林 牧

剛性剪力鍵力學(xué)性能分析

林 牧

通過(guò)有限元分析了組合梁剛性剪力鍵在極限荷載下的位移、應(yīng)力,得出荷載—滑移曲線及應(yīng)力分布規(guī)律,并對(duì)其構(gòu)造尺寸進(jìn)行了參數(shù)化分析,最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式及有限元計(jì)算結(jié)果推出了其極限承載力簡(jiǎn)化公式。分析表明,剛性剪力鍵能夠有效的傳遞混凝土與鋼梁間的縱向剪力。

組合梁,剛性剪力鍵,有限元分析,承載力

剪力鍵作為鋼—混組合梁的重要傳力部件,使兩者共同受力,對(duì)充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)起著至關(guān)重要的作用。由于組合梁界面間的剪切滑移會(huì)導(dǎo)致其剛度削弱,梁撓度增大[1],使承載能力下降,而增強(qiáng)剪力鍵的剛度對(duì)減小這種滑移有很大的幫助,故提出一種新型剛性剪力鍵,它由帶孔鋼板、橫向鋼板和鋼筋骨架三者構(gòu)成,其構(gòu)造如圖 1所示。

1 有限元模型及結(jié)果分析

1.1 有限元建模

考慮到模型的對(duì)稱性,故建立 1/2模型。采用ANSYS中的分離式建模,不考慮鋼筋和混凝土之間的滑移,荷載的施加是通過(guò)加載鋼梁的頂部采用均布荷載的形式,計(jì)算考慮了模型的重力。計(jì)算時(shí)采用逐級(jí)加載方式,每級(jí)50 kN。計(jì)算過(guò)程中,TIME=21.70時(shí)由于不收斂而終止計(jì)算,得剛性剪力鍵的極限承載力為：Qu=21.7×50=1 085 kN。

1.2 位移結(jié)果

破壞荷載作用下的豎向(Y向)位移云圖見(jiàn)圖 2,在極限荷載下,加載區(qū)域最大豎向位移為 0.424mm。Z向位移加載區(qū)域位移值較大(見(jiàn)圖 3),而后向下逐漸變小,分布較為均勻。X向位移在破壞時(shí) X方向最大位移值為0.292mm(見(jiàn)圖 4)。

1.3 應(yīng)力結(jié)果

破壞荷載時(shí)剛性剪力鍵的等效應(yīng)力云圖及Y向應(yīng)力云圖分別見(jiàn)圖 5,圖 6。由圖 5,圖 6可知鋼梁與剪力鍵頂部的接觸區(qū)域出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中,有效應(yīng)力最大為 351MPa,Y向(加載方向)主應(yīng)力最大為 394MPa,即該區(qū)域已屈服。圖 7中應(yīng)力較大的區(qū)域?yàn)閯傂约袅︽I三個(gè)帶孔鋼板孔處的混凝土,說(shuō)明在模型加載過(guò)程中,混凝土榫起到了較好的銷栓作用。

1.4 荷載—滑移曲線分析

由圖 8可知,在荷載小于 400 kN時(shí),界面基本沒(méi)有相對(duì)滑移發(fā)生,當(dāng)加載量大于400 kN后,界面間相對(duì)滑移呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì),而當(dāng)加載至1 000 kN左右時(shí),較小的加載量產(chǎn)生較明顯的相對(duì)滑移,但是剛性剪力鍵在破壞荷載時(shí)的最大滑移僅為0.268mm。

1.5 有限元計(jì)算結(jié)果與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算值對(duì)比

由于剛性剪力鍵是基于 PBL剪力鍵提出的一種新型剪力連接件,目前并沒(méi)有其極限承載力的計(jì)算公式,故將有限元計(jì)算結(jié)果與用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的極限承載力進(jìn)行對(duì)比。由于 PBL經(jīng)驗(yàn)公式中并沒(méi)有考慮橫向連接鋼板的影響,故在計(jì)算時(shí)將橫向鋼板按等工程量的原則等效成帶孔鋼板的厚度。根據(jù)文獻(xiàn)[2]～[6]中的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果分別為：1222 kN,1 382 kN,980 kN,768 kN,736 kN,1 368 kN,583 kN。

1.6 剛性剪力鍵應(yīng)力分布規(guī)律分析

沿施加荷載方向(Y向)對(duì)鋼梁依次取1/4H,1/2H,3/4H及H四個(gè)位置作為觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,其中H為加載鋼梁和剛性剪力鍵接觸部分長(zhǎng)度。鋼梁沿 Y向的 Von-mises應(yīng)力變化見(jiàn)圖 9,鋼梁和剪力鍵接觸的測(cè)點(diǎn)已屈服,而其他測(cè)點(diǎn)則均處于彈性階段,應(yīng)力值相對(duì)較小,均小于 150MPa。綜上所述,鋼梁和剛性剪力鍵在頂部接觸的地方為薄弱點(diǎn),較易屈服,故選取剛性剪力鍵三個(gè)帶孔鋼板和鋼梁的頂部連接處為研究位置：位置 1和位置 3分別表示兩側(cè)的帶孔鋼板;位置 2表示處于中間的帶孔鋼板。其加載過(guò)程中的mises應(yīng)力變化過(guò)程見(jiàn)圖 10,三個(gè)位置在加載過(guò)程中應(yīng)力變化趨勢(shì)類似,但是位置 2較位置 1和位置 3提早屈服,加載至 750 kN時(shí)位置 2即開(kāi)始屈服,位置1和位置 3的受力具有較好的對(duì)稱性。

由以上分析可知,中間帶孔鋼板最先屈服。為研究沿荷載方向應(yīng)力變化,以中間帶孔鋼板為研究對(duì)象,沿荷載方向均布 5個(gè)測(cè)點(diǎn),m ises應(yīng)力見(jiàn)圖 11;帶孔鋼板僅頂部位置在 750 kN時(shí)屈服,其他位置處于彈性階段,破壞時(shí),位置 2的等效應(yīng)力為 181.9MPa。在X方向均勻布置 5個(gè)測(cè)點(diǎn),中間帶孔鋼板的 mises應(yīng)力變化見(jiàn)圖12,僅帶孔鋼板頂部屈服,其他位置的等效應(yīng)力值較小,位置 2等效應(yīng)力僅為 81.63MPa。

1.7 橫向鋼板的寬度、厚度對(duì)剛性剪力鍵力學(xué)性能的影響研究

為研究橫向鋼板寬、厚度對(duì)剛性剪力鍵力學(xué)行為的影響,分別建立不同模型進(jìn)行分析,僅改變橫向鋼板的寬度、厚度,其他幾何尺寸均相同,見(jiàn)表 1,表 2。

表1 寬度參數(shù)

表2 厚度參數(shù)

極限承載能力計(jì)算結(jié)果對(duì)比(見(jiàn)圖 13,圖 14),設(shè)置 40mm寬橫向鋼板時(shí)剛性剪力鍵的極限承載力比不設(shè)橫向鋼板時(shí)高 18.7%,故橫向鋼板的寬度對(duì)剛性剪力鍵的極限承載能力提高較大。

2 剛性剪力鍵極限承載力簡(jiǎn)化公式探討

本文采用Hosain經(jīng)驗(yàn)公式[3]作為剛性剪力鍵極限承載力簡(jiǎn)化公式的基礎(chǔ)公式,然后再考慮橫向加強(qiáng)鋼板的貢獻(xiàn),因此可將剛性剪力鍵的簡(jiǎn)化公式表示如下：

由上式可知,剛性剪力鍵破壞模式是剪切破壞,其抗剪承載力由貫穿鋼筋、混凝土榫及橫向加強(qiáng)鋼板三部分共同組成。有限元結(jié)果與承載力計(jì)算公式結(jié)果比較,如圖 15所示。

由圖 15可知,采用本文提出的簡(jiǎn)化公式的理論解和有限元數(shù)值模擬值較為吻合,說(shuō)明采用該簡(jiǎn)化公式計(jì)算剛性剪力鍵的極限承載力是可行的。

3 結(jié)語(yǔ)

1)加載鋼梁與混凝土界面間滑移極小,表明剛性剪力鍵剛度足夠大,能夠有效的傳遞混凝土與鋼梁間的縱向剪力;2)帶孔鋼板區(qū)域的混凝土應(yīng)力較其他位置偏大,破壞時(shí)帶孔鋼板圓孔處混凝土最大有效應(yīng)力達(dá) 28.8MPa,說(shuō)明該位置是破壞控制點(diǎn);3)有限元計(jì)算表明橫向鋼板對(duì)剛性剪力鍵的極限承載能力有一定影響;4)對(duì)剛性剪力鍵極限承載力的計(jì)算簡(jiǎn)化公式進(jìn)行探討,簡(jiǎn)化計(jì)算公式考慮了鋼筋骨架及橫向鋼板對(duì)剛性剪力鍵極限承載力的增強(qiáng)作用,將有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果與簡(jiǎn)化公式計(jì)算解進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果吻合較好,表明提出的公式計(jì)算剛性剪力鍵極限承載力是可行的。

[1]Jayas BS,Hosain M U.Behavior ofheaded studys in composite beams：full-size test[J].Can JCiv Eng,1989(16)：714-724.

[2]劉玉擎,曾明根,陳艾榮.連接件在橋梁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用與研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,35(8)：272-275.

[3]雷昌龍.鋼—混凝土組合橋中新的剪力連接器的發(fā)展與試驗(yàn)[J].國(guó)外橋梁,1999(2)：64-68.

[4]Valente I,Paulo JSCruz.Experimental analysis of perfobond shear connection between steel and lightweight concrete[J].Journalof Constructional Steel Research,2004(60)：465-479.

[5]Oguejiofor EC,Hosain M U.Numericalanalysis of push-out specimens with perfobond rib connectors[J].Computers＆Structures,1997,62(4)：617-624.

[6]宗周紅,車惠民.剪力連接件靜載和疲勞試驗(yàn)研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1999,27(6)：61-66.

Analysis on the mechanical properties of rigid shear connector

LIN M u

This thesis analyzes of finite elwment the displacementand stress of composite girder rigid shear connector under ultimate load,obtains its loading-sliding curves and stress distribution law,and carries on parametric analysis on its structure and size,and finally deduces the simp lified formula of ultimate loading according to experienced formulas and finite element calcu lation results.Analysis shows that rigid shear connector can effectively transfer the lengthways shear force between concrete and steel girder.

composite girder,rigid shear connector,finite elementanalysis,carrying capacity

TU311

A

1009-6825(2011)09-0044-03

2010-11-28

林 牧(1983-),男,重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院碩士研究生,重慶 400074