陳一馨+呂彭民+宋緒丁

摘 要：為了研究混凝土與剪力連接件的破壞形式及剪力連接件的極限抗剪強(qiáng)度，根據(jù)某實(shí)際鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了鋼-混組合梁剪力連接件試樣，并進(jìn)行極限抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得到了剪力連接件的破壞形式和極限抗剪強(qiáng)度，且擬合得到荷載-滑移曲線，同時(shí)用非線性有限元模型進(jìn)行仿真計(jì)算。結(jié)果表明：采用非線性有限元法得到的計(jì)算值與試驗(yàn)值相當(dāng)吻合。

關(guān)鍵詞：公路隧道；地形偏壓；埋深；偏壓角度

中圖分類號(hào)：U414 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1000-033X（2016）05-0059-04

Abstract： In order to study the failure modes of structural concrete and shear connector in reality and ultimate shear strength of shear connector， a prototype of shear connector was designed based on an actual structure of steel-concrete composite beam. Test on ultimate shear strength was carried out， and the failure modes of shear connector were obtained. A load-slip curve was gained， and nonlinear finite element model was applied to conduct the simulation. The results show that the value acquired by the simulation matches the test result perfectly.

Key words： highway tunnel； biased terrain； burial depth； biased angle

0 引 言

剪力連接件作為鋼-混組合結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，其主要功能是將鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)組合構(gòu)成一個(gè)整體[1]，它的性能優(yōu)越與否直接影響鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件共同受力與協(xié)調(diào)變形性能[2]。剪力連接件的抗剪性能一般通過推出試驗(yàn)得到，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力；而通過數(shù)值分析方法可以模擬推出試驗(yàn)從而預(yù)測剪力件性能，再經(jīng)過少量的試驗(yàn)驗(yàn)證即可，是一種值得推廣的方法[3]。

然而，多數(shù)學(xué)者將研究集中于直徑為13～22 mm的剪力連接件[4-8]，對(duì)直徑較小的剪力連接件則研究較少。由于直徑為10 mm的剪力連接件也常應(yīng)用于工程實(shí)際，因此，本文根據(jù)某實(shí)際鋼-混組合橋梁結(jié)構(gòu)，以直徑為10 mm的剪力連接件為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)完成鋼-混組合梁剪力連接件試樣。研究時(shí)分別采用以載荷為增量加載和以位移為增量加載這2種方式進(jìn)行極限抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)，得到該連接件的破壞形式和極限抗剪強(qiáng)度，并擬合出荷載-滑移曲線，同時(shí)利用有限元分析軟件建立試樣的非線性有限元模型，計(jì)算仿真得到荷載-滑移曲線及應(yīng)力分布，將試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算得到的剪力釘極限抗剪強(qiáng)度值進(jìn)行比較分析[9-10]。

1 剪力件試樣靜載推出試驗(yàn)

1.1 試件構(gòu)造

本文根據(jù)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)，以1∶1的比例關(guān)系設(shè)計(jì)試樣。試件采用C50混凝土，剪力連接件選用電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘。

根據(jù)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)取混凝土層厚度為50 mm。鋼板采用Q345B，厚度為14 mm。試件中縱向及橫向鋼筋均采用普通鋼筋，直徑為6 mm。鋼筋網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為100 mm×150 mm。兩側(cè)混凝土板的縱向鋼筋采用1根不斷開且穿過下部混凝土臺(tái)座的普通鋼筋。橫向鋼筋在上，縱向鋼筋在下。試件構(gòu)造如圖1、2所示。

1.2 試驗(yàn)加載方案及破壞描述

為使試件兩側(cè)受力均勻，加載時(shí)在混凝土底座下面鋪設(shè)24 mm的厚鋼板。靜載試驗(yàn)設(shè)備見圖3。

試件整體破壞情況見圖4（a）。加載初期，試樣未見明顯變化，隨著載荷的增加，工字型鋼板和混凝土之間出現(xiàn)縫隙并逐漸加大，同時(shí)混凝土出現(xiàn)裂縫，當(dāng)達(dá)到極限載荷值時(shí)，混凝土破碎，試樣被破壞。其中，2個(gè)剪力釘被剪斷（圖4（b）），其余剪力釘均發(fā)生彎剪變形（圖4（c））。試件在剪力釘周圍出現(xiàn)寬約6 mm的裂縫，剪力釘附近的混凝土均完全破碎（圖4（d）），混凝土縱向裂縫沿焊釘?shù)目v向延展貫穿整個(gè)試件（圖4（e））。

剪力釘在推出試件中處于彎剪受力狀態(tài)，周圍的混凝土被擠壓破裂后，裂紋發(fā)展很快，以工字型鋼板與混凝土脫離、剪力釘被剪斷或者混凝土板的裂縫較大作為破壞的標(biāo)志。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在豎向載荷的作用下，剪力釘變形導(dǎo)致混凝土和工字鋼產(chǎn)生相對(duì)滑移，因此，載荷-滑移曲線是評(píng)價(jià)剪力釘連接件力學(xué)性能的重要指標(biāo)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)具體分析如下：加載初期，由于試樣和工裝存在制造和裝配誤差，載荷-滑移曲線出現(xiàn)一個(gè)小的非線性區(qū)；當(dāng)滑移量達(dá)到約0.5 mm時(shí)，載荷與滑移量進(jìn)入線性區(qū)；隨著載荷繼續(xù)增加，試樣抗滑移能力開始下降，當(dāng)滑移量達(dá)到約2 mm時(shí)，載荷與滑移量呈非線性關(guān)系；當(dāng)載荷達(dá)到極限值（約為404 kN）之后，載荷迅速減小而滑移量迅速增大，直至試件破壞。擬合得出載荷-滑移量計(jì)算公式為

2 剪力件有限元分析

2.1 有限元分析模型

為了研究混凝土的開裂、壓碎、塑性等復(fù)雜力學(xué)行為及試樣的詳細(xì)受力機(jī)理和破壞過程，本文采用有限元軟件ANSYS建立三維實(shí)體模型，并用非線性有限元法進(jìn)行了計(jì)算分析。

2.1.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

混凝土的本構(gòu)關(guān)系是表示在外載荷作用下的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變的響應(yīng)關(guān)系，塑性材料選項(xiàng)采用多線性等向強(qiáng)化[11]。該模型使用多線性來表示使用Von Mises屈服準(zhǔn)則的等向強(qiáng)化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過合理的參數(shù)設(shè)定能夠比較真實(shí)地定義混凝土實(shí)際本構(gòu)關(guān)系。研究混凝土的等效單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系時(shí)，使用比較廣泛的Hognestad公式

本文中εu=0.003 3，混凝土的彈性模量Ec=3.22×104 MPa，泊松比為0.2。剪力釘塑性材料選項(xiàng)則采用經(jīng)典雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化，即采用1個(gè)雙線性來表示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，所以有2個(gè)斜率，即彈性斜率和塑性斜率。本文取剪力釘?shù)膹椥阅Ａ縀=2.06×105 MPa，泊松比為0.3。

2.1.2 有限元模型的建立

試樣混凝土部分選用8節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID65進(jìn)行模擬，設(shè)定了混凝土的三維強(qiáng)度準(zhǔn)則及混凝土材料，用以反映混凝土壓潰、開裂等復(fù)雜的力學(xué)行為。引入開裂傳遞系數(shù)βt及閉合裂縫傳遞系數(shù)βc表示裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響。本文中取βt=0.5，βc=0.95。試件的鋼腹板、鋼翼緣板及剪力釘選用8節(jié)點(diǎn)空間實(shí)體單元SOLID45進(jìn)行模擬。

根據(jù)試樣本身的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性建立1/2模型并進(jìn)行計(jì)算分析。為了與實(shí)際相符合，建立模型時(shí)做了如下的處理。

（1）在鋼板和混凝土、剪力釘和混凝土之間分別建立了接觸對(duì)，模擬鋼板表面和混凝土接觸面之間、栓釘和混凝土之間的粘結(jié)力及相互作用力。

（2）在對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界約束條件，在混凝土底面約束X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度。有限元計(jì)算模型如圖5所示。

2.2 有限元結(jié)果分析

在豎向載荷的作用下，由于剪力釘變形導(dǎo)致混凝土塊和工字鋼產(chǎn)生相對(duì)滑移，可以仿真得到荷載-滑移曲線，然后與實(shí)際試驗(yàn)得到的荷載-滑移曲線對(duì)比，見圖6。計(jì)算可知，在載荷未超過120 kN時(shí)，載荷與滑移量呈線性關(guān)系，載荷超過120 kN后，載荷與滑移量呈非線性關(guān)系。

對(duì)比推出試驗(yàn)所得的載荷-滑移曲線與其仿真得到的載荷-滑移曲線可以發(fā)現(xiàn)，前半部分差異較大，后半部分比較一致，剪切強(qiáng)度極限值相當(dāng)一致。

當(dāng)載荷值達(dá)到120 kN時(shí)，混凝土已接近屈服極限值，其應(yīng)力云圖分布如圖7所示，與試驗(yàn)所得照片（圖4（b））和混凝土壓碎細(xì)節(jié)（圖8）對(duì)比，發(fā)現(xiàn)有限元計(jì)算所得受力較大部位與試驗(yàn)過程中混凝土破壞的部位是吻合的。

當(dāng)荷載達(dá)到399.53 kN時(shí)，接近剪力釘屈服極限400 MPa，剪力釘?shù)膽?yīng)力云圖和變形云圖見圖9、10。整個(gè)加載過程中先是混凝土破壞，后為剪力釘屈服失效，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

3 結(jié) 語

本論文以鋼-混組合梁剪力連接件為研究對(duì)象，通過對(duì)比分析靜載試驗(yàn)結(jié)果及非線性有限元的仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)剪力連接件的抗剪性能進(jìn)行了比較分析，得到如下結(jié)論。

（1）靜載推出試驗(yàn)時(shí)，試件的剪力釘連接件沿受力方向?qū)炷廉a(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。由于剪力釘連接件的抗剪能力強(qiáng)于混凝土板，因此，試件破壞時(shí)，剪力釘連接件根部的混凝土發(fā)生局部受壓破碎或者劈裂，剪力釘彎曲但未被全部剪斷。

（2）該批試樣的線性區(qū)滑移量范圍為0.5～2 mm，試樣的極限抗剪承載力約為404 kN。根據(jù)2種加載試驗(yàn)值，擬合得出載荷-滑移量的計(jì)算公式，可供工程應(yīng)用參考。

（3）采用本文非線性有限元模型計(jì)算得到的剪力件極限承載力為399.53 kN，與試驗(yàn)值吻合較好，單釘極限承載力的誤差僅為0.75%，兩者得到的破壞形式基本一致。因此，若試驗(yàn)條件不允許，可采用有限元模擬的方法得到極限承載力來指導(dǎo)工程實(shí)際應(yīng)用。

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[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]