【摘要】鋼-混組合結(jié)構(gòu)中，剪力連接件主要使鋼梁或鋼板與混凝土板之間協(xié)同受力，實現(xiàn)共同工作，為了更加直觀地描述試驗件內(nèi)部的損傷狀態(tài)。將在推出模型試驗的基礎(chǔ)上采用有限元數(shù)值分析方法進一步對高性能混凝土中栓釘?shù)氖芰π袨檎归_研究，并通過對比數(shù)值模型仿真結(jié)果與三組推出試驗結(jié)果，進一步檢驗了數(shù)值模型建模方式以及各材料本構(gòu)模型參數(shù)的的正確性，為后續(xù)深入研究組合結(jié)構(gòu)的破壞機理提供數(shù)值仿真參考。

【關(guān)鍵詞】鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)； 塑性損傷模型； 動力顯示算法； 推出試驗

【中圖分類號】TU311.41【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-11-04

［作者簡介］周銀龍（1999—）， 男， 碩士， 研究方向為鋼橋疲勞損傷評估。

0 引言

對于鋼-混組合構(gòu)件，剪力連接件是型鋼梁或型鋼和混凝土板的聯(lián)合作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其主要功能是使兩者協(xié)同受力，并且抵抗鋼筋與混凝土之間的掀起作用。組合結(jié)構(gòu)橋梁的力學性能不但受本身結(jié)構(gòu)特性的制約，還與結(jié)合層的結(jié)構(gòu)緊密有關(guān)。可以說，組合結(jié)構(gòu)橋梁的力學性能不僅受到自身材料性質(zhì)的影響，而且與結(jié)合面的連接緊密相關(guān)。鋼橋面板和超高韌度混凝土結(jié)構(gòu)板之間通過短栓釘連接，構(gòu)成鋼-混組合式結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，組合結(jié)構(gòu)的力學性能、耐久性能和短栓釘?shù)母黜椞匦悦芮嘘P(guān)聯(lián)。為了研究超高韌度混凝土中短栓釘?shù)牧W特點，從而形成相應(yīng)的結(jié)構(gòu)靜力設(shè)計理論，有必要對超高韌度混凝土中抗剪短栓釘?shù)慕Y(jié)構(gòu)靜力作用特性進行深入研究。

1 試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

超高韌性混凝土中抗剪短栓釘靜力性能試驗采用推出試驗進行，根據(jù)Eurocode 4標準推出試驗相關(guān)設(shè)計要求，設(shè)計1組靜力推出試驗共含3個相同的試件。試驗?zāi)Ｐ椭饕蓛蓧K70 mm厚混凝土板與兩塊T型鋼構(gòu)件各自通過栓釘連接，T型鋼構(gòu)件中翼緣板厚度為14 mm，每個鋼結(jié)構(gòu)翼緣板焊接兩排共4個短栓釘，栓釘?shù)臋M向、豎向布置間距分別為100 mm與250 mm，混凝土板中布置直徑為12 mm的HRB400帶肋鋼筋。以上兩塊組合板在腹板處通過拼接板和高強螺栓連接成整體。

2 有限元模型

2.1 非線性有限元數(shù)值模型

本文推出試驗數(shù)值模型采用有限元軟件Abaqus建立，考慮到推出試驗?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽绾图虞d方式的對稱性，為優(yōu)化計算成本以及計算效率，有限元仿真模型采用1/4結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在本有限元模型中，超高韌性混凝土板、鋼板以及栓釘均使用8節(jié)點六面體線性減縮積分單元（C3D8R）模擬，混凝土板中的橫向和縱向鋼筋均采用兩節(jié)點桁架單元（T3D2）模擬。數(shù)值模型的1/4切面均采用對稱約束，底部約束所有平動自由度?；炷涟逯械匿摻钆c混凝土板之間的粘結(jié)作用采用相互關(guān)系中的內(nèi)置區(qū)域（embedded region）約束模擬，不考慮兩者之間的滑移；混凝土板與鋼板之間以及混凝土板與栓釘之間采用面面接觸模擬兩者之間的組合作用，其中法向行為采用硬接觸，切向行為采用摩擦系數(shù)為0.35的摩擦屬性模擬［1］。

數(shù)值模型的加載方式采用位移加載，即將鋼板頂端與控制點耦合，然后對控制點施加強迫位移。由于隱示算法（Standard）是通過迭代求解非線性問題，當非線性程度較高時易出現(xiàn)不收斂情況，而顯式算法（Explicit）是根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學狀態(tài)進行前推運算，只要加載步長足夠小，就可以有效模擬準靜態(tài)過程?？紤]到運算成本及計算效率，本次模擬采用動態(tài)顯示算法（Abaqus/Explicit）進行求解，有限元模型加載速率則依據(jù)結(jié)構(gòu)基頻確定。

2.2 材料本構(gòu)模型

為便于有限元模擬，數(shù)值模型中栓釘?shù)谋緲?gòu)關(guān)系采用簡化的三折線模型，如圖2（a）所示，其中屈服強度σys以及其所對應(yīng)的屈服應(yīng)變εys分別為310 MPa與0.15%，極限強度σps以及其所對應(yīng)的極限應(yīng)變εps分別為420 MPa與0.55%。鋼筋和鋼板的本構(gòu)關(guān)系均采用兩折線模型，如圖2（b）所示，其中鋼筋和鋼板的屈服強度εys均為400 MPa，彈性模量與泊松系數(shù)均取206 GPa與0.3［2］。

為了保證有限元模型模擬的準確性，將混凝土材料的損傷情況通過材料參數(shù)考慮進來，其中混凝土材料的本構(gòu)曲線采用GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中的混凝土單軸受拉受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線［3-4］，其本構(gòu)關(guān)系在Abaqus有限元軟件中，通過塑性損傷模型（CDP）實現(xiàn)，其中損傷因子通過能量法計算?；炷恋乃苄該p傷模型部分相關(guān)參數(shù)見表1。

3 數(shù)值模型的驗證

當使用Abaqus動力顯示分析準靜態(tài)過程時，結(jié)構(gòu)整體動能應(yīng)當小于內(nèi)能的5%～10%，否則認為數(shù)值分析未產(chǎn)生合理的準靜態(tài)響應(yīng)，不能準確模擬靜力過程。本文數(shù)值模型產(chǎn)生的能量響應(yīng)如圖3所示，結(jié)構(gòu)動能占結(jié)構(gòu)內(nèi)能很小一部分，所占比例不超過5%。有限元模擬結(jié)果表明，該模型采用的顯示動力算法用于求解準靜態(tài)問題是可行的，并且數(shù)值模型的加載速率是合理的，并未產(chǎn)生明顯的動力特性。

本文推出試驗共加載了三組試件，其荷載滑移曲線如圖4所示，抗剪強度見表2，其中圖4對有限元數(shù)值仿真結(jié)果和試驗實測荷載-滑移曲線進行了對比。結(jié)果顯示，有限元數(shù)值模擬結(jié)果與試驗所測的荷載-滑移曲線基本一致，三組試驗所測的荷載-滑移曲線與數(shù)值模型模擬的結(jié)果最大誤差不超過5%，。表2給出了有限元數(shù)值計算結(jié)果與實測抗剪強度的比較，有限元數(shù)值分析結(jié)果與實測抗剪強度吻合良好，最大誤差不超過5%。證明上述建模方法以及本構(gòu)模型參數(shù)的選取能夠有效地模擬推出試驗過程，為后續(xù)深入研究組合結(jié)構(gòu)的破壞機理提供模型參考。

4 結(jié)論

（1）基于塑性損傷模型建立了非線性有限元數(shù)值模型，有限的模擬了超高韌性混凝土中短栓釘?shù)目辜舫休d力以及力學行為。

（2）通過靜力推出模型試驗，確定了超高韌度混凝土中短栓釘?shù)暮奢d-滑移曲線以及抗剪強度，并對試驗測量數(shù)據(jù)和有限元仿真結(jié)果進行了比較分析，最終探明了超高韌度混凝土中短栓釘?shù)目辜袅W行為，為后續(xù)深入研究組合結(jié)構(gòu)的破壞機理提供模型參考。

參考文獻

［1］ 劉益銘.大縱肋正交異性鋼—高性能混凝土組合橋面板疲勞失效機理研究 ［D］.成都： 西南交通大學，2019.

［2］ 曹學亮，李法雄，雷俊卿，等.基于ABAQUS的開孔板連接件抗剪承載力分析［J］.公路交通科技，2013，30（11）：89-95.

［3］ 楊飛，董新勇，周沈華，等.ABAQUS混凝土塑性損傷因子計算方法及應(yīng)用研究［J］.四川建筑，2017，37（6）：173-177.

［4］ 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范：GB 50010-2010［S］.