彭定東，周 超，周銀笙，熊 汪

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

1 概述

鋼混組合梁由型鋼、混凝土和抗剪連接件組成，此類結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮鋼材與混凝土的性能，在降低材料用量的同時(shí)，結(jié)構(gòu)整體承載能力大幅提高，相比傳統(tǒng)混凝土板梁結(jié)構(gòu)[1]，鋼混組合梁具備跨度較大的優(yōu)點(diǎn)[2]，已大量運(yùn)用于建筑和橋梁工程中[3]。剪力連接件是型鋼與混凝土安全性和協(xié)調(diào)受力的關(guān)鍵，其不僅可以傳遞2種材料間的剪力，同時(shí)可以抵抗混凝土的掀起作用。

伴隨鋼混組合結(jié)構(gòu)的大力發(fā)展，大量學(xué)者針對抗剪連接件進(jìn)行了研究。Viest[4]通過推出試驗(yàn)研究栓釘直徑和混凝土強(qiáng)度等級對抗剪承載力的影響，結(jié)果表明，栓釘承載力隨栓釘直徑提高而提高，隨混凝土強(qiáng)度增加而增加，且與混凝土強(qiáng)度的1/2次方呈正比關(guān)系。Ollgaard等[5]基于推出試驗(yàn)對栓釘抗剪連接件進(jìn)行參數(shù)分析，明確混凝土強(qiáng)度和彈性模量直接影響最終結(jié)果，并以此提出栓釘承載力計(jì)算公式，該公式形式簡單且適用性強(qiáng)，成為栓釘剪力連接件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)公式。N.Gattesco等[6]提出直剪試驗(yàn)測試栓釘連接性能，與推出試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，基于結(jié)果提出了栓釘荷載-滑移公式。Pallares等[7-8]對300多個(gè)推出試驗(yàn)分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，與各國規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)對比，為栓釘連接件的設(shè)計(jì)和規(guī)范制定提供了參考依據(jù)。Shen等[9]基于推出試驗(yàn)，研究在剪力和拉力復(fù)合作用下栓釘與實(shí)心板和壓型鋼板連接的抗剪性能，得出在實(shí)心板中，栓釘出現(xiàn)大滑移后剪切斷裂，而疊合板中混凝土則發(fā)生脆性椎體破壞;栓釘在壓型鋼板中的安裝位置對栓釘?shù)目辜粜阅苡绊戯@著。Chen等[10]采用數(shù)值模擬大量建模，分析由彎矩引起的混凝土裂縫情況下栓釘群的力學(xué)性能，得出在推擠過程中，混凝土的裂縫會(huì)影響栓釘?shù)交炷恋募袅鬟f，導(dǎo)致栓釘抗剪剛度減小，由回歸分析建立彎矩引起裂縫與栓釘抗剪剛度減小的關(guān)系，提出評估混凝土裂縫深度的分析方法。汪勁豐等[11]基于24個(gè)栓釘抗剪試驗(yàn)探究栓釘高度對栓釘承載力的影響，結(jié)果表明，當(dāng)連接件長徑比4.5～13.2時(shí)，栓釘剪力承載力抗剪承載力隨長徑比增加而增大。為方便抗剪連接件更換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)維護(hù)，嚴(yán)鑫等[12]提出了一種可拆卸螺栓連接件，基于試驗(yàn)得出更換前后連接件力學(xué)性能變化不會(huì)影響鋼混組合結(jié)構(gòu)整體性能。趙根田等[13]采用推出試驗(yàn)分別研究栓釘抗剪連接件在重復(fù)荷載與單調(diào)荷載下的力學(xué)性能，結(jié)果表明重復(fù)荷載作用下栓釘抗剪件出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象和裂縫發(fā)展，導(dǎo)致栓釘承載力下降。丁發(fā)興等[14]采用試驗(yàn)與有限元結(jié)合的方式，研究栓釘直徑、數(shù)量、長徑比、屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度和橫向配筋率等對栓釘剪力連接件荷載移性能的影響，建議了栓釘受剪承載力公式。王雋[15]運(yùn)用ABAQUS有限元模型對一系列栓釘推出試驗(yàn)進(jìn)行分析，采用模型可良好解決無側(cè)向支撐的小滑移非成熟破壞。孫艷寧等[16]基于推出試驗(yàn)研究一種新型裝配式栓釘，結(jié)果表明該栓釘在承載能力滿足規(guī)范要求的同時(shí)延性明顯提高。

目前，國內(nèi)外學(xué)者主要針對常規(guī)栓釘和可拆卸螺栓進(jìn)行推出試驗(yàn)，很少涉及改進(jìn)常規(guī)栓釘力學(xué)性能研究，本文在常規(guī)栓釘?shù)幕A(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，提出一種新型V型栓釘抗剪連接件，將雙排焊釘降低位單排，大幅降低現(xiàn)場焊接次數(shù)，減小鋼材焊接損傷；新型V型栓釘具體形式如圖1所示，主要由2個(gè)常規(guī)栓釘組成，底部可增加基座保證焊接方便。為明確V型栓釘?shù)目辜粜阅?，采用ABAQUS有限元軟件建立栓釘推出試驗(yàn)，通過參數(shù)分析，研究V型栓釘基座高度、焊接角度γ、構(gòu)造角度β、混凝土強(qiáng)度、栓釘材料強(qiáng)度和直徑對構(gòu)件承載力的影響。

圖1 V型栓釘構(gòu)造圖(單位：mm)

2 模型設(shè)計(jì)

本文模型參考?xì)W洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocode4建立推出試驗(yàn)，兩邊混凝土尺寸取600 mm×400 mm×460mm，采用HW250×250型鋼，在型鋼翼緣邊每側(cè)各設(shè)置一個(gè)V型栓釘，混凝土內(nèi)部鋼筋直徑均取10mm，位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 推出試件尺寸(單位：mm)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立

為提高計(jì)算效率，根據(jù)模型對稱性，在ABAQUS軟件中取用1/2模型；鋼梁、栓釘采用C3D8R單元，V型栓釘構(gòu)造難以保證栓釘周圍混凝土網(wǎng)格劃分均為六面體，對混凝體進(jìn)行切分，栓釘周圍混凝土采用C3D10單元，其余部位采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元。詳細(xì)情況如圖3所示?；炷僚c鋼梁間采用硬接觸，不設(shè)置摩擦參數(shù)；栓釘與鋼梁之間進(jìn)行綁定連接；鋼筋內(nèi)嵌于混凝土內(nèi)部，忽略鋼筋與混凝土之間的粘性滑移；栓釘和混凝土采用摩擦接觸，并考慮0.2的摩擦系數(shù)。固定混凝土低面自由度并在1/2對稱面上施加對稱邊界約束，耦合鋼梁頂面于一點(diǎn)進(jìn)行位移法加載獲取承載力結(jié)果。

圖3 模型建立及網(wǎng)格劃分

3.2 本構(gòu)參數(shù)

采用ABAQUS2017自帶混凝土塑性損傷模型，本構(gòu)關(guān)系采用GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦曲線，其單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變形式如下：

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

式中，σ—混凝土應(yīng)力，MPa；ε—混凝土應(yīng)變；Ec—混凝土彈性模量，MPa；dc—混凝土單軸受壓損傷演化參數(shù)；αc—混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值；fc，r—混凝土單軸抗壓強(qiáng)度代表值；εc，r—與單軸抗壓強(qiáng)度fc，r相應(yīng)的混凝土峰值應(yīng)變。

單軸受拉表達(dá)式如下：

σ=(1-dt)Ecε

(3)

(4)

式中，dt—混凝土單軸受拉損傷演化參數(shù)；αt—混凝土單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段參數(shù)值；ft，r—混凝土單軸抗拉強(qiáng)度代表值，MPa；εt，r—與單軸抗拉強(qiáng)度ft，r相應(yīng)的混凝土峰值應(yīng)變。

鋼材荷栓釘均采用理想彈塑性模型，型鋼采用與栓釘一致材料，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示。

圖4 鋼材本構(gòu)關(guān)系圖

3.3 材料參數(shù)

采用C30混凝土，其彈性模量為3×104MPa，密度為2400kg/m3，泊松比為0.2；推出試驗(yàn)中不考慮工字鋼的受力和變形，有限元模擬中可對型鋼進(jìn)行加強(qiáng)處理[17]，本文型鋼和栓釘取一致材料，屈服強(qiáng)度為470.8MPa，彈性模量為2×105MPa，泊松比取0.3。

3.4 模型驗(yàn)證

Dennis Lam[18]通過試驗(yàn)與有限元模擬的方式對傳統(tǒng)栓釘?shù)目辜舫休d性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好?；谖谋具\(yùn)用的本構(gòu)關(guān)系和模擬方法，設(shè)置相同尺寸栓釘和相同材料強(qiáng)度試件對Dennis Lam文中SP3試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值分析，提取栓釘荷載-滑移曲線與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、理論數(shù)據(jù)對比，如圖5所示，試驗(yàn)栓釘承載力為92.18kN，本文有限元模擬值為92.47kN，可知，有限元模型與試驗(yàn)、理論值吻合良好，采用數(shù)值分析能夠較好研究栓釘承載力。

圖5 有限元計(jì)算和試驗(yàn)值比較

3.5 V型栓釘受力過程分析

對無基座V型栓釘進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合應(yīng)力狀態(tài)試件分析栓釘各階段受力性能。初始加載時(shí)，V型栓釘受力較小，變形處于彈性范圍內(nèi)，栓釘根部受力比較大，對周邊混凝土擠壓較小，栓釘頂部幾乎無應(yīng)力。隨著荷載逐漸增加，栓釘?shù)撞砍霈F(xiàn)滑移，栓釘桿部開始微小彎曲變形，對下部混凝土造成擠壓損傷，栓釘根部和中部出現(xiàn)較大應(yīng)力，頂部基本無應(yīng)力作用。隨著荷載的進(jìn)一步加大，荷載逐漸接近承載力，栓釘桿部應(yīng)力增大向栓釘根部擴(kuò)散，栓釘根部應(yīng)力則向上擴(kuò)散與桿部銜接，栓釘根部單元發(fā)生大變形導(dǎo)致剪切破壞，底部混凝土受壓損傷進(jìn)一步擴(kuò)大，栓釘頂部應(yīng)力仍處于較低水平。栓釘各階段具體受力狀態(tài)如圖6所示。

圖6 栓釘各階段應(yīng)力變化狀態(tài)

4 影響參數(shù)分析

4.1 基座高度

設(shè)置混凝土強(qiáng)度為30MPa，栓釘屈服強(qiáng)度為470.8MPa、直徑19mm、長度100mm，β角取45°，γ角取0°，改變栓釘基座高度，得出不同基座高度對栓釘承載力的影響，結(jié)果如圖7所示?？傮w上，V型栓釘承載力隨基座高度增加而增加，當(dāng)基座高度在0～4mm時(shí)栓釘總體承載力增幅不大；當(dāng)基座高度由4mm增加至6mm，栓釘總體承載力提高明顯，增加幅度約33%；基座高度在6～10mm的增長幅度與0～2mm相差不大，不超過8%。提取不同高度基座的受力狀態(tài)，如圖8所示，隨著基座高度的增加，基座達(dá)到屈服應(yīng)力的面積逐漸增多，基座在0～4mm時(shí)，面積增加不明顯，基座高度由4mm增加至6mm，基座達(dá)屈服面積急劇增多，6～10mm變化不明顯。分析原因?yàn)椋诨叨葹?時(shí)，栓釘端部發(fā)生剪斷破壞，隨著基座高度的增加，基座與栓釘開始協(xié)同受力，提高了栓釘承載力，但是在基座高度小于4mm的情況下，基座對栓釘承載力影響較小，栓釘與基座交界處為試件承載力控制截面；當(dāng)基座高度在4～6mm時(shí)，控制截面逐漸向栓釘基座過渡，基座截面面積大于栓釘與基座交界處，試件承載力因此大幅上漲；當(dāng)基座高度大于6mm，強(qiáng)度控制截面過渡完成，栓釘交界面仍舊會(huì)對V型栓釘性能產(chǎn)生削弱影響，試件隨交界面遠(yuǎn)離強(qiáng)度控制面而緩慢增加。

圖7 基座高度對栓釘承載力的影響

圖8 不同高度基座破壞應(yīng)力云圖

4.2 焊接角度γ和構(gòu)造角度β

設(shè)置混凝土強(qiáng)度為30MPa，栓釘屈服強(qiáng)度為470.8MPa、直徑19mm、長度180mm，改變?chǔ)陆菫?0°、45°和60°，對比分析角β對V型栓釘承載力影響，考慮混凝土保護(hù)層厚度和栓釘構(gòu)造關(guān)系，對β角小于30°和大于60°不做討論。如圖9所示，隨著γ角的增大，V型栓釘承載力呈線性降低，分析原因?yàn)樗ㄡ斉c型鋼連接面積隨γ角增大依次減小，通過計(jì)算，β角為45°和60°時(shí)，底部面積分別是30°的70.1%和57.7%；β角為30°時(shí)，承載力為216.9kN；β角45°和60°承載力分別是30°時(shí)的86.0%和70.9%，承載力下降趨勢小于栓釘?shù)撞棵娣e降低趨勢，原因?yàn)樗ㄡ敾鶎υ嚰?qiáng)度的影響。

圖9 γ角與β角對承載力的影響

保證β角為45°，改變?chǔ)媒谴笮?，可知，γ角的變化對栓釘承載力影響較小，其中，當(dāng)γ角在15°、45°、60°和75°時(shí)，栓釘承載力均在195kN左右，數(shù)值相差不大；但是當(dāng)γ角為30°和90°時(shí)，V型栓釘承載力都有一定程度提高，分析原因?yàn)樵讦媒堑扔?0°時(shí)，斜釘正好與混凝土內(nèi)部鋼筋相交，鋼筋與栓釘?shù)膮f(xié)同受力提高了V型釘承載力；當(dāng)γ角等于90°時(shí)，栓釘基座由橫向變?yōu)樨Q向，2個(gè)常規(guī)栓釘呈“斜撐”形式，如圖10所示，這種狀態(tài)對栓釘承載力有提升作用。

圖10 γ角等于90°時(shí)受力形式

4.3 混凝土強(qiáng)度

設(shè)置栓釘屈服強(qiáng)度為470.8MPa、直徑19mm、長度180mm，γ角為0°，β角為45°為例，改變混凝土強(qiáng)度為C30、C40、C50和C60，如圖11所示，隨著混凝土強(qiáng)度增加，栓釘承載力相對增加，混凝土為C60時(shí)承載力相比C30增加僅5.5%，增長趨勢緩慢。

圖11 混凝土強(qiáng)度等級對承載力的影響

4.4 栓釘強(qiáng)度

釘起著連接型鋼和混凝土的作用，材料強(qiáng)度對試件承載力影響較大。以混凝土強(qiáng)度取C30為例，直徑19mm、長度180mm，β角取45°，γ角取0°，設(shè)置栓釘材料強(qiáng)度分別為390、470、490、550 MPa，得到后3個(gè)栓釘承載力相對前1個(gè)依次增加10.2%、3.1%、10.4%，如圖12所示，試件承載力與栓釘屈服強(qiáng)度呈近似線性關(guān)系。

圖12 栓釘強(qiáng)度對承載力的影響

4.5 直徑

根據(jù)GB/T 104433—2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》中建議栓釘尺寸，以混凝土強(qiáng)度C30為例，保持栓釘長度為180mm，β角取45°，γ角取0°，栓釘屈服強(qiáng)度為470.8MPa，設(shè)置直徑分別為10、13、15、19、22、25mm栓釘進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖13所示，試件承載力隨栓釘直徑的增加而近似近似線性增加。

圖13 栓釘直徑對承載力的影響

5 V型栓釘與常規(guī)栓釘受力對比

以γ角取0°，β角取45°的無基座栓釘和4mm基座栓釘為例，由圖14可知，初始受力階段，V型栓釘剪切剛度較大，滑移增加速度遠(yuǎn)小于荷載增加速度；同采用2個(gè)常規(guī)栓釘?shù)脑嚰芰π阅軐Ρ龋奢d相同時(shí)，V型栓釘滑移量大于常規(guī)栓釘，在荷載接近抗剪承載力時(shí)，2種栓釘滑移曲線基本一致；由于無基座栓釘端頭交接處存在切削，2個(gè)常規(guī)栓釘承載力大于無基座栓釘，4mm基座V型栓釘與2個(gè)常規(guī)栓釘承載力基本一致，因此當(dāng)V型栓釘β角小于45°，基座高度大于4mm時(shí)，可使用當(dāng)前規(guī)范公式對其進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。

圖14 幾種栓釘?shù)暮奢d滑移曲線對比

6 結(jié)論

本文基于ABAQUS有限元建立推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯型栓釘承載力進(jìn)行研究，分析栓釘各參數(shù)對最終結(jié)果的影響，得到如下結(jié)論：

(1)利用ABAQUS有限元模擬推出試驗(yàn)得到栓釘承載力荷載與真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分接近，荷載-滑移曲線吻合良好，ABAQUS有限元計(jì)算可用于推出試驗(yàn)研究。

(2)V型栓釘承載力隨基座高度增加而相應(yīng)增加，當(dāng)基座高度小于4mm和大于6mm，增加速度緩慢，基座高度在4～6mm之間時(shí)，承載力增加迅速；γ角對V型栓釘承載力影響不大，栓釘承載力隨β角的增大而減??；混凝土強(qiáng)度對栓釘承載力影響較小；V型栓釘承載力與栓釘材料強(qiáng)度和直徑呈近似線性關(guān)系。

(3)β角為45°的4mm基座V型栓釘與常規(guī)栓釘承載力基本一致，可使用當(dāng)前規(guī)范公式對β角小于45°、基座高度大于4mm的V型釘進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。