封博文，劉永健，彭元誠，孫立鵬，劉 江，張 凱

(1.長安大學 公路學院,陜西 西安 710064；2.中交第二公路勘察設(shè)計研究院,湖北 武漢 430056；3.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司,北京 100088)

0引 言

鋼-混凝土組合梁具有優(yōu)異的力學性能和施工性能，因而被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)，如已建成的上海南浦大橋、青州閩江大橋及青海海黃大橋等。剪力釘為鋼和混凝土的連接構(gòu)件，具有傳遞界面剪力、限制界面滑移、防止混凝土掀起、保證鋼和混凝土共同受力、協(xié)調(diào)變形的作用，其工作狀態(tài)直接影響結(jié)構(gòu)的工作性能。組合梁中剪力釘連接件的布置通常比較密集，在施工過程中經(jīng)常會出現(xiàn)剪力釘附近混凝土澆筑不密實、剪力釘距鋼板或混凝土邊緣距離不滿足規(guī)范要求以及剪力釘傾斜等施工問題。這些施工問題將改變剪力釘?shù)暮侠砉ぷ鳡顟B(tài)，進而影響組合梁工作性能的充分發(fā)揮。

在國外，Ollgaard等[1]根據(jù)剪力釘推出試驗研究，提出采用指數(shù)型模型來描述剪力釘連接件推出試驗的荷載-滑移曲線；Lam等[2]采用有限元法模擬剪力釘推出試驗，并與既有試驗數(shù)據(jù)和規(guī)范數(shù)據(jù)進行對比，證實了有限元法的可靠性；Shim等[3]針對大直徑剪力釘進行推出試驗研究，結(jié)果表明剪力釘抗剪剛度及抗剪承載力隨直徑增大而增大，歐洲規(guī)范[4]中建議的剪力釘抗剪承載力計算公式不適用于大直徑剪力釘，并提出了大直徑剪力釘抗剪承載力計算公式；An等[5]針對普通混凝土和高強混凝土進行了剪力釘推出試驗研究，結(jié)果表明混凝土的強度等級對剪力釘?shù)目辜舫休d力影響較大。

在中國，聶建國等[6]對剪力釘連接件在鋼-高強混凝土組合梁中的性能進行了研究，提出了高強混凝土中連接件承載力的修正公式；薛偉辰等[7]采用推出試驗研究了混凝土強度等級、栓釘直徑以及鋼梁類型等參數(shù)對剪力釘工作性能的影響，并根據(jù)試驗結(jié)果提出了剪力釘抗剪承載力計算公式；賈艷東等[8]對鋼-鋼纖維混凝土組合梁的剪力釘連接件進行了推出試驗研究，并根據(jù)試驗結(jié)果給出了荷載-滑移曲線的擬合公式；丁發(fā)興等[9]總結(jié)已有的推出試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合有限元法研究了剪力釘直徑、屈服強度、混凝土強度和橫向配筋率對剪力釘荷載-滑移性能的影響，并提出了考慮剪力釘直徑、屈服強度和混凝土強度影響的抗剪承載力計算公式和荷載-滑移關(guān)系計算方法；陳玲珠等[10-11]分別采用有限元法和剪力釘推出試驗研究了剪力釘在高溫下的工作性能，并提出了高溫下剪力釘抗剪承載力的計算公式；榮學亮等[12]通過標準試件的推出試驗，研究了剪力釘連接件銹蝕后抗剪承載力、變形能力和疲勞壽命的變化規(guī)律。

目前，國內(nèi)外針對剪力釘受力機理和工作性能的研究已相當豐富，但針對施工誤差對剪力釘工作性能影響的研究還相對較少。本文首先采用剪力釘推出試驗和有限元仿真分析相結(jié)合的研究方法，驗證了采用有限元軟件ABAQUS模擬剪力釘推出試驗時建模參數(shù)選取的合理性與可靠性。以有限元分析為基礎(chǔ)，研究了施工誤差對剪力釘連接件工作性能的影響，為組合梁的設(shè)計和施工提供參考。

1靜載推出試驗

1.1試件設(shè)計

剪力釘推出試驗采用1組共3個推出試件來研究剪力釘?shù)目辜舫休d力及其變形能力。試件構(gòu)造見圖1，每個試件有4個剪力釘，其規(guī)格為φ22×200，材質(zhì)選用ML15，機械性能和焊接性能滿足《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》(GB/T 10433—2002)的要求。鋼板材料為Q345D，混凝土標號為C50。為排除推出試驗時混凝土與鋼界面黏結(jié)作用對剪力釘抗剪能力的干擾，在試件鋼結(jié)構(gòu)翼緣表面涂抹潤滑油，防止鋼翼緣與混凝土黏結(jié)。

1.2加載方案及測點布置

采用20 000 kN FCS佛力加載系統(tǒng)進行加載，對工字鋼翼緣施加推力。試件底部設(shè)置細砂墊層，保證混凝土底部的受力均勻。測點布置見圖2，位移計布置在左右混凝土塊的2個側(cè)面上，共4個，精度要求為1/1 000 mm。

1.3試驗結(jié)果及分析

1.3.1破壞形態(tài)

本次試驗剪力釘連接件的破壞形態(tài)如圖3所示，試件均為剪力釘根部剪斷破壞。大部分剪力釘斷裂面光滑，且可以看到明顯的剪切變形。剪力釘根部沿受力方向有小部分混凝土被壓碎，混凝土塊表面無裂縫。產(chǎn)生這種破壞形態(tài)的主要原因是混凝土強度較高且剪力釘直徑較小。

1.3.2極限承載力分析

本次推出試驗各試件破壞的極限荷載及對應(yīng)鋼混界面的最大相對滑移值見表1。由表1可知，3個試件的極限荷載偏差范圍為4%～9%，根據(jù)文獻[13]，剪力釘?shù)臉O限承載力取3個試件的最小值686.6 kN，換算成單釘抗剪承載力為171.7 kN。表2列出了由各規(guī)范推薦公式計算所得的φ22×200剪力釘?shù)目辜舫休d力。由表2可知，ASSHTO規(guī)范計算值與試驗值最接近，僅有2.7%的相對誤差。其他各規(guī)范計算的抗剪承載力均比本次推出試驗所得抗剪承載力小。

1.3.3荷載-滑移曲線分析

本次試驗得到的3個試件的荷載-滑移曲線見圖4。由圖4可知，受荷初始階段，荷載與相對滑移量為線性關(guān)系，剪力釘?shù)目辜魟偠却螅€性階段最大滑移量約為0.5 mm。當單釘所受荷載達到其抗剪承載力的60%左右時，剪力釘受力狀態(tài)開始進入塑性階段，荷載與滑移量呈現(xiàn)明顯的非線性關(guān)系，抗剪剛度逐漸減小。當荷載達到極限荷載的70%～80%，滑移量達到2 mm時，滑移量迅速增長，而荷載無明顯增加，直至達到極限荷載。試件破壞表現(xiàn)出明顯的延性破壞特征。

表1試件極限荷載及最大相對滑移Tab.1Ultimate Loads and Maximum Relative Slips of Specimens

2有限元模擬

2.1有限元模擬方法

本文采用大型通用有限元計算軟件ABAQUS進行建模。所有試件均采用C3D8R實體單元進行模擬，根據(jù)對稱性取1/2試件進行建模計算。網(wǎng)格劃分采用掃掠技術(shù)及中性軸算法，單元均為六面體。為使計算結(jié)果更精確，增加了剪力釘?shù)木W(wǎng)格密度。有限元模型及網(wǎng)格劃分見圖5。

表2抗剪承載力的規(guī)范計算值與試驗值對比Tab.2Contrast of Shear Capacity Between Standard Calculation Values and Test Values

混凝土的本構(gòu)模型采用損傷塑性模型，損傷因子根據(jù)文獻[17]提出的方法計算。采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[18]中混凝土單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線，混凝土強度等級為C50。剪力釘及鋼板的本構(gòu)模型采用如圖6所示的理想彈塑性模型，其中，屈服強度fy取345 MPa，εy為屈服應(yīng)變，Es為鋼材彈性模量。

由于對試驗試件組合界面進行了涂油處理，無界面切向摩擦，因此，有限元建模時忽略了鋼板與混凝土交界面的切向摩擦。采用位移加載模擬實際加載過程。

2.2與推出試驗結(jié)果對比分析

有限元模擬計算所得的荷載-滑移曲線與推出試驗所得的荷載-滑移曲線對比見圖7。由圖7可知，有限元計算所得的荷載-滑移曲線變化規(guī)律與推出試驗基本吻合。二者所得出的剪力釘在彈性階段的抗剪剛度基本一致。有限元模擬計算所得剪力釘抗剪承載力為170.0 kN，比推出試驗結(jié)果僅小1%。

有限元模擬與剪力釘推出試驗所得的彈性極限荷載、破壞荷載、荷載-滑移曲線發(fā)展規(guī)律均較為接近。因此，可采用第2.1節(jié)所述的方法建立有限元模型，從而對剪力釘力學性能開展研究。

3施工誤差的影響

3.1混凝土澆筑不密實

組合梁的鋼與混凝土連接部位構(gòu)造比較復雜，剪力釘布置多而密，且受普通鋼筋對空間的影響，剪力釘附近的混凝土澆筑質(zhì)量難以保證，經(jīng)常會出現(xiàn)混凝土澆筑不密實的情況，導致混凝土強度降低，從而影響剪力釘?shù)墓ぷ餍阅堋?/p>

通過ABAQUS有限元軟件模擬考慮剪力釘附近混凝土澆筑不密實對剪力釘受力性能的影響分3種情況考慮：①剪力釘根部混凝土不密實；②剪力釘周圍混凝土均不密實；③剪力釘一側(cè)混凝土不密實。計算取最不利情況，即認為澆筑不密實部分混凝土強度為0，模擬時鈍化對應(yīng)位置混凝土單元，圖8為對應(yīng)的有限元模型。

圖9為有限元計算所得的試件破壞形態(tài)。對于情況①，②，試件破壞的標志均為剪力釘根部屈服，鋼板與混凝土相對滑移過大導致試件喪失承載力。試件發(fā)生此種破壞的主要原因是剪力釘周圍缺少混凝土的約束作用，在彎剪共同作用下剪力釘根部很快屈服，產(chǎn)生較大的塑性變形，導致鋼板與混凝土發(fā)生過大的相對滑移。對于情況③，沿圖8剪切方向1號剪力釘后側(cè)有效混凝土厚度較少，這部分混凝土受剪力釘擠壓破壞失效。隨后由2號剪力釘繼續(xù)承載，最終受剪屈服破壞。

圖10為考慮局部混凝土不密實的有限元計算結(jié)果與正常單個剪力釘推出試驗的有限元計算結(jié)果對比。由圖10可知，剪力釘附近混凝土澆筑不密實使剪力釘單釘抗剪承載力降低60%～70%。

3.2剪力釘布置邊距不足

中國各規(guī)范對剪力釘距鋼梁翼緣及混凝土邊緣的最小距離都提出了要求，具體規(guī)定見表3。實際工程中經(jīng)常會出現(xiàn)剪力釘布置邊距不滿足規(guī)范要求的情況，本文考慮以下3種情況進行有限元建模：①剪力釘距混凝土邊緣50 mm；②剪力釘距混凝土邊緣75 mm；③剪力釘距混凝土邊緣100 mm。圖11為相應(yīng)的有限元模型。

表3中國規(guī)范對剪力釘邊距的要求Tab.3Requirements of Chinese Standards for Edge Distances of Shear Studs

剪力釘距混凝土邊緣的距離分別為50，75，100 mm時，試件的破壞形態(tài)相似，均為剪力釘根部屈服、根部混凝土壓碎破壞，且邊距較小一側(cè)的混凝土開裂并出現(xiàn)外鼓。圖12為有限元計算所得的試件破壞形態(tài)。

圖13為考慮邊距不足的有限元計算結(jié)果與正常單個剪力釘推出試驗有限元計算結(jié)果對比。由圖13可知，剪力釘距混凝土邊緣距離不滿足規(guī)范要求導致單釘抗剪承載力降低約27%，且邊距越小承載力越低，但差別不明顯。分析原因是由于剪力釘距混凝土邊緣距離不足，降低了混凝土對剪力釘?shù)募s束作用，且距離越小，混凝土對剪力釘?shù)募s束作用越小，則剪力釘?shù)目辜舫休d力越小。

3.3剪力釘傾斜

剪力釘在焊接過程中可能存在焊接偏差或施工工程中機具與人員操作過程的“磕碰”損壞，即導致剪力釘與鋼板不垂直，存在偏角。圖14為某組合梁橋在施工過程中出現(xiàn)的剪力釘傾斜情況。針對這種情況建立有限元模型，考察剪力釘傾斜對其承載力的影響。有限元模擬考慮順偏斜方向加載(順推)和逆偏斜方向加載(逆推)2種受力情況，剪力釘傾斜角度選取10°，30°，50°。圖15為相應(yīng)的有限元模型。

根據(jù)有限元計算結(jié)果，所有試件順推時及剪力釘傾斜10°的試件逆推時，試件的破壞形態(tài)均為剪力釘根部剪斷破壞，剪力釘傾斜30°，50°的試件逆推時，試件的破壞形態(tài)為剪力釘根部混凝土開裂破壞。圖16為考慮剪力釘傾斜的有限元計算結(jié)果與正常單個剪力釘推出試驗的有限元計算結(jié)果對比。由圖16可以看出：順推時，剪力釘傾斜使單釘抗剪承載力平均下降約26%，3種傾斜角度的單釘抗剪承載力較接近；逆推時，剪力釘抗剪承載力隨剪力釘傾斜角度增大而降低，其中當傾斜角度為50°時降低幅度較大，傾斜角度為10°，30°，50°時，抗剪承載能力分別降低26.8%，30.36%，41.3%。圖17為逆推與順推的抗剪承載力對比。由圖17可以看出，剪力釘分別傾斜10°，30°，50°時，逆推承載力比順推承載力分別低2%，7%，13%。剪力釘傾斜角度相同的情況下，逆推比順推受力更為不利，且隨著傾斜角度的增大，逆推承載力比順推承載力降低更多。上述不同傾斜角度剪力釘破壞模式及抗剪承載能力計算結(jié)果匯總于表4。

表4剪力釘傾斜破壞形態(tài)及抗剪承載力Tab.4Failure Modes and Shear Capacities of Shear Stud Inclination

4結(jié)語

(1)本文通過對剪力釘推出試驗結(jié)果與采用ABAQUS有限元分析計算結(jié)果進行對比，驗證了本文有限元模擬方法的合理性與可靠性。可采用數(shù)值模擬的方法對剪力釘受力性能開展研究。

(2)各國規(guī)范計算所得的剪力釘抗剪承載力偏于保守，均小于剪力釘推出試驗和有限元仿真計算得到的剪力釘抗剪承載力。

(3)由于剪力釘周圍混凝土澆筑不密實、剪力釘布置邊距不足和剪力釘傾斜3種施工誤差的存在，使剪力釘?shù)目辜舫休d力有所降低，其中混凝土澆筑不密實的影響最大。因此，在施工過程中應(yīng)嚴格控制施工質(zhì)量，減小施工誤差，從而保證剪力釘?shù)墓ぷ餍阅堋?/p>

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