波紋鋼腹組合梁改進(jìn)型埋入式剪力鍵疲勞特性分析

摘要 波紋鋼腹板組合系統(tǒng)由于用薄的波紋鋼腹板代替了巨大的混凝土腹板，與等效的混凝土系統(tǒng)相比，重量減輕約15%，此特點(diǎn)有利于其應(yīng)用于大跨度工程中。文章主要對(duì)改進(jìn)型埋入式剪力鍵的抗疲勞性能及傳力破壞原理進(jìn)行了分析研究，采用線性累積損傷理論，利用Midas/FEA有限元軟件對(duì)某波形鋼腹板PC組合箱梁橋中的改進(jìn)型埋入式剪力鍵進(jìn)行了三維實(shí)體有限元分析，得出影響剪力鍵性能的影響因素，包括混凝土強(qiáng)度、鋼板開(kāi)孔直徑、鋼板厚度、角鋼等。

關(guān)鍵詞 改進(jìn)型埋入式剪力鍵；破壞機(jī)理；抗疲勞性能

中圖分類(lèi)號(hào) U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0129-03

0 引言

對(duì)于預(yù)埋剪力連接組合梁，波紋鋼腹板直接預(yù)埋在混凝土法蘭中，無(wú)需額外的鋼法蘭。腹板的預(yù)埋部分連通孔和鋼筋或貫穿鋼筋起到剪切連接的作用。此類(lèi)型剪切連接件經(jīng)濟(jì)性較好，因其避免了鋼法蘭，與帶頭螺栓相比，焊縫的數(shù)量和長(zhǎng)度大大減少。Sakurada等人[1]對(duì)預(yù)埋連接梁（無(wú)法蘭）和帶頭螺柱梁（有法蘭）進(jìn)行了靜力和疲勞試驗(yàn)，靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，嵌入式連接的承載能力與帶頭螺栓的承載能力相同；此外，與帶頭螺柱相比，預(yù)埋連接的抗疲勞性能更高。Sayed-Ahmed[2]概述了嵌入式剪切連接件的細(xì)節(jié)及不同的破壞模式和設(shè)計(jì)方程。Novak和Rohm[3]開(kāi)發(fā)了一種新型的混凝土銷(xiāo)釘嵌入式剪力連接，在腹板的嵌入式部分切割了淚滴形狀的凹槽，便于安裝；通過(guò)推出試驗(yàn)對(duì)有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證，采用驗(yàn)證的有限元模型進(jìn)行參數(shù)化研究，提出了一種評(píng)估抗剪能力的表達(dá)式。Jager等人[4]和Nemeth等人[5]研究了預(yù)埋深度、翼緣深度、波紋腹板傾角、混凝土強(qiáng)度對(duì)有無(wú)混凝土銷(xiāo)釘預(yù)埋剪力連接抗剪性能的影響，研究表明，混凝土銷(xiāo)釘?shù)拇嬖趯⑵茐臋C(jī)制從橫向彎曲（即由于波紋腹板傾斜部分的水平分力使法蘭板在橫向方向上開(kāi)口）轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷疗扑椤?/p>

剪力鍵的疲勞問(wèn)題在鋼混組合中備受關(guān)注，長(zhǎng)期以來(lái)雖然對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定成果，但完全掌握其疲勞特性還有很長(zhǎng)的一段路要走。該文以Midas/FEA為有限元軟件進(jìn)行建模分析，研究改進(jìn)型埋入式剪力鍵在受力狀態(tài)下的傳力破壞原理及抗疲勞性能的影響因素。

1 改進(jìn)型埋入式剪力鍵的傳力破壞原理

改進(jìn)型埋入式剪力鍵在疲勞荷載反復(fù)作用下的整體傳力示意圖如圖1和圖2所示：

由圖1和圖2可以看出，改進(jìn)型埋入式剪力鍵的抗疲勞性能由以下幾個(gè)部分提供：波形鋼腹板、角鋼、混凝土塊、孔內(nèi)混凝土榫和貫穿鋼筋。對(duì)于混凝土塊，主要承受兩方面的作用力：一是承受波形鋼腹板與橫向鋼筋的剪切作用力；二是由于地面的約束帶來(lái)的反力。剪力的傳遞路徑主要有以下三種：（1）混凝土銷(xiāo)與混凝土板的界面；（2）角鋼孔內(nèi)混凝土與混凝土板的界面；（3）貫穿鋼筋。

鋼材在持續(xù)受力過(guò)程中需要特別注意其疲勞破壞，在波形鋼腹板中剪力鍵的傳遞剪力較大。此外，它還處于整體持續(xù)受力的狀態(tài)，因此波形鋼腹板中的角鋼及混凝土塊在受力過(guò)程中均處于高應(yīng)力狀態(tài)，并且混凝土塊一般較角鋼先受到破壞。

2 疲勞分析數(shù)值模擬

2.1 Midas/FEA疲勞計(jì)算原理

疲勞分析普遍使用的方法主要有兩種：應(yīng)力-壽命法和應(yīng)變-壽命法，而在Midas/FEA中采用的計(jì)算原理是應(yīng)力-壽命法，疲勞分析使用S-N曲線。

主要分析過(guò)程如下：

（1）靜力分析：在疲勞分析之間需要知道控制截面及控制點(diǎn)的應(yīng)力及其分布特性，所以首先應(yīng)做靜力分析。

（2）疲勞應(yīng)力幅：通過(guò)靜力分析得出的范.梅塞斯應(yīng)力，計(jì)算疲勞應(yīng)力幅。

等值應(yīng)力幅：

σa=σmax?σmin " " " " " " 2 （1）

平均應(yīng)力幅：

σm=σmax+σmin " nbsp; " " " " 2 （2）

式中：σmax——最大應(yīng)力（Pa）；σmin——最小應(yīng)力（Pa）；σa——等值應(yīng)力幅（Pa）；σm——平均應(yīng)力幅（Pa）。

（3）疲勞壽命：疲勞壽命值通過(guò)有限元軟件進(jìn)行模擬，主要與材料特性及S-N曲線等屬性相關(guān)。Midas/FEA可通過(guò)用戶輸入的材料特性自動(dòng)運(yùn)行計(jì)算，生成一條較完善的S-N曲線，如圖3所示。S1 000表示結(jié)構(gòu)在Su應(yīng)力幅作用下進(jìn)行1 000次無(wú)間斷循環(huán)得出的點(diǎn)，而Se則表示結(jié)構(gòu)處于疲勞狀態(tài)下的應(yīng)力幅，即處于0.5Su狀態(tài)下進(jìn)行1 000 000次循環(huán)得出的點(diǎn)。

2.2 材料特性

為使有限元模擬與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)更加真實(shí)精確，對(duì)鋼與混凝土之間剪力的傳遞，以及剪力鍵在其中所起的作用進(jìn)行深入分析，在材料特性的模擬中需進(jìn)行重點(diǎn)考慮，該文采用德魯克-普拉格模型對(duì)混凝土進(jìn)行模擬，考慮鋼材在受力過(guò)程中不會(huì)發(fā)生塑性變形，用彈性模型模擬其本構(gòu)模型。

德魯科-普那格（Drucker-Prager）模型在實(shí)際工程中有著十分廣泛的應(yīng)用，該模型是德魯科與普那格這兩名學(xué)者將范·梅塞斯模型修正擴(kuò)展的一種破壞模型，所以又稱作擴(kuò)展范·梅塞斯標(biāo)準(zhǔn)。該模型以靜水壓力面作為圓錐面主軸的對(duì)角線，以圓錐面作為材料的屈服面，可見(jiàn)該模型的屈服面與靜水壓力線相關(guān)，可隨之變化，改善了范·梅塞斯模型中的不足，其圓錐屈服面示意圖如圖4所示：

2.3 有限元模型

建立有限元模型如圖5和圖6所示：

3 改進(jìn)型剪力鍵抗疲勞性能影響因素

3.1 混凝土強(qiáng)度的影響

在剪力鍵抗疲勞性能的影響因素中，最為關(guān)鍵的是混凝土強(qiáng)度對(duì)其的影響，一是混凝土微粒的重分布速率，二是混凝土疲勞損傷的速率。對(duì)于剪力鍵不同部位的混凝土，由于其受力不同，所以孔內(nèi)混凝土的主要影響因子為混凝土微粒的重分布速率，而孔外混凝土的主要影響因子為混凝土疲勞損傷的速率。由于混凝土強(qiáng)度較高而其應(yīng)力水平處于較低狀態(tài)，而裂紋擴(kuò)展速率與兩者都有密切關(guān)系，因而疲勞裂紋擴(kuò)展相對(duì)較慢，所以其抗疲勞性能也相對(duì)較好。但是，選擇強(qiáng)度過(guò)高的混凝土，其成本也隨之增高，因此從經(jīng)濟(jì)合理的角度分析，應(yīng)選擇適當(dāng)強(qiáng)度的混凝土。

3.2 鋼板開(kāi)孔直徑的影響

鋼板開(kāi)孔直徑的選擇需要考慮諸多因素，受到很多因素的限制和影響，一方面開(kāi)孔直徑越大，在孔內(nèi)混凝土開(kāi)始破壞的階段，由于混凝土微粒重分布效應(yīng)越來(lái)越明顯，所以其滯回耗能的能力也隨之增強(qiáng)，因此其抗疲勞性能也越好，但另一方面，開(kāi)孔直徑過(guò)大又會(huì)降低開(kāi)孔鋼板的強(qiáng)度。所以，應(yīng)合理選擇鋼板的開(kāi)孔直徑，綜合考慮各方面的影響因素，以期達(dá)到最好效果。

3.3 鋼板厚度的影響

由于鋼板內(nèi)部的混凝土榫處于三向受壓的約束狀態(tài)，強(qiáng)度比鋼板外側(cè)混凝土大，因此外側(cè)混凝土比孔內(nèi)混凝土更容易發(fā)生疲勞損傷。一般來(lái)說(shuō)，在疲勞荷載作用下，剪力鍵的疲勞強(qiáng)度由外側(cè)混凝土控制。

當(dāng)鋼板厚度太薄時(shí)，薄鋼板孔內(nèi)混凝土由于強(qiáng)度不夠，容易被壓碎，混凝土微粒重分布現(xiàn)象明顯，耗能更多，此時(shí)剪力鍵的疲勞強(qiáng)度由孔內(nèi)混凝土控制。根據(jù)以上分析可知，只要保證鋼板厚度不至于太薄，剪力鍵的抗疲勞性能均由鋼板外側(cè)的混凝土控制，但該部分混凝土又受到貫穿鋼筋的影響，很容易因貫穿鋼筋向下的擠壓而在側(cè)向開(kāi)裂。因此，提高剪力鍵疲勞性能的關(guān)鍵在于提高外側(cè)混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)還可以通過(guò)配置足夠的箍筋或者將剪力埋置足夠深等措施延緩剪力鍵外側(cè)的混凝土開(kāi)裂。

3.4 角鋼的影響

在疲勞加載試驗(yàn)中，混凝土、鋼腹板及鋼筋之間主要通過(guò)角鋼連接成整體，在其中增加改進(jìn)型的埋入式剪力鍵可以有效提高鋼結(jié)構(gòu)與混凝土之間的整體性能，減少它們之間的相對(duì)移動(dòng)，且剪力鍵的存在可以大幅降低由于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土之間的剪力過(guò)大導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生剪切破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

該文主要分析了改進(jìn)型埋入式剪力鍵的破壞機(jī)理，并用Midas/FEA軟件對(duì)改進(jìn)型埋入式剪力鍵進(jìn)行了疲勞分析，研究了混凝土強(qiáng)度、鋼板厚度、開(kāi)孔直徑及角鋼對(duì)其抗疲勞性能的影響。

參考文獻(xiàn)

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