范 亮，李 笑，何 駿

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

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考慮界面效應(yīng)的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有限元模擬方法

范 亮1，李 笑1，何 駿2

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006)

鑒于鋼-混凝土接觸界面剪切力傳遞問(wèn)題的復(fù)雜性，當(dāng)前對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有限元模擬方法多樣，但大部分或過(guò)于復(fù)雜技術(shù)難度大，或過(guò)于經(jīng)驗(yàn)化需要依賴大量的試驗(yàn)結(jié)果確定參數(shù)?？紤]實(shí)用性和精確性相結(jié)合的理念，提出一種采用特定超彈性界面虛擬單元的鋼箱混凝土組合結(jié)構(gòu)有限元模擬方法，同時(shí)該方法建議混凝土采用混凝土塑性損傷模型。將該方法應(yīng)用于某組合結(jié)構(gòu)剪力鍵推出試驗(yàn)?zāi)M中，對(duì)其力學(xué)性能及界面剪切力的發(fā)展全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明該界面模擬方法使用方便、結(jié)果可靠，適用于鋼箱混凝土組合結(jié)構(gòu)考慮界面黏結(jié)滑移效應(yīng)的有限元模擬中。

橋梁工程；鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；有限元模擬；黏結(jié)滑移；推出試驗(yàn)

0 引 言

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)近年來(lái)發(fā)展較為迅速，廣泛運(yùn)用于橋梁及建筑等領(lǐng)域[1]。由于組合結(jié)構(gòu)本身特點(diǎn)，鋼與混凝土、連接件與混凝土之間界面剪切力傳遞問(wèn)題不容忽視，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究。主要通過(guò)推出試驗(yàn)結(jié)果獲得相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而得到承載力計(jì)算公式，但試驗(yàn)周期長(zhǎng)，費(fèi)用高[2]，且對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察記錄存在諸多困難，而有限元仿真分析則能對(duì)模型結(jié)構(gòu)受力全過(guò)程進(jìn)行觀察記錄，能夠較為方便的獲得數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究與有限元仿真分析相結(jié)合，既可以驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又能為探索合理的建模方式提供依據(jù)。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的有限元模型主要有兩種[3]，分別為TBM(traditional beam model)傳統(tǒng)梁模型和SLM(slip beam model)滑移梁模型。前者將混凝土翼板與鋼梁視為共同工作，而不考慮抗剪連接件的變形，組合梁截面符合平截面假定，后者為工程中的簡(jiǎn)化模型，該模型考慮引入界面滑移函數(shù)來(lái)模擬鋼梁與混凝土交界面處的滑移，該函數(shù)所涉及參數(shù)可通過(guò)推出實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。損傷力學(xué)理論能同時(shí)考慮材料初始微裂縫的存在情況以及受力過(guò)程中由于損傷積累而導(dǎo)致的應(yīng)變軟化[4]，混凝土塑性損傷模型理論能較好地處理鋼-混組合結(jié)構(gòu)中混凝土結(jié)構(gòu)破壞前的應(yīng)力集中問(wèn)題，且對(duì)混凝土應(yīng)力下降段模擬情況較好。筆者借助ABAQUS有限元軟件，提出一種基于混凝土損傷塑性模型理論，同時(shí)采用虛擬界面單元模擬鋼與混凝土間的界面黏結(jié)滑移效應(yīng)的模擬方法，并對(duì)某鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)剪力連接件的受力性能以及界面剪切力的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行了分析。

1 混凝土損傷塑性模型理論

混凝土材料力學(xué)行為較為復(fù)雜，目前尚未出現(xiàn)公認(rèn)的可以完全描述混凝土材料本構(gòu)關(guān)系的模型理論。研究表明[4]混凝土損傷塑性模型可以較為精確地模擬單軸受壓、單軸受拉、雙軸受壓以及雙軸受拉狀態(tài)下混凝土材料的力學(xué)性能?；炷猎诔惺芡夂奢d之前就存在微孔洞，這種微缺陷叫做“損傷”。建立合理的混凝土損傷模型是對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷評(píng)估的關(guān)鍵問(wèn)題之一[5]?；炷恋姆蔷€性應(yīng)力-應(yīng)變特性是由微裂縫的產(chǎn)生和集結(jié)引起的，因此，塑性理論并不能反映材料的真實(shí)本構(gòu)特性，而連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論為該問(wèn)題提供了新的理論基礎(chǔ)?；炷翐p傷塑性模型采用各向同性彈性損傷結(jié)合各向塑性受拉和受壓來(lái)模擬材料非線性本構(gòu)關(guān)系。該模型適用于任意荷載作用情況，同時(shí)考慮損傷引起的彈性剛度的退化以及循環(huán)荷載作用下的剛度恢復(fù)情況[6]，有限元法模擬混凝土受力狀態(tài)主要考慮以下4個(gè)因素:

1.1 應(yīng)變率表達(dá)式

應(yīng)變率可分解為彈性和塑性兩部分，其表達(dá)式為

ε=εel+εpl

(1)

式中:ε為總應(yīng)變率；εel為應(yīng)變率的彈性部分；εpl為應(yīng)變率的塑性部分。

1.2 本構(gòu)關(guān)系

本構(gòu)關(guān)系主要是彈性損傷關(guān)系，可表示為

(2)

1.3 屈服條件

該模型用有效應(yīng)力表示的屈服函數(shù)的形式為

(3)

(4)

1.4 流動(dòng)法則

塑性損傷模型采用非相關(guān)聯(lián)塑性流動(dòng)法則:

(5)

流動(dòng)能G為Drucker-Prager雙曲線函數(shù):

(6)

式中:μ為偏心率,表征了函數(shù)趨近漸近線的速率(當(dāng)μ=0時(shí),G趨向于1條直線)；σt0為失效時(shí)材料單軸拉應(yīng)力；φ為高側(cè)限壓力條件下的p-q面中膨脹角[4]。

2 鋼-混凝土界面模擬

界面問(wèn)題一直是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的核心問(wèn)題，如果該界面發(fā)生過(guò)較大滑移，組合結(jié)構(gòu)就會(huì)在小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞或過(guò)大變形[7]。因此對(duì)該界面的模擬是這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元模擬分析的關(guān)鍵。目前，針對(duì)組合結(jié)構(gòu)剪力鍵推出試驗(yàn)的有限元分析主要有兩種模式，一種是考慮鋼與混凝土的彈塑性，忽略界面效應(yīng)，另一種是引入聯(lián)結(jié)二者的黏結(jié)單元?，F(xiàn)有試驗(yàn)研究結(jié)果表明：鋼材與混凝土的界面性能不僅與二者的材性有關(guān)，還受鋼與混凝土表面的光滑程度、荷載性能等因素的影響。該界面效應(yīng)類似于光圓鋼筋與混凝土間的界面效應(yīng)[8]，由以下3部分組成:①化學(xué)膠結(jié)力:水泥凝膠體與鋼板間存在值較小的膠結(jié)強(qiáng)度；②機(jī)械咬合力:由鋼板表面的凹凸不平造成的與混凝土間的擠壓力，數(shù)值取決于鋼板表面的粗糙程度；③摩擦力:鋼板與混凝土間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)后殘余的摩擦力，數(shù)值大小與接觸面所受法向力和摩擦因數(shù)成正比[9]。

彈簧單元模型是界面模擬時(shí)采用的一種簡(jiǎn)化模型。文獻(xiàn)[7]引入鋼板與混凝土接觸面上的虛擬連接彈簧連接單元模擬鋼與混凝土的黏結(jié)滑移情況，該彈簧通過(guò)彈簧單元的實(shí)常數(shù)F-D(受力-變形)曲線的定義確定彈簧的受力性質(zhì)。具有以下特點(diǎn):① 彈簧單元有兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，不進(jìn)行材料屬性定義，用荷載-滑移曲線定義彈簧單元特性；②F-D曲線用第二象限到第一象限的一系列點(diǎn)構(gòu)成的折線來(lái)定義；③ 原點(diǎn)斜率恒為正值，其余各折線的斜率可以為正或負(fù)；④ 在使用二維和三維彈簧單元時(shí)兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的距離不能為0；⑤ 將三維彈簧退化為一維彈簧時(shí)結(jié)點(diǎn)可以重合。彈簧單元的實(shí)常數(shù)F-D曲線的定義依賴于推出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，由于需要確定的參數(shù)較多，其精確性及通用性較差。

文獻(xiàn)[10]提出了采用無(wú)厚度黏聚區(qū)域模型，模擬鋼板與混凝土板以及栓釘與混凝土之間的界面滑動(dòng)與脫離。該模型中界面黏聚力被克服前無(wú)相對(duì)滑移，隨著荷載增大，當(dāng)界面剪應(yīng)力大于黏聚力時(shí)，發(fā)生相對(duì)滑移，當(dāng)剪應(yīng)力超過(guò)界面抗拉強(qiáng)度時(shí)，連接界面沿法向起裂并張開(kāi)擴(kuò)展。黏聚區(qū)模型中界面單元基于弱化混凝土本構(gòu)理論，采用了多折線模型材料本構(gòu)，并利用ABAQUS的二次開(kāi)發(fā)功能中的UEL接口編譯了多折線模式界面單元子程序，該方法應(yīng)用較為復(fù)雜，在實(shí)際的有限元模擬中有一定局限性。

基于以上研究現(xiàn)狀，筆者考慮到模型中鋼箱及鋼板肋與混凝土之間的界面剪切力作用[11]，采用了1層超彈性材料的界面單元與ABAQUS中的束縛約束相結(jié)合模擬界面效應(yīng)，用界面單元的剪切變形模擬剪力作用下的界面相對(duì)滑移。界面名義厚度采用2 mm，該數(shù)值選擇時(shí)考慮到既能反映界面受剪后的變形情況,又不對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生尺寸效應(yīng)影響。模型中的超彈性材料具有以下屬性[12]:材料行為是彈性、各向同性的；考慮鋼混界面的剪切力的幾何非線性效應(yīng)；材料本身是接近不可壓縮的，泊松比ν>0.475。在模型中，由于界面黏結(jié)滑移本構(gòu)特性與混凝土強(qiáng)度、鋼材表面性狀及施工時(shí)混凝土的澆筑方向等多種因素有關(guān)，因此，該超彈性材料的主要參數(shù)仍依靠試驗(yàn)確定。參照彈簧單元模型中F-D曲線形式，筆者建議方程基本形式為

(7)

式中：A1，t0取值與混凝土強(qiáng)度、鋼材表面性狀等因素相關(guān)，y0取值表征了界面發(fā)生相對(duì)滑移前的那部分作用效應(yīng)，該值大小與界面化學(xué)膠結(jié)力、機(jī)械咬合力、靜摩擦力大小有關(guān)。

ABAQUS束縛約束用于模擬被束縛在一起的兩對(duì)立面(主控面和從屬面)間的力學(xué)行為，此約束的效果為：使從屬面上的節(jié)點(diǎn)與主控面最近的點(diǎn)位移一致。在界面單元與外包混凝土之間、界面單元與鋼板之間設(shè)置該類型約束，見(jiàn)圖1，可避免加載過(guò)程中單元計(jì)算的不連續(xù)性[13]。該方法在計(jì)算界面出現(xiàn)黏結(jié)滑移時(shí)可以提高計(jì)算速度，簡(jiǎn)化模型，但不適用于出現(xiàn)界面掀起時(shí)的情況。

圖1 界面模擬示意Fig.1 Interface simulation diagram

3 模擬實(shí)例

為了對(duì)比驗(yàn)證該方法的模擬效果，將該方法運(yùn)用于某組合結(jié)構(gòu)剪力鍵的推出試驗(yàn)有限元模擬。

3.1 剪力鍵推出實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

剪力連接件是隨著組合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用發(fā)展而來(lái)的，其作用是將鋼與混凝土組合成一個(gè)整體而共同工作。組合結(jié)構(gòu)連接鍵有多種形式[10]，文中剪力鍵為開(kāi)孔鋼板連接件，見(jiàn)圖2～圖4，具體試驗(yàn)尺寸參數(shù)見(jiàn)表1[14]。試驗(yàn)中各試件的混凝土標(biāo)號(hào)均為C30，鋼板采用Q235鋼材，鋼筋均為HRB335，剪力鍵的開(kāi)孔直徑均為30mm，加載方向?yàn)橛上峦希ㄟ^(guò)在試件鋼箱與混凝土界面不同高度位置測(cè)量的電子百分表測(cè)得的數(shù)據(jù)并通過(guò)修正，可以準(zhǔn)確得到推出試件的荷載-滑移曲線。

圖2 鋼箱構(gòu)造Fig.2 Steel box structure diagram

圖3 位移計(jì)布置Fig.3 Layout of displacement meter

圖4 B5試件構(gòu)造(單位/mm)Fig.4 Structure diagram of specimen B5

Table 1 Main parameters of the tested specimen mm

3.2 有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件，建立對(duì)應(yīng)的剪力鍵推出試驗(yàn)試件模型，主要過(guò)程如下:

3.2.1 單元類型選擇及網(wǎng)格劃分

1)單元類型

根據(jù)推出試驗(yàn)實(shí)際幾何尺寸建立各個(gè)部件的幾何模型，主要部件有:混凝土、混凝土榫、箍筋、縱筋、開(kāi)孔鋼板和虛擬界面，為了順利解決大變形和多種非線性問(wèn)題，除縱筋以外的各部件均采用8節(jié)點(diǎn)六面體減縮積分單元(C3D8R)。該單元為8節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有8個(gè)自由度，單元共有24個(gè)自由度，且單元的邊是直線，邊與邊相交是直角，任何邊上節(jié)點(diǎn)都位于該邊的中點(diǎn)上。

2)網(wǎng)格劃分

由于單元形狀會(huì)在很大程度上影響非線性分析的結(jié)果，在進(jìn)行單元網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)保證單元形狀較為規(guī)則，減少畸形單元出現(xiàn)。單元尺寸確定遵循能夠反映應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力梯度、細(xì)化接觸面的單元和盡量降低計(jì)算成本的原則。模型中主要部件的有限元模型建立完成后，如圖5～圖6。

圖5 鋼箱的網(wǎng)格劃分Fig.5 Meshing of steel box

圖6 界面單元的網(wǎng)格劃分Fig.6 Meshing of interface element

3.2.2 模型接觸問(wèn)題及材料屬性定義

1)模型接觸問(wèn)題

本模型中各個(gè)部件間的接觸情況主要有:混凝土榫與貫穿鋼筋間的接觸、孔內(nèi)混凝土與鋼板開(kāi)孔孔壁間的接觸、鋼板與混凝土間的接觸。文中理論模型中采用了以下幾種接觸類型:束縛約束(tie)、無(wú)黏結(jié)無(wú)摩擦接觸、嵌入約束。

2)材料屬性及邊界條件

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中混凝土的多軸強(qiáng)度及本構(gòu)關(guān)系，參考實(shí)驗(yàn)得到單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果得出模型中C30混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及損傷因子[15]等數(shù)據(jù)，將其輸入到ABAQUS中，以近似分析混凝土結(jié)構(gòu)的材料非線性。筆者對(duì)于模型中型鋼和鋼筋材料，應(yīng)力應(yīng)變曲線均采用雙折線理想彈塑性模型，界面單元采用超彈性材料。ABAQUS用應(yīng)變勢(shì)能來(lái)表達(dá)超彈性材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[12]。超彈性材料參數(shù)基于上文的基本方程形式，遵循有限元計(jì)算結(jié)果與推出試驗(yàn)結(jié)果一致原則，試算得到界面超彈性材料的主要參數(shù)A1、t0、y0取值分別為-3.67、2.11、6.32，進(jìn)而得到適用于本次試驗(yàn)條件下鋼-混凝土結(jié)合界面虛擬超彈性材料名義應(yīng)力應(yīng)變曲線(圖7)及對(duì)應(yīng)的方程。

圖7 界面單元材料特性Fig.7 Interface element material properties

當(dāng)名義應(yīng)力y≤2.65 MPa時(shí)，名義應(yīng)變x值為0，當(dāng)y≥2.65 MPa時(shí)，滿足下式關(guān)系:

(7)

模型采用了外包混凝土底面所有節(jié)點(diǎn)固結(jié)的邊界條件，與試驗(yàn)底部加載相符。

3.3 對(duì)比驗(yàn)證

3.3.1 破壞現(xiàn)象對(duì)比

模型求解完成后，可得到如下結(jié)論:

1)如圖8，可知鋼箱與混凝土黏結(jié)界面以及外包混凝土幾乎完全破壞；由圖9可知，混凝土榫損傷較嚴(yán)重，與試驗(yàn)結(jié)果(圖10～圖11)吻合較好。

圖8 外包混凝土的最終損傷情況Fig.8 Final damage of covering concrete

圖9 混凝土榫的最終損傷情況Fig.9 Final damage of concrete tenon

圖10 外包混凝土解剖圖Fig.10 Anatomy of the covering concrete

圖11 界面處混凝土解剖圖Fig.11 Anatomy of the concrete of the interface

2)貫穿鋼筋的豎向位移如圖12，箍筋豎向位移向上為正，由于肋板孔洞及混凝土榫對(duì)貫穿箍筋的作用，箍筋與混凝土榫及肋板交界處出現(xiàn)反彎點(diǎn)，該處變形值也較小，與實(shí)際相符(圖13)。

3)鋼箱的Mises應(yīng)力如圖14，鋼箱在肋板孔洞處應(yīng)力較大，其他部位均未達(dá)到屈服，與試驗(yàn)結(jié)果吻合(圖14)，說(shuō)明鋼箱的模擬符合要求。

3.3.2 荷載-滑移曲線對(duì)比

支撐節(jié)點(diǎn)約束反力和鋼箱與混凝土對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置計(jì)算位移差的關(guān)系即為模型荷載-滑移計(jì)算曲線，將之與與實(shí)測(cè)荷載-滑移曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖15～圖17。由圖可知，計(jì)算模型的荷載-滑移曲線與實(shí)測(cè)曲線在彈性階段基本吻合,極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值相差10%以內(nèi)，說(shuō)明有限元仿真分析具有足夠精度。通過(guò)有限元模擬和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行剪力鍵受力特性的分析和研究有一定的可靠性。

圖12 箍筋的豎向位移Fig.12 Vertical displacement of stirrup

圖13 箍筋處解剖圖Fig.13 Anatomy of the reinforced bar

圖14 鋼箱的Mises應(yīng)力Fig.14 Mises stress of steel box

4 剪力鍵的界面剪切力的發(fā)展全過(guò)程分析

由于對(duì)推出試驗(yàn)現(xiàn)象(尤其是試件內(nèi)部微觀的應(yīng)力應(yīng)變的變化過(guò)程)的觀察存在諸多不便，可利用筆者所述方法建立的有限元模型對(duì)剪力連接件中鋼-混凝土間的界面剪切力的發(fā)展過(guò)程進(jìn)行微觀分析，以之補(bǔ)充試驗(yàn)中無(wú)法觀測(cè)的內(nèi)容。將有限元模型計(jì)算得到的荷載-滑移全過(guò)程曲線劃分為A～K共11個(gè)時(shí)間步作為分析的對(duì)象(見(jiàn)圖18)。

圖15 A試件計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.15 Comparison of calculation and test value of specimen A

圖16 B3試件計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.16 Comparison of calculation and test value of specimen B3

圖17 B5試件計(jì)算值與試驗(yàn)值比較Fig.17 Comparison of calculation and test value of specimen B5

結(jié)合模型的計(jì)算結(jié)果(圖19～圖22)和試驗(yàn)現(xiàn)象分析開(kāi)孔板與混凝土間界面效應(yīng)的發(fā)展過(guò)程如下：

1)在彈性階段,試件界面單元剪切力在試件底部率先增大，隨著前后鋼板與混凝土之間出現(xiàn)微小滑動(dòng)，界面的膠結(jié)力發(fā)生破壞，鋼板表面機(jī)械咬合力開(kāi)始發(fā)揮作用，隨著荷載的增大，鋼板兩端附近界面上的相對(duì)滑動(dòng)增大，且發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)的區(qū)域逐漸向界面中間靠攏，最終應(yīng)力界面上的膠結(jié)力和機(jī)械咬合力的總值達(dá)到最大值，與推出試驗(yàn)中彈性階段內(nèi)界面裂縫由試件兩側(cè)向中間延伸并達(dá)到貫通的模式相同。

圖18 試件模型荷載-滑移曲線Fig.18 Load-slip curve of the test model

圖19 A點(diǎn)處界面應(yīng)力分布Fig.19 Interface stress distribution of step A

圖20 D點(diǎn)處界面應(yīng)力分布Fig.20 Interface stress distribution of step D

2)在彈塑性階段初期界面單元的應(yīng)力在彈性階段的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大直至試件底部界面單元應(yīng)力達(dá)到所設(shè)定的應(yīng)力極限，然后界面底部應(yīng)力極限區(qū)域的范圍逐漸擴(kuò)大向試件頂部延伸。

圖22 K點(diǎn)處界面應(yīng)力分布Fig.22 Interface stress distribution of step K

3)當(dāng)試件進(jìn)入破壞階段以后，滑移量快速發(fā)展，界面底部混凝土與鋼箱間的接觸表面被逐漸銼平，機(jī)械咬合力迅速衰減，界面剪切力主要由界面摩擦力提供，界面底部應(yīng)力極限區(qū)域的范圍不斷向頂部擴(kuò)展。

5 結(jié) 論

筆者采用了一種兼顧精確性與實(shí)用性的界面單元模擬鋼-混凝土界面，成功地建立了組合結(jié)構(gòu)剪力連接件的有限元模型，結(jié)論如下：

1)提出了一種采用特定形式超彈性材料虛擬界面單元與束縛約束相結(jié)合的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)界面模擬方法。該界面單元材料本構(gòu)關(guān)系可通過(guò)推出實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定，并可應(yīng)用到同類材料的組合結(jié)構(gòu)界面的有限元模擬中。

2)筆者建議采用塑性損傷模型模擬鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中的混凝土，可以較好地避免由于鋼-混凝土結(jié)合界面出混凝土局部應(yīng)力集中時(shí)易出現(xiàn)的計(jì)算難以收斂現(xiàn)象，并模擬出混凝土進(jìn)入下降段后的性狀。文中模擬案例表明混凝土的表現(xiàn)與試驗(yàn)破壞現(xiàn)象較吻合。

3)通過(guò)對(duì)某組合結(jié)構(gòu)剪力鍵推出試驗(yàn)的模擬表明，采用本方法模擬鋼-混凝土界面得到的剪力連接件理論模型的計(jì)算破壞現(xiàn)象與實(shí)際破壞現(xiàn)象、計(jì)算荷載滑移曲線與試驗(yàn)值吻合良好。計(jì)算模型的求解過(guò)程可以完整反映剪力連接件在整個(gè)加載過(guò)程中的承載情況，基于ABAQUS有限元模型仿真分析研究連接件的受力情況是可靠的。

4)基于試驗(yàn)現(xiàn)象和模型的計(jì)算結(jié)果得到剪力鍵的鋼-混凝土界面效應(yīng)的發(fā)展過(guò)程:彈性階段界面上出現(xiàn)微小滑動(dòng)，界面抗剪主要由膠結(jié)力和機(jī)械咬合力提供；彈塑性階段所有界面上的機(jī)械咬合力陸續(xù)破壞，抗剪主要由摩擦力和殘余的機(jī)械咬合力提供；彈塑性階段后期和破壞階段界面表面逐漸被銼平，界面剪切力主要由界面摩擦力提供，界面底部應(yīng)力首先達(dá)到極限應(yīng)力并且極限應(yīng)力區(qū)域不斷向試件頂部擴(kuò)展。

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(責(zé)任編輯：朱漢容)

Finite Element Simulation Method of Steel-Concrete Composite Structure Considering the Interface Effect

FAN Liang1, LI Xiao1, HE Jun2

(1. School of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P. R. China;2. Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design & Research, Hangzhou 310006, Zhejiang, P. R. China)

Due to the complexity of a shear transfer problem of the contract interface between steel and concrete, there are various finite element simulation methods on the steel-concrete composite structure currently. However, most of the methods are either too complicated for technical problems or too experiential which depends on many test results to determine the parameters. Therefore, considering the idea of combination of practicality and accuracy, a method using specific hyper elastic virtual interface element was proposed to simulate the steel-concrete composite structure. And it also suggested the concrete plastic damage model can be adopted. The proposed method was applied to the numerical simulation of the mechanical property and interfacial shear force in the whole development process of composite structure shear connector’s push-out tests. The results show that the proposed method is feasible and reliable, which is applicable to the FE simulation of the steel-concrete composite structure considering the interfacial bond slip effect.

bridge engineering; steel-concrete composite structure; finite element simulation; bond slip; push out test

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.07.02

2016- 02-25；

2016- 04- 06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51308571)

范 亮(1979—)，女，安徽蕪湖人，副教授，博士，主要從事鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)研究。E-mail：fanliangcq@mail.com。

TU 398.9

A

1674-0696(2017)07- 007-08