(jié)構(gòu)共同受力，可以很好地傳遞鋼與混凝土之間的剪力，并防止兩者分離。Ollgaard等［1］對(duì)栓釘進(jìn)行了大量的研究和試驗(yàn)，分析了混凝土的強(qiáng)度、栓釘?shù)闹睆?、彈性模量?duì)結(jié)構(gòu)承載力產(chǎn)生的影響，提出了混凝土板不出現(xiàn)裂縫情況下栓釘?shù)某休d力公式。周安等［2］進(jìn)行了栓釘抗剪連接件三水平正交推出試驗(yàn)，其中主要考慮了栓釘?shù)闹睆?、混凝土?qiáng)度和鋼纖維配置三要素，通過極差和方差分析，發(fā)現(xiàn)在混凝土中配置鋼纖維不會(huì)影響栓釘?shù)目辜魟偠?，栓釘?shù)目辜魟偠入S混凝土強(qiáng)度的提高而增大，抗剪剛度與滑移量呈雙曲線函數(shù)關(guān)系。白永生等［3］總結(jié)了三種腹板開洞組合梁承載力的計(jì)算方法。綜上所述，對(duì)于栓釘和腹部開洞的組合梁研究在國(guó)內(nèi)外已較成熟，但對(duì)于腹板開洞并通過栓釘進(jìn)行連接的組合形式還需進(jìn)一步分析。
本研究將栓釘作為連接件［4-6］，通過有限元數(shù)值模擬研究每個(gè)栓釘在不同洞口形狀受力情況，以及不同洞口形狀處栓釘?shù)氖芰η闆r，并計(jì)算栓釘掀起力近似值，確定不同洞口形狀下栓釘?shù)氖芰μ卣鳌?/p>
1 有限元模型建立
1.1 單元類型及材料本構(gòu)關(guān)系
采用ANSYS有限元軟件建立負(fù)彎曲區(qū)腹板開洞鋼-混組合梁的整體模型，如圖1所示。建模時(shí)忽略鋼材連接處的焊縫和焊接殘余應(yīng)力的影響，并且對(duì)洞口區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密。為得到理想的結(jié)果，在鋼材和混凝土接觸面引入接觸單元。同時(shí)，為避免應(yīng)力集中，在混凝土兩端和施加荷載處設(shè)置剛性墊塊。此外，荷載施加采用斜坡荷載方式逐級(jí)施加。
鋼筋選用3D有限應(yīng)變桿單元LINK180，該單元支持Chaboche非線性強(qiáng)化塑性及大應(yīng)變等特性，通過拉伸試驗(yàn)得到鋼筋的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。混凝土選用被稱為3D加筋混凝土實(shí)體單元的SOLID65，對(duì)材料進(jìn)行非線性處理，可模擬混凝土開裂、壓碎、塑性變形及徐變等特性，本構(gòu)關(guān)系選用Hognestad建議的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，見式（1）。
[σc=fc2εε0-εε02? ? ? ? ? ? ? ? ? ?ε≤ε0fc1-0.15ε-ε0εcu-ε0? ? ? ε0<ε≤εcu] （1）
Hognestad在理論分析計(jì)算時(shí)，[εu]取0.003 8；[σ0]=0.85[fc]，[ε0]=2[σ0]/[E0]，其中[fc]為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，[E0]為混凝土的彈性模量。
工字鋼的上下翼緣選用3D8節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元SOLID45，通過拉伸試驗(yàn)得到鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。工字鋼的腹板和加勁肋選用4節(jié)點(diǎn)塑性大變形殼單元SHELL43，通過拉伸試驗(yàn)得到鋼材的應(yīng)力—應(yīng)變曲線。栓釘選用COMBIN39非線性彈簧單元來(lái)模擬，采用Ollgaard建議的荷載—滑移關(guān)系，具體見式（2）。
[σc=Px=Nvc（1-e-0.71sx）0.4Px=EsAsdLssyPz=Nvc（1-e-0.71sz）0.4] （2）
式中：[sx、sy、sz]分別為三個(gè)方向的相對(duì)滑移；[Asd]為栓釘截面面積；Es為栓釘彈性模量，取為2.06[×]
105 MPa；為栓釘長(zhǎng)度；[Px、Py、Pz]分別為三個(gè)方向的
應(yīng)力；[Nvc]為單個(gè)栓釘抗剪承載力。
1.2 試件尺寸
為了研究負(fù)彎矩區(qū)腹板開洞組合梁栓釘受力性能，本研究設(shè)計(jì)并制作了組合梁試件，如圖2所示，并通過ANSYS進(jìn)行1∶1建模。
2 洞口區(qū)域簡(jiǎn)化模型
2.1 洞口區(qū)域受力模型
鋼-混組合梁在腹板開洞后，其破壞形式主要有剪切破壞、彎曲破壞和空腹破壞等［7-8］。當(dāng)開洞位置處于彎剪區(qū)域時(shí)，空腹破壞是最常見的破壞形式。因此，為研究鋼-混組合梁腹板洞口上方的栓釘受力性能，本研究基于空腹桁架模型建立腹板開洞組合梁力學(xué)模型，如圖3所示，截面上有軸力、剪力、彎曲共同作用。圖3中[MLg]、[MRg]分別為截面左端和右端的彎曲；V、N分別為截面的剪力和軸力；[a0]、[h0]為截面寬度和高度；Vs、Fs分別為栓釘所受剪力和軸力。
2.2 洞口區(qū)域有限元模型
為了分析不同形狀的洞口對(duì)腹板開洞組合梁洞口上方栓釘受力性能的影響，根據(jù)圖3的力學(xué)模型設(shè)計(jì)了6根洞口形狀不同的鋼-混組合梁（B1-B6），洞口形狀分別為長(zhǎng)方形、長(zhǎng)方形加半圓、正六邊形、正八邊形、圓形、橢圓，有限元模型如圖4所示。試件的有限元模型都在洞口處進(jìn)行局部加密網(wǎng)格劃分，以提高其計(jì)算精度。為了確保有限元模型的準(zhǔn)確性，幾何模型采用體映射網(wǎng)格劃分，洞口區(qū)域采用AMAP加密劃分網(wǎng)格。
3 結(jié)果分析
本研究采用栓釘作為組合梁的抗剪連接件，但由于栓釘屬于柔性抗剪連接件，在交界面一定會(huì)出現(xiàn)水平滑移和豎向掀起力。通過對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在無(wú)洞區(qū)域栓釘?shù)幕品植紖^(qū)別不大，主要變化發(fā)生在洞口區(qū)域。通過有限元模型求解，分析不同洞口形狀對(duì)洞口區(qū)域抗剪連接件的受力影響，并對(duì)6根有限元模型進(jìn)行相同的荷載分級(jí)加載，主要分析如下。
3.1 每個(gè)栓釘在不同洞口的受力分析
根據(jù)有限元數(shù)據(jù)提取每個(gè)栓釘在不同荷載、不同洞口形狀時(shí)的水平滑移值，繪制每個(gè)栓釘在不同洞口形狀的荷載—水平滑移曲線，如圖5所示。
通過圖5（a）和圖5（e）可知，栓釘1和栓釘5在有限元模型B4～B6中，其水平滑移值分布較為平緩，沒有發(fā)生突變。在有限元模型B1～B3中，荷載初期時(shí)，受力比較均勻，栓釘?shù)乃交瞥示€性增長(zhǎng)，但當(dāng)荷載增加到75 kN時(shí)，栓釘1和栓釘5的水平滑移都出現(xiàn)了不同程度的滑移突變。因?yàn)樵谀Ｐ虰4～B6中栓釘1和栓釘5并不在洞口區(qū)域上方，而模型B1～B3中栓釘1和栓釘5在洞口區(qū)域，說明開洞對(duì)栓釘?shù)乃交朴忻黠@的改變，增加了其水平滑移。由圖5（b）、圖5（c）和圖5（d）可知，洞口區(qū)域的栓釘在不同洞口形狀的荷載—水平滑移曲線走勢(shì)大致相似，說明抗剪連接件在水平方向的破壞模式和洞口區(qū)域的受力機(jī)制是一致的。
3.2 不同洞口形狀處栓釘?shù)氖芰Ψ治?/p>
根據(jù)有限元結(jié)果繪制了B1～B6的荷載—水平位移曲線，如圖6所示。由有限元結(jié)果和圖6可知，在荷載作用較小時(shí)，結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯破壞，組合梁上的測(cè)點(diǎn)水平滑移值都較小，荷載—水平滑移曲線呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)荷載逐步施加時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯破壞，洞口處滑移值明顯開始增大，荷載—水平滑移曲線不再符合線性規(guī)律，表明縱向剪力重分布已經(jīng)開始發(fā)生；同時(shí)洞口處滑移值增長(zhǎng)較快，明顯大于其他測(cè)點(diǎn)的位移值，表明腹板開洞減小了截面剛度。
3.3 栓釘掀起力近似計(jì)算
根據(jù)栓釘?shù)膽?yīng)力云圖，假設(shè)腹板開孔組合梁的栓釘在負(fù)彎矩作用下承受垂直方向的軸向掀起力和水平方向作用在根部的剪力，栓釘?shù)氖芰δＰ涂梢约俣槭芾瓨?gòu)件。洞口應(yīng)力云圖如圖7所示，栓釘?shù)膽?yīng)變值較小，即在軸向掀起力作用下，栓釘?shù)睦瓚?yīng)力不能達(dá)到抗拉屈服強(qiáng)度。因此，可以根據(jù)實(shí)測(cè)的應(yīng)變值近似計(jì)算出栓釘所承受的掀起力Fs的大小，計(jì)算公式見式（3）。
[Fs=εst·Ast·Est] （3）
式中：[εst]為實(shí)測(cè)栓釘應(yīng)變平均值；[Ast]為栓釘截面面積；[Est]為栓釘彈性模量，取為2.06[×]105 MPa。
4 結(jié)論
有限元計(jì)算結(jié)果表明，運(yùn)用ANSYS有限元模擬能較好地反應(yīng)栓釘?shù)氖芰π阅埽治鼋Y(jié)果如下。
①當(dāng)栓釘位于洞口上方時(shí)，應(yīng)力流向容易在開洞處產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致栓釘?shù)乃交圃黾印?/p>
②通過改變洞口形狀對(duì)曲線的整體走勢(shì)影響不大，得出連接件在水平方向的破壞模式和洞口區(qū)域的受力機(jī)制是一致的。
③隨著荷載的不斷增加，洞口處栓釘?shù)膭偠茸兓^其他位置更為明顯，表明腹板開洞減小了截面剛度。
④根據(jù)栓釘?shù)膽?yīng)力應(yīng)變?cè)茍D和受力模型得出栓釘掀起力計(jì)算公式，從而預(yù)先選擇栓釘截面尺寸，以免發(fā)生因栓釘連接件提前破壞導(dǎo)致組合梁受力不均的情況。
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