劉成章，洪兆遠(yuǎn)，柏 湘，史劍飛

（中機中聯(lián)工程有限公司，重慶 400039）

鋼混組合橋梁的建造目前朝著標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化、快速化的方向不斷發(fā)展，裝配式組合橋梁憑借其優(yōu)勢得到的廣泛應(yīng)用[1-2]。裝配式組合橋梁目前主要是通過在鋼梁上面設(shè)置集簇式栓釘與混凝土橋面板緊密連接。但是由于集簇式栓釘連接件中栓釘?shù)牟贾妹芏容^高，各排栓釘之間的群釘效應(yīng)相當(dāng)明顯，這導(dǎo)致其與單釘連接件的受力性能存在很大的差異。目前各國規(guī)范僅給出了單釘承載力相關(guān)計算方法，并未對集簇式栓釘連接件中群釘效應(yīng)的影響給出對應(yīng)計算方法，針對于此點，國內(nèi)外學(xué)者對集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)開展了一系列研究。

目前，GB50917-2013《鋼-混組合橋梁設(shè)計規(guī)范》考慮混凝土強度（C30-C60）和群釘間距的影響，提出了普通混凝土中的集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)的計算方法[3]。Okada 等通過群釘推出試驗研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)栓釘?shù)目v向間距大于13d（d為栓釘?shù)闹睆剑r，栓釘之間的群釘效應(yīng)可不予考慮。并且提出了考慮混凝土強度及栓釘間距的栓釘連接件抗剪承載力計算方法[4]。劉沐宇等針對長短型的集簇式剪力釘?shù)牟贾锰攸c，通過對應(yīng)的集簇式栓釘連接件的推出試驗，重點研究該類連接件的抗剪承載力的相關(guān)性能[5]。其研究表明短栓釘?shù)闹睆胶涂估瓘姸葘υ擃愡B接件的力學(xué)性能影響較為顯著。隨后，大量學(xué)者對集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)開展了一系列研究。

本文以某文獻中的集簇式栓釘連接件為設(shè)計依據(jù)，采用ABAQUS 建立其有限元模型，與文獻中試件的承載力進行校核，進而對該類連接件的破壞形態(tài)、破壞機理進行分析，后對群釘效應(yīng)的影響參數(shù)開展了分析，得到了相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律。

1 試件設(shè)計

參考文獻[6]中的集簇式栓釘連接件GS1 的實驗，其試件尺寸如圖1 所示。鋼梁采用Q345，其尺寸為600mm×190mm×20mm；混凝土采用C50，其尺寸為600mm×500mm×350mm。栓釘?shù)囊?guī)格為?16mm×150mm（直徑×高度）。鋼筋采用熱軋帶肋鋼筋，強度等級為HRB335，豎向鋼筋和箍筋的直徑分別為16mm 和8mm。其余材料的力學(xué)性能參數(shù)詳細(xì)見表1 所示?；炷恋目箟簭姸群蛷椥阅Ａ糠謩e為52.5MPa 和34.5GPa，混凝土層的保護層厚度選為60mm，栓釘間距選擇為64mm（4d），橫向間距為180mm，布置為2 列×3 排。

表1 材料參數(shù)

圖1 試件尺寸示意圖（mm）

2 有限元模型建立

2.1 模型概述

采用ABAQUS 建立集簇式栓釘連接件的有限元模型，其中混凝土板、栓釘以及工字鋼梁部件采用三維實體單位進行模擬，混凝土板中的鋼筋網(wǎng)采用桁架單元模擬。建模時直接將栓釘與工字鋼板合并為同一部件，僅賦予不同的材料參數(shù)。鋼筋直接嵌入到混凝土板內(nèi)部。鋼梁和混凝土、栓釘與混凝土孔壁之間采用面面接觸關(guān)系。其法向均采用硬接觸，切向采用罰函數(shù)。由于試件的鋼混界面進行了涂油處理，因此鋼混界面摩擦系數(shù)取成0，而栓釘和混凝土孔壁之間的摩擦系數(shù)取0.4。

由于試件關(guān)于雙平面對稱，為節(jié)省計算成本的考慮，此處僅建立1/4 模型進行有限元分析。分別在XOY平面和YOZ平面設(shè)置對稱邊界條件。在混凝土板的底部設(shè)置固結(jié)約束，在鋼梁頂面形心處設(shè)置參考點，將參考點與鋼梁平面耦合，在參考點施加位移荷載進行加載。全局的整體有限元網(wǎng)格模型如圖2 所示。

圖2 有限元模型

2.2 材料本構(gòu)

栓釘、鋼梁與鋼筋均采用雙折線本構(gòu)模型，混凝土采用損傷塑性本構(gòu)模型。根據(jù)損傷塑性本構(gòu)要求，混凝土的單軸拉伸與單軸壓縮的本構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線按照規(guī)范GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中選取。

2.3 模型驗證

試件的破壞形態(tài)為栓釘被剪斷，栓釘周圍的混凝土出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象，破壞示意圖見圖3 所示。從圖中可以明顯看出，栓釘周圍的混凝土應(yīng)力已經(jīng)超限（混凝土被壓潰），栓釘根部出現(xiàn)破壞（栓釘被剪斷）。試件的破壞形態(tài)與文獻[6]的推出試驗的破壞形態(tài)相一致。本文模擬的集簇式栓釘連接件的抗剪極限承載力為1 432kN，文獻[6]的實測結(jié)果為1 451.6kN。兩者的抗剪極限承載力相差僅1.3%，這說明本文的數(shù)值模型可以反映集簇式栓釘連接件的破壞過程和極限承載力。

圖3 破壞模式

3 群釘效應(yīng)機理分析

當(dāng)開始加載時，栓釘周圍的混凝土受到的壓應(yīng)力較小，其混凝土板的橫向變形也比較小；但隨著頂部荷載的進一步增大，栓釘?shù)撞康幕炷脸惺艿膲簯?yīng)力逐漸增大，混凝土內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫。但栓釘周圍的局部混凝土?xí)岣呒s束作用，該區(qū)域的受壓混凝土的強度和延性得到提高。在栓釘?shù)膹椥允芰﹄A段，可以將其視為彈性地基梁結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。

圖4 單個栓釘受力示意圖

當(dāng)在鋼梁上部承載豎向荷載F時，此時，栓釘根部A 端會隨著鋼板的下移產(chǎn)生比較大的豎向位移，而遠(yuǎn)離鋼板端的B 端（栓釘頭部）會阻礙A端的下移。隨著荷載的不斷加大，栓釘根部A 端下側(cè)的混凝土最先進入到塑性狀態(tài)，該區(qū)域的混凝土提供的反力不再增加。但是附件區(qū)域的混凝土仍然可以承載一定的荷載，隨著豎向荷載F的進一步增加，混凝土的塑性區(qū)域很快地會從栓釘根部區(qū)域A 端向栓釘頭部區(qū)域B 端擴展，直至栓釘被剪斷或者混凝土整體不能承載壓力時，栓釘連接件的承載力達(dá)到極限狀態(tài)。

群釘連接件與單個栓釘?shù)闹饕獏^(qū)別在于單個栓釘試件周圍的混凝土區(qū)域較大，混凝土所能提供的反力較大，而集簇式栓釘連接件由于栓釘排列比較緊密，導(dǎo)致混凝土提供的反力較小，因此，和單釘試件相比較，在破壞過程中出現(xiàn)極限滑移較大和承載力下降的現(xiàn)象。

4 群釘效應(yīng)參數(shù)研究

在集簇式栓釘連接件中，群釘效應(yīng)的存在會導(dǎo)致連接件的抗剪承載力有所降低。目前一般認(rèn)為影響群釘效應(yīng)的參數(shù)主要有栓釘間距離、混凝土板的強度等。因此，針對群釘效應(yīng)的影響參數(shù)開展有限元分析，分析其對集簇式栓釘連接件抗剪承載力的影響。

4.1 間距影響

以文中的試件為基準(zhǔn)模型（栓釘?shù)呐艛?shù)選取為3 排，混凝土強度等級為C50），分別調(diào)整栓釘?shù)拈g距為4～11d，所有試件的單釘平均承載力如圖5 所示。

圖5 間距影響

從圖5 中看出，當(dāng)栓釘間距由4d 增加至11d的過程中，試件的單釘平均承載力在不斷增加，從最開始的119.3kN 增加至137.2kN，單釘?shù)钠骄休d力增加了15.1%。承載力的增量與栓釘間距呈現(xiàn)出線性增長趨勢。但試件的極限滑移量變化不大，由4d 增加至11d 時，極限滑移量變化僅3%。這說明栓釘間距對平均承載力的影響比較明顯，對極限滑移量的影響較小。并且滑移量也滿足歐洲規(guī)范中關(guān)于連接件的延性要求（極限滑移量大于6mm）。

對于集簇式栓釘連接件，當(dāng)混凝土強度和尺寸確定之后，間距對其的影響主要是兩排栓釘之間的混凝土對栓釘?shù)募s束作用，當(dāng)間距過小時，栓釘上部的混凝土?xí)幱谠撍ㄡ攲ζ涞睦瓚?yīng)力和前排栓釘對其的壓應(yīng)力相互作用過程中。兩者之間的拉壓應(yīng)力相互重疊，削弱了混凝土對栓釘?shù)募s束作用，引起栓釘?shù)目辜舫休d力的下降。但當(dāng)間距達(dá)到一定間距之后，當(dāng)栓釘周圍混凝土不再處于應(yīng)力重疊狀態(tài)下，此時群釘效應(yīng)便不再存在，一般規(guī)范規(guī)定在普通混凝土中，當(dāng)栓釘間距達(dá)到13d 時，集簇式栓釘連接件的承載力計算時不再考慮群釘效應(yīng)的影響。

4.2 混凝土強度影響

為研究混凝土強度對集簇式栓釘連接件群釘效應(yīng)的影響。以文中的試件為基準(zhǔn)模型（栓釘?shù)拈g距選擇為4d，排數(shù)選擇為3 排），混凝土強度分別為C50、C60、C70、C80、C120。對應(yīng)工況下的試件極限承載力和極限滑移量見圖6 所示。

圖6 混凝土強度影響

從圖6 中可以看出，單釘?shù)钠骄鶚O限承載力隨混凝土強度的增加而逐漸增加。當(dāng)強度由C50增加至C120 過程中，單釘平均極限承載力由119.3kN 增加143.8kN，平均極限承載力增加了20.5%。并且當(dāng)混凝土為UHPC（120MPa），單釘承載力超過材料極限承載力（抗拉強度與截面面積之積）。這表明UHPC 材料對栓釘?shù)目辜舫休d力存在一定的增強作用，在進行UHPC 中的集簇式栓釘連接件抗剪承載力計算過程中，應(yīng)考慮UHPC 的增強作用。極限滑移量隨混凝土強度的增加呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，當(dāng)強度由C50 增加至C120 過程中，極限滑移量由6.7mm 降至5.76mm，極限滑移量降低了14%。并且當(dāng)混凝土材料為UHPC 時，極限滑移量不滿足6mm 的要求，主要是由于UHPC 材料具有較高強度，導(dǎo)致栓釘難以發(fā)生變形?？傮w而言，集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)隨混凝土強度的增加而逐漸減小。

5 結(jié)論

本文針對集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)開展了機理分析和影響參數(shù)分析，主要有以下結(jié)論。

1）集簇式栓釘連接件的群釘效應(yīng)存在的主要原因是兩排栓釘之間的混凝土板存在應(yīng)力重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致該區(qū)域混凝土出現(xiàn)裂縫，進而造成了栓釘?shù)某休d力出現(xiàn)下降。

2）栓釘?shù)拈g距對群釘效應(yīng)的影響最為明顯，當(dāng)栓釘間距不斷增大的過程中，試件的單釘平均承載力不斷增加，但滑移量變化不是很大，這表明群釘效應(yīng)隨栓釘間距增加而不斷減小，當(dāng)間距達(dá)到一定值時，群釘效應(yīng)消失。

3）混凝土強度對群釘效應(yīng)的影響最低，隨著混凝土強度的增加，群釘效應(yīng)逐漸減弱，單釘?shù)钠骄休d力逐漸增加，極限滑移量逐漸降低。此外，在UHPC 材料中，UHPC 會對栓釘?shù)目辜舫休d力起到一定的增強作用，在計算抗剪承載力應(yīng)該考慮。