余浩瀚，李大華，王健康，柳軍修

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥，230022；2.貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽，550003)

0 前言

鋼—混凝土組合梁結(jié)合了鋼材和混凝土結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各種類型的建筑物和橋梁結(jié)構(gòu)。隨著建筑工業(yè)化的發(fā)展，鋼筋混凝土組合梁由于其“預(yù)制裝配”、“快速施工”等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于搶險、搶修工程中[1]。栓釘連接件是確保鋼筋混凝土板和鋼板可以一起工作的關(guān)鍵部件，影響組合梁承載力和變形性能主要原因來自于栓釘連接件的變形。為此，我們將考慮鋼梁與混凝土板之間荷載—滑移的關(guān)系。

戴益民[2]通過12組推出試驗(yàn)，研究了剪力槽孔形狀和孔內(nèi)填充材料對栓釘連接件的受剪性能的影響；王連廣[3]收集了大量的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，并針對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析，從而提出栓釘連接件的荷載-滑移關(guān)系計(jì)算式；丁發(fā)興等[4]通過3組推出試驗(yàn)，研究了栓釘直徑、屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級等參數(shù)對栓釘連接件的受剪承載力的影響，并通過大量算例參數(shù)分析，提出了考慮栓釘?shù)闹睆?、屈服?qiáng)度和混凝土強(qiáng)度等級的栓釘連接件的受剪承載力計(jì)算式和荷載-滑移曲線的計(jì)算方法；王一泓[5]通過推出試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)分別對栓釘連接件和橡膠集料混凝土板組合梁的靜力性能和疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考慮了橡膠集料混凝土板的強(qiáng)度、栓釘直徑等對栓釘連接件和組合梁的靜力性能和疲勞性能的影響。項(xiàng)貽強(qiáng)等[6]基于混凝土和栓釘?shù)乃苄該p傷模型，利用ABAQUS有限元軟件，對栓釘連接件抗剪承載力的影響因素進(jìn)行了研究。

本文采用有限元軟件ABAQUS建立了試件的精細(xì)數(shù)值模型。研究了栓釘直徑，屈服強(qiáng)度，混凝土強(qiáng)度等級對栓釘連接件抗剪承載力的影響。

1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)歐洲規(guī)范4[7]的相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)了推出試件，試件的詳細(xì)介紹和尺寸細(xì)節(jié)如圖1所示。本文共設(shè)計(jì)了6組共19個推出試件進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，研究栓釘直徑、屈服強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度等級等參數(shù)對栓釘連接件的受剪承載力的影響。每個推出試件的鋼梁兩側(cè)各焊有16個栓釘，栓釘直徑分別為13 mm、16 mm、19 mm和22 mm。采用GB/T 10433《圓柱頭焊釘》規(guī)定的4.6級栓釘，推出試件中鋼梁均為Q235鋼材?；炷涟鍍?nèi)鋼筋均為HPB300級鋼。

圖1 推出試件尺寸參數(shù)(單位mm)

2 模型建立

2.1 材料的本構(gòu)關(guān)系

有限元分析的關(guān)鍵就是合理選擇材料本構(gòu)關(guān)系。

2.1.1 混凝土的本構(gòu)關(guān)系

ABAQUS材料庫提供的混凝土塑性損傷模型(CDP模型)?；炷翍?yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系采用GB50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]推薦的曲線，單軸壓縮的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可通過式(1)確定：

式(3)可以確定單軸受拉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：

2.1.2 鋼梁、栓釘和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

栓釘，鋼梁和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系都是彈塑性本構(gòu)模型，如圖2所示，這一本構(gòu)模型保證了應(yīng)力 -應(yīng)變關(guān)系的唯一性。

圖2 鋼材的本構(gòu)模型

2.2 單元類型的選取和網(wǎng)格劃分

栓釘，鋼梁和混凝土均基于八節(jié)點(diǎn)三維固體線性壓下裝置(C3D8R)。使用三維雙結(jié)點(diǎn)桁架單元(T3D2)對鋼筋進(jìn)行數(shù)值模擬。

根據(jù)試件的幾何對稱性，采用ABAQUS軟件建立1/4試件的有限元模型進(jìn)行分析。使用掃描和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格技術(shù)分別對栓釘，栓釘孔位置和鋼梁的其他部分進(jìn)行精細(xì)嚙合。在應(yīng)力集中部分，網(wǎng)格更細(xì)，其他部分更粗糙。詳細(xì)如圖3所示。

圖3 模型單元選取和網(wǎng)格劃分

2.3 界面接觸關(guān)系

推出試件有限元模型各部件之間接觸關(guān)系的處理是數(shù)值分析中最為復(fù)雜的部分。

(1)栓釘帽和混凝土板的接觸關(guān)系：相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，試件破壞后，栓釘帽完全固定在混凝土板中，未發(fā)生滑移，因此本模型采用綁定(Tie)約束方式。

(2)栓釘桿和混凝土板的接觸關(guān)系：栓釘桿與混凝土板的接觸由切線方向的罰函數(shù)(Penalty)和法線方向的硬接觸(Hard Contact)兩部分組成，考慮了栓釘與混凝土之間的自然粘結(jié)力和庫侖摩擦力，參考文獻(xiàn)中取值，取摩擦系數(shù)為0.4，選擇栓釘表面作為主表面，混凝土表面為從屬表面；

(3)鋼梁與混凝土板的接觸關(guān)系：為了充分體現(xiàn)栓釘連接件的抗剪性能，本模型不考慮鋼梁和混凝土之間黏結(jié)力和庫侖摩擦力的作用，在接觸面切向采用 Frictionless surface to surface contact接觸；在法向上采用硬接觸(Hard Contact)，兩者存在相互的側(cè)向約束，但是發(fā)生掀起效應(yīng)時允許接觸面分離。

(4)新、舊混凝土間的接觸關(guān)系：本文不考慮新、舊混凝土間的粘結(jié)滑移，假定兩者之間粘結(jié)可靠，不發(fā)生剝離現(xiàn)象，其接觸關(guān)系采用綁定(Tie)。

2.4 邊界條件及加載方式

在1/4推出試件的對稱面上分別施加對稱邊界條件，推出試件試件與地面接觸位置采用固定端接觸；在鋼梁頂面采用位移加載，見圖4所示。

3 有限元分析

3.1 影響參數(shù)分析

本節(jié)將針對前述主要影響因素進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。

3.1.1 變剪距混凝土強(qiáng)度等級的參數(shù)分析

以直徑為16 mm的栓釘連接器和屈服強(qiáng)度為350 MPa的試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析，剪力槽孔內(nèi)不同混凝土強(qiáng)度等級的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表1，其抗剪承載力如圖5(a)所示。從圖中可以看出，螺栓連接處的抗剪承載力隨著剪力槽中混凝土強(qiáng)度水平的增加而增加，但增長速度減慢。

表1 變剪距混凝土強(qiáng)度等級的推出試件主要參數(shù)

圖4 邊界條件及加載方式

3.1.2 栓釘直徑變化的參數(shù)分析

以剪切槽中混凝土強(qiáng)度等級C40的栓釘連接件試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。具有不同樁徑的突出試件的有限元模型的主要參數(shù)如表2所示。剪切承載能力如圖5(b)所示。從圖中可以看出，栓釘連接件的剪切承載能力隨著栓釘直徑的增加而近似線性地增加。

表2 栓釘直徑變化的推出試件主要參數(shù)

3.1.3 栓釘屈服強(qiáng)度變化的參數(shù)分析

以剪切槽中的樁徑為16 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C40的試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同栓釘屈服強(qiáng)度的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表3，其抗剪承載力如圖5(c)所示。從圖中可以看出，栓釘連接件的剪切承載能力隨栓釘屈服強(qiáng)度的增加而近似線性增加。

表3 栓釘屈服強(qiáng)度變化的推出試件主要參數(shù)

3.1.4 變化預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級的參數(shù)化分析

以栓釘?shù)闹睆綖?6 mm，屈服強(qiáng)度為350 MPa，剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C40的栓釘連接件推出試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表4，其抗剪承載力如圖5(d)所示。由圖可知，栓釘連接件的抗剪承載力隨預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級的增加而增加。但增幅很小，其對栓釘抗剪承載力影響不大。

表4 變化預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級的推出試件主要參數(shù)

3.1.5 變化混凝土板內(nèi)橫向配筋率

以栓釘直徑為16 mm，屈服強(qiáng)度為350 MPa，剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C40的栓釘連接件推出試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同橫向配筋率的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表5，其抗剪承載力如圖5(e)所示。由圖可知，栓釘連接件的抗剪承載力隨混凝土板內(nèi)橫向配筋率的增加而增加，但增幅很小，其對栓釘抗剪承載力影響不大。

表5 變化混凝土板內(nèi)橫向配筋率的推出試件主要參數(shù)

3.1.6 變化栓釘數(shù)量

以栓釘直徑為16 mm，屈服強(qiáng)度為350 MPa，剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級為C50的栓釘連接件推出試件模型為例，進(jìn)行參數(shù)化數(shù)值分析。不同栓釘數(shù)量的推出試件有限元模型主要參數(shù)見表6，其抗剪承載力如圖5(f)所示。由圖可知，栓釘連接件的抗剪承載力隨栓釘個數(shù)的增加有所增加，但增幅很小，其對栓釘抗剪承載力影響不大。

表6 變化栓釘數(shù)量的推出試件主要參數(shù)

3.2 荷載—滑移曲線

根據(jù)栓釘連接件抗剪承載力影響因素的分析，栓釘連接件抗剪承載力的主要影響因素為：剪切槽中的混凝土強(qiáng)度等級，栓釘直徑和屈服強(qiáng)度。

圖6(a)顯示了不同剪切槽中混凝土強(qiáng)度等級下栓釘接頭的荷載-滑移曲線。圖6(b)顯示了不同樁徑的栓釘連接器的負(fù)載-滑移曲線。圖6(c)顯示了不同樁釘屈服強(qiáng)度的栓釘連接器的負(fù)載-滑移曲線。

3.3 數(shù)值模型的受力變形

圖7中(a)(b)所示為栓釘、鋼筋和混凝土板的Mises應(yīng)力云圖，圖7中(c)所示為推出試件的變形云圖，由栓釘應(yīng)力云圖可知，推出試件發(fā)生破壞時，栓釘下部的應(yīng)力最大，也是最先達(dá)到屈服的，栓釘?shù)膽?yīng)力由下部到上部逐漸減小，而鋼梁應(yīng)力不大；栓釘下部的變形也是最大，也從下部到上部不斷減小；栓釘下部受壓側(cè)混凝土局部壓碎，另一側(cè)混凝土與栓釘發(fā)生脫離。

4 結(jié)論

本文基于有限元軟件ABAQUS建立并分析了試件的三維實(shí)體模型?？紤]界面滑移效應(yīng)，混凝土強(qiáng)度等級，栓釘直徑和屈服強(qiáng)度對栓釘連接件抗剪承載力的影響，主要得出以下結(jié)論：

(1)由推出試驗(yàn)的參數(shù)化有限元分析可知，隨著剪力槽孔內(nèi)混凝土強(qiáng)度等級的提高，栓釘連接的剪切承載能力得到改善，但生長速度減慢，最大滑移逐漸減小。延展性降低，因此實(shí)際工程不提倡使用高強(qiáng)度混凝土來提高栓釘?shù)目辜羟心芰Α?/p>

圖5 影響栓釘連接件的抗剪承載力主要參數(shù)曲線

圖6 栓釘連接件在各因素下的荷載—滑移曲線

圖7 應(yīng)力云圖與變形云圖

(2)隨著預(yù)制板混凝土強(qiáng)度等級、橫向配筋率和栓釘數(shù)量的增加，連接件的抗剪承載力也在微弱增加，但影響不大，因此實(shí)際工程中也不提倡使用增加上述三種變量來增加栓釘?shù)目辜羟心芰Α?/p>

(3)栓釘連接件的剪切承載力也隨著栓釘直徑和屈服強(qiáng)度的增加而線性增加，最大滑移也增加，且效果較明顯，因此建議使用增加栓釘直徑和屈服強(qiáng)度的做法提高連接件的抗剪能力。

(4)推出試件發(fā)生破壞時，栓釘下部的應(yīng)力最大，由下部到上部不斷減小，而鋼梁應(yīng)力不大；栓釘?shù)淖冃我矎南虏肯蛏喜坎粩鄿p??；栓釘受壓側(cè)的混凝土被部分壓碎，另一側(cè)的混凝土與栓釘分離。