王奕博 呂偉榮 徐偉

（湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

在土木工程領(lǐng)域，栓釘剪力連接件因其充分利用了混凝土和栓釘?shù)男阅?，表現(xiàn)出抗剪承載力大、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中[1]。在風(fēng)力機(jī)領(lǐng)域，基礎(chǔ)環(huán)作為預(yù)埋在基礎(chǔ)混凝土內(nèi)部的鋼制部分，是連接基礎(chǔ)和鋼塔的過渡構(gòu)件，承受并傳遞風(fēng)荷載作用下的巨大彎矩[2]。對于基礎(chǔ)環(huán)式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，常采用在預(yù)埋基礎(chǔ)環(huán)上焊接栓釘?shù)男问?。焊接栓釘?shù)幕A(chǔ)環(huán)有著良好的抗剪抗彎能力，使基礎(chǔ)環(huán)和混凝土發(fā)揮出更好的協(xié)同工作能力，如今被越來越多地應(yīng)用在風(fēng)力機(jī)新建和加固項(xiàng)目中[3]。本文將通過理論分析，并在建立有限元分析模型的基礎(chǔ)上，提出抗拔栓釘剪力連接件的配筋方案，以供工程進(jìn)行參考。

1 栓釘剪力連接件的試驗(yàn)研究現(xiàn)狀

栓釘基礎(chǔ)環(huán)局部受力情況與栓釘剪力連接件類似。對于栓釘剪力連接件，國內(nèi)外已經(jīng)開展了較多的試驗(yàn)研究，得出了大量的理論和試驗(yàn)結(jié)論。Ollgaard等[4]對栓釘連接件的推出試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)栓釘?shù)目辜魪?qiáng)度主要受混凝土的強(qiáng)度和彈性模量的影響，并提出了栓釘連接件的抗剪承載力計(jì)算式和荷載-滑移曲線的指數(shù)型模型。聶建國等[5]基于大量栓釘剪力連接件的試驗(yàn)結(jié)果，提出了放寬對栓釘連接件承載力公式限制條件的建議。Shim、Xue、汪洋等人發(fā)現(xiàn)栓釘?shù)目辜粜阅苤饕芩ㄡ斨睆健⒏叨?、抗拉?qiáng)度及混凝土強(qiáng)度參數(shù)的影響[6-8]。丁發(fā)興等[9]對栓釘剪力連接件的推出試驗(yàn)和有限元結(jié)果進(jìn)行對比，兩者符合較好。

從以上可知，目前關(guān)于栓釘連接件的試驗(yàn)主要是栓釘剪力連接件的推出試驗(yàn)，關(guān)于抗拉栓釘剪力連接件的拔出試驗(yàn)的研究較少。因混凝土的抗拉性能遠(yuǎn)弱于其抗壓性能，抗拔栓釘剪力連接件易發(fā)生混凝土拉裂的破壞形態(tài)（見圖1所示），從而降低抗拔栓釘剪力連接件的承載力。為提高栓釘剪力連接件的抗拔性能，需要在混凝土中合理布置足量的縱筋，而對于抗拔栓釘剪力連接件的鋼筋配置一直未形成明確的規(guī)范。為探究抗拔栓釘剪力連接件的合理鋼筋配置，需進(jìn)行有限元的建模分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 抗拔栓釘剪力連接件混凝土截面拉裂

2 抗拔栓釘剪力連接件的鋼筋布置研究

2.1 抗拔栓釘剪力連接件配筋面積計(jì)算公式

在歐洲規(guī)范[10]中，栓釘剪力連接件試驗(yàn)為推出試驗(yàn)，由于混凝土有著良好的抗壓能力，規(guī)范中的剪力連接件試件采用構(gòu)造配筋。對于栓釘剪力連接件的拉拔試驗(yàn)，由于混凝土的抗拉性能較差，極易被拉壞，故構(gòu)造配筋無法滿足抗拔栓釘剪力連接件的設(shè)計(jì)要求。

對于抗拔栓釘剪力連接件，混凝土受到來自栓釘?shù)纳习瘟Γ涫芰δＪ筋愃朴谳S心受拉。于是將抗拔栓釘剪力連接件視作正截面軸心受拉構(gòu)件，以栓釘為中心規(guī)定核心區(qū)，要求由核心區(qū)內(nèi)的鋼筋承受來自剪力連接件的縱向拉力，故核心區(qū)內(nèi)的鋼筋承載力需大于剪力連接件的破壞荷載，從而避免剪力連接件發(fā)生混凝土橫截面的受拉破壞。以抗拔栓釘剪力連接件為例（見圖2、圖3所示），因破壞始于栓釘附近的混凝土，在栓釘附近布置了16根主要受力縱筋，將16根鋼筋所圍區(qū)域定為核心區(qū)，核心區(qū)外規(guī)定為構(gòu)造區(qū)，在后續(xù)的有限元分析工作中將通過對鋼筋應(yīng)力的分析證實(shí)其有效性。

圖2 抗拔栓釘剪力連接件俯視圖

圖3 抗拔栓釘剪力連接件側(cè)視圖

在《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）[11]中，對于軸心受拉構(gòu)件的正截面受拉承載力公式為：

由歐洲規(guī)范[10]計(jì)算的栓釘承載力為：

將（2）帶入（1）得出核心區(qū)內(nèi)縱向鋼筋配筋面積公式為：

式中：

As1——核心區(qū)內(nèi)縱向鋼筋配筋面積；

N1——鋼筋總承載力；

fy1——鋼筋抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

N2——栓釘總承載力；

n——栓釘個數(shù)；

As2——栓釘?shù)臋M截面積；

fy2——栓釘?shù)目估瓘?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

2.2 抗拔栓釘剪力連接件設(shè)計(jì)

為探究鋼筋布置對抗拔栓釘剪力連接件破壞形態(tài)的影響，設(shè)計(jì)如下抗拔栓釘剪力連接件試件。混凝土強(qiáng)度等級取為C40，栓釘直徑為13mm，栓釘間距為5.38d（70mm），栓釘長度為50mm，鋼板厚度為16mm，鋼筋選用HRB400。

將圖4標(biāo)注區(qū)域規(guī)定為核心區(qū)，對試件的配筋進(jìn)行計(jì)算。由公式（3）計(jì)算得核心區(qū)內(nèi)的配筋面積As1需大于764.15mm2。綜合考慮群釘?shù)拈g距和安裝鋼筋的操作性，在核心區(qū)內(nèi)對稱布置了共16根縱筋，選用8mm直徑的鋼筋。該配筋方案的配筋面積之和為803.84mm2，大于計(jì)算核心區(qū)配筋面積，符合設(shè)計(jì)要求。核心區(qū)外布筋方式如圖5所示，縱筋和箍筋選用8mm直徑，布置構(gòu)造配筋的同時，在每根栓釘下布置一圈箍筋，達(dá)到約束縱筋的作用。

圖4 試件俯視圖

圖5 試件正立面圖

2.3 設(shè)計(jì)配筋方案

為驗(yàn)證該配筋方案的有效性并探究不同配筋方案對剪力連接件拉拔試驗(yàn)的影響，制定了以下超筋、適筋、少筋和無筋的配筋方案（見表1所示），分別進(jìn)行有限元建模。以抗拔栓釘剪力連接件試件設(shè)計(jì)的配筋方案作為適筋方案，計(jì)算配筋率定為100%，以此制定少筋、超筋和無筋的配筋方案。對于不同的配筋方案，為保證單一變量，只改變了核心區(qū)內(nèi)縱筋配筋面積，核心區(qū)外的鋼筋均不會改變。

表1 配筋方案設(shè)計(jì)

3 拔出試驗(yàn)有限元模擬及驗(yàn)證

3.1 有限元模型概況

通過abaqus有限元模擬軟件對抗拔栓釘剪力連接件進(jìn)行1∶1建模，有限元模型如圖6、圖7所示。該模型主要由混凝土、鋼板、栓釘、鋼筋籠四部分組成。其中，鋼板、栓釘、混凝土的材料都采用三維八節(jié)點(diǎn)減縮實(shí)體單元（C3D8R）進(jìn)行模擬，鋼筋籠采用三維二節(jié)點(diǎn)桁架單元（T3D2）進(jìn)行模擬。全局種子尺寸為20mm，栓釘根部采用5mm的尺寸。鋼板和混凝土的接觸界面采用法向“硬”接觸，切向罰函數(shù)（摩擦系數(shù)為0.4），小滑移公式來模擬。栓釘和混凝土的接觸界面和鋼板混凝土類似，滑移公式為有限滑移。栓釘與鋼板間采用綁定約束，混凝土的兩端部的頂面上設(shè)置固端約束。加載方式為向鋼板的頂面施加豎直向上的位移，大小為10mm。

圖6 抗拔栓釘剪力連接件模型

圖7 抗拔栓釘剪力連接件模型內(nèi)部配筋

3.2 模型本構(gòu)

混凝土的本構(gòu)采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）[10]建議的本構(gòu)關(guān)系，選取C40的混凝土參數(shù)，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=26.8MPa，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.39MPa，泊松比為μc=0.2，彈性模量Ec=3.25×104MPa?；炷敛牧纤苄詤?shù)見表2。

表2 混凝土材料塑性參數(shù)

栓釘?shù)谋緲?gòu)采用彈塑性強(qiáng)化本構(gòu)：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用三折線曲線，栓釘達(dá)到屈服應(yīng)變后進(jìn)入屈服階段，隨應(yīng)變的增加最后進(jìn)入強(qiáng)化階段，通過栓釘快速變形模擬栓釘剪斷失效的過程。栓釘?shù)膹椥阅Ａ縀s=2.06×105MPa，屈服強(qiáng)度取fy=375MPa，極限強(qiáng)度取fu=450MPa，屈服應(yīng)變?nèi)ˇ舮=fy/Es=0.001820，極限應(yīng)變?nèi)ˇ舥=0.021908。

鋼筋和鋼板的本構(gòu)采用彈塑性強(qiáng)化本構(gòu)：應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用雙折線曲線，鋼材達(dá)到屈服應(yīng)變后進(jìn)入屈服平臺，極限強(qiáng)度取fu=360MPa。

3.3 有限元模型分析結(jié)果

3.3.1 各模型荷載位移曲線分析

經(jīng)過有限元的運(yùn)算，得到不同配筋率下的剪力連接件荷載-滑移曲線，見圖8。

圖8 各模型荷載滑移曲線

有限元模型的荷載滑移曲線分為兩個階段，第一階段各個配筋方案的荷載滑移曲線差別極小，第二階段起，配筋率越高的構(gòu)件，栓釘?shù)钠茐陌l(fā)生得越早，栓釘承載力也略有提高。

分析有限元模擬的現(xiàn)象：第一階段，混凝土中產(chǎn)生的裂縫較小，此階段荷載主要由混凝土來直接承擔(dān)，鋼筋間接受力，未發(fā)揮作用，故不同配筋率的模型在第一階段有著一致的荷載—滑移曲線。第二階段，裂縫逐漸擴(kuò)大，混凝土所受荷載逐漸傳遞到鋼筋上，在該階段，配筋率對荷載滑移曲線有著顯著的影響。

3.3.2 不同配筋率下模型的混凝土拉損分析

對不同配筋率的混凝土拉損進(jìn)行分析，圖9～圖12為拉拔模型的混凝土拉損。

圖9 無筋模型混凝土受拉損傷

圖10 少筋模型混凝土受拉損傷

圖11 適筋模型混凝土受拉損傷

圖12 超筋模型混凝土受拉損傷

對于無筋模型，隨著荷載的增加，混凝土首先會在栓釘?shù)撞颗c鋼板底部的兩側(cè)產(chǎn)生較大的拉損，對比不同配筋率的模型，無筋模型栓釘?shù)撞績蓚?cè)的拉損是最嚴(yán)重最明顯的，最終破壞形態(tài)為混凝土橫截面拉裂；對于少筋的模型，隨著荷載的增加，混凝土在栓釘?shù)撞颗c鋼板底部的兩側(cè)產(chǎn)生較大的拉損，同時栓釘頂部以上的混凝土出現(xiàn)了很大程度的沖切損傷，最終破壞形態(tài)為混凝土橫截面拉裂與頂部混凝土的沖切破壞；對于適筋的模型，在栓釘發(fā)生剪斷時，混凝土在栓釘?shù)撞颗c鋼板底部的兩側(cè)產(chǎn)生一定程度的拉損，栓釘頂部發(fā)生了少量的沖切損傷，最終破壞形態(tài)為栓釘?shù)募魯?；對于超筋的模型，其破壞形態(tài)與適筋的破壞形態(tài)類似，也是栓釘?shù)募魯?，但混凝土產(chǎn)生損傷范圍要更小。由分析可知，栓釘剪力連接件模型在無筋、少筋、適筋和超筋情況下分別會出現(xiàn)混凝土截面拉裂、混凝土沖切破壞、栓釘剪斷三種破壞形態(tài)。

3.3.3 不同配筋率下模型的鋼筋應(yīng)力分析

對不同配筋率的有限元模型的鋼筋應(yīng)力情況進(jìn)行分析，圖13～圖17為剪力連接件模型的鋼筋應(yīng)力分布：對于25%配筋模型，隨著荷載的增加，混凝土截面產(chǎn)生較大裂縫，核心區(qū)鋼筋全部屈服；對于50%配筋模型，隨著荷載的增加，在栓釘發(fā)生剪斷時，核心區(qū)內(nèi)最靠近栓釘?shù)?根鋼筋發(fā)生了屈服；對于100%配筋模型，栓釘發(fā)生剪斷時，核心區(qū)內(nèi)鋼筋均未屈服，最高應(yīng)力水平為237MPa；對于200%配筋模型，栓釘發(fā)生剪斷時，核心區(qū)內(nèi)鋼筋均未屈服，鋼筋最高應(yīng)力水平為113MPa。

圖13 栓釘?shù)腗ises應(yīng)力

圖14 無筋模型鋼筋Mises應(yīng)力分布

圖16 適筋模型時鋼筋Mises應(yīng)力分布

圖17 超筋模型鋼筋Mises應(yīng)力分布

由上述有限元分析結(jié)果可知，在剪力連接件發(fā)生破壞時，隨著剪力連接件配筋率的提升，鋼筋的應(yīng)力水平逐漸降低。在少筋情況下，剪力連接件發(fā)生破壞時核心區(qū)內(nèi)鋼筋會發(fā)生屈服；在適筋和超筋情況下，剪力連接件破壞時核心區(qū)內(nèi)鋼筋尚未屈服。

對不同配筋率的有限元模型的鋼筋應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)核心區(qū)內(nèi)鋼筋所受應(yīng)力由中間往兩邊遞減（沿栓釘軸向），且核心區(qū)外鋼筋應(yīng)力水平下降迅速，證明拉拔模型所受應(yīng)力主要傳遞在核心區(qū)內(nèi)的鋼筋上，且核心區(qū)內(nèi)縱筋受力大小由中心向兩側(cè)遞減。

4 結(jié)束語

為探究抗拔栓釘剪力連接件的合理鋼筋配置，本文采用有限元的建模分析和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)論是：

（1）抗拔栓釘剪力連接件模型的抗拔承載力隨著配筋率的增加而上升，在無筋、少筋、適筋和超筋情況下分別會出現(xiàn)混凝土截面拉裂、混凝土沖切破壞、栓釘剪斷三種破壞形態(tài)。

（2）抗拔栓釘剪力連接件模型中主要受力筋為核心區(qū)內(nèi)的縱筋，可將其視為核心區(qū)軸向受拉來進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)核心區(qū)的鋼筋計(jì)算承載力大于栓釘破壞荷載時，能夠保證抗拔栓釘剪力連接件發(fā)生栓釘剪斷的破壞形態(tài)。