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裝配式組合鋼板梁橋螺栓連接件受剪性能研究

2021-11-09 01:38鄭智文郝天之梁金福
西部交通科技 2021年1期
關(guān)鍵詞:有限元分析裝配式

鄭智文 郝天之 梁金福

摘要:文章提出了一種預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu)以提升裝配式組合鋼板梁橋中混凝土板的開孔精度和質(zhì)量,并通過ABAQUS有限元軟件對該結(jié)構(gòu)螺栓連接件進行了三維實體建模,以預(yù)緊力大小、界面摩擦系數(shù)、螺栓強度等級、螺栓直徑和混凝土強度作為參數(shù)對螺栓連接件的抗剪承載力進行了研究。分析結(jié)果表明,螺栓連接件抗剪承載力主要與螺栓的強度等級和直徑有關(guān),所提出的預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮螺栓連接件的抗剪性能。

關(guān)鍵詞:裝配式,螺栓連接件,有限元分析,抗剪承載力

中圖分類號:U448.21+6文獻標識碼:ADOI:10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.031

文章編號:1673-4874(2021)01-0110-03

0引言

裝配式組合鋼板梁橋結(jié)構(gòu)中,通常由鋼板梁和混凝土橋面板組合而成。鋼板梁處于拉伸區(qū)域,在該區(qū)域可充分發(fā)揮鋼材延性好和強度高的特點,混凝土橋面板處于受拉區(qū),在此區(qū)域可發(fā)揮混凝土抗壓強度高的特點。兩種材料通常由剪力連接件進行連接,剪力連接件的連接形式和力學(xué)性能會直接影響工程整體質(zhì)量。因此,對剪力連接件的受剪性能研究具有重要意義。

1研究背景

剪力連接件作為連接裝配式組合鋼板梁橋中的重要部件,其主要作用是承擔兩種不同材料之間的縱向水平力,限制相互滑移以保證梁橋中的各材料能在指定受力位置承擔荷載,以便充分發(fā)揮材料力學(xué)性能。按照連接效果的強弱進行區(qū)分,剪力連接件一般可分為剛性抗剪連接件和柔性抗剪連接件兩種。前者在荷載作用下完全不允許有相對滑移,后者在荷載作用下則允許有一定的滑移值[1]。

栓釘作為最常見的剪力連接件,在現(xiàn)澆式組合鋼板梁橋中得到了大量的應(yīng)用。但在裝配式組合鋼板梁橋中,使用螺栓代替栓釘作為剪力連接件可大大簡化梁橋的安裝過程,減少現(xiàn)場濕作業(yè),提高作業(yè)效率,不過螺栓連接件在實際工程中依舊存在一定的不足之處。在傳統(tǒng)裝配式組合鋼板梁橋?qū)嶋H裝配過程中,由于各部件在生產(chǎn)時可能存在尺寸誤差,可能會出現(xiàn)混凝土橋面板與鋼梁孔位對中精度較低、孔道質(zhì)量較差等問題,導(dǎo)致螺栓連接件安裝困難,結(jié)構(gòu)剛度下降?;谏鲜鰡栴},本文提出一種預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu),通過ABAQUS有限元軟件建立了11個推出試件并進行模擬靜力加載。模型主要考慮了預(yù)緊力大小、界面摩擦系數(shù)、螺栓強度等級、螺栓直徑和混凝土強度等參數(shù)對螺栓抗剪性能的影響,明確了螺栓的受力機理,為后續(xù)工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

2有限元模型介紹

2.1推出試件模型尺寸

本模型參考歐洲規(guī)范EC4[8]中給出的推出試件參考尺寸,模型設(shè)計見圖1所示,圖中預(yù)埋鋼板所在位置已用文字標明。

2.2本構(gòu)關(guān)系

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用軟件內(nèi)提供的塑性損傷模型(CDP),膨脹角為30°,偏心率為0.1,雙單軸抗壓強度比為1.16,形狀參數(shù)為0.667,黏性系數(shù)為0.0005。混凝土受壓和受拉行為均參考《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010-2010)[2]。

為簡化模型,鋼梁、預(yù)埋鋼板和鋼筋在本模型中均采用相同本構(gòu)關(guān)系。考慮到螺栓受到0.15斷裂應(yīng)變的限制,因此認為當螺栓所受應(yīng)力超出最大彈性應(yīng)力后,材料進入完全塑性階段,使用雙線性本構(gòu)關(guān)系能更好地體現(xiàn)其受力特性[3]。其中螺栓強度等級參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》(GB50017-2017)[4],取名義屈服強度作為其抗拉強度。

2.3單元類型及網(wǎng)格劃分

由于試件為對稱結(jié)構(gòu),為節(jié)約計算成本僅對推出試件以H型鋼中線為對稱軸建立半結(jié)構(gòu)模型進行分析。除鋼筋籠采用三維二節(jié)點桁架線性單元T3D2以外,其余所有部件均采用三維八節(jié)點實體線性減縮積分單元C3D8R。為保證計算精度,模型在各部件螺栓孔洞附近采用約5mm網(wǎng)格進行加密,模型網(wǎng)格劃分見圖2。

2.4分析步設(shè)置及加載方式

本模型共設(shè)置3個分析步,lnitial、Step 1和Step 2。Initial為初始分析步,主要完成各接觸與約束的建立,Step 1分析步中通過螺栓荷載(Bolt load)選項施加指定預(yù)緊力,在Step 2分析步,將螺栓長度固定(Fix at current position),并對鋼梁頂端施加Y軸位移荷載。

2.5破壞準則

由于模型本構(gòu)中未設(shè)置下降段,需對模型建立統(tǒng)一的破壞準則以便進行結(jié)果分析。Oehlers[5]通過試驗指出栓釘破壞時的最大滑移與直徑成正比例,結(jié)合有限元模型計算結(jié)果,本文定義螺栓滑移達到直徑的0.25倍時,認為螺栓發(fā)生破壞。

2.6模型參數(shù)設(shè)計

模型以預(yù)緊力大小、界面摩擦系數(shù)、螺栓強度等級、螺栓直徑和混凝土強度等級共5個參數(shù)進行分析,各模型詳細參數(shù)設(shè)計見表1。

3模型計算結(jié)果與分析

各試件荷載-滑移曲線(P-S曲線)見圖3。由圖3可知,各對照組曲線變化趨勢基本一致,可大致分為以下4個階段:

(1)豎直段:在加載過程初期,由于外部荷載未能突破界面摩擦力,因此鋼梁與混凝土板幾乎沒有相對滑移。

(2)平臺段:當荷載突破界面摩擦力后,鋼梁開始進入荷載平臺段。該段曲線主要是由于鋼梁孔洞與螺栓之間存在的空隙,以及螺栓和預(yù)埋鋼板之間存在的空隙造成。

(3)彈性段:在該階段螺栓開始承載,相對滑移與荷載呈線性增加的趨勢。

(4)塑性段:當荷載增加至約0.8倍試件極限承載力時,進入塑性階段。該階段荷載增量開始降低,曲線逐漸趨向于平直,試件整體剛度不斷退化,直至試件破壞。

下面分別對各組參數(shù)進行分析:

(1)預(yù)緊力大小

預(yù)緊力大小對照組見圖3(a)。由圖可知,對螺栓施加較大的預(yù)緊力時,鋼梁突破界面摩擦?xí)r的荷載也隨之增大。但當螺栓開始承載階段后,該對照組各試件變化基本一致,其抗剪承載力未出現(xiàn)明顯區(qū)別。

(2)界面摩擦系數(shù)

界面摩擦系數(shù)對照組見圖3(b)。由圖可知,當界面摩擦系數(shù)增加時,鋼梁突破界面摩擦力時的荷載也隨之增大。但當螺栓開始承載后,其抗剪極限承載力未出現(xiàn)明顯區(qū)別。

(3)螺栓強度等級

螺栓強度等級對照組見圖3(c)。由圖可知,在S2試件高強螺栓抗拉強度較S1、P2試件大25.00%和40.63%的基礎(chǔ)上,S2試件極限強度較S1和P2分別提升20.79%和33.97%。說明試件抗剪極限承載力與螺栓抗拉強度呈正比關(guān)系。

(4)螺栓直徑

螺栓直徑對照組見圖3(d)。由圖可知,在D2試件所用螺栓截面面積較D1、S1試件大23.46%和56.25%的基礎(chǔ)上,其極限承載力分別較D1、S1試件提升了23.03%和47.33%,極限承載力增幅與螺栓截面面積增幅基本一致。另外,根據(jù)本章節(jié)所定義的破壞準則,直徑較大的螺栓破壞時相對滑移也相對較大,因此D2試件極限滑移較D1、S1增加了7.69%和429%。

(5)混凝土強度

混凝土強度等級對照組見圖3(e)。由圖可見,采用不同混凝土強度的試件P-S曲線變化趨勢和極限抗剪承載力基本一致。分析其原因是由于預(yù)埋鋼板的作用,在加載過程中并未直接作用在混凝土橋面板上受到螺栓傳遞的荷載,混凝土橋面板所受集中應(yīng)力較小,故混凝土強度對試件抗剪性能無明顯影響。

4結(jié)語

(1)螺栓連接件的抗剪強度主要受螺栓強度和螺栓直徑的影響,螺栓極限抗剪承載力主要與螺栓的抗拉強度和截面面積成正比關(guān)系。

(2)界面摩擦系數(shù)和螺栓預(yù)緊力主要影響試件摩擦力階段,鋼梁突破摩擦力時的荷載大小隨界面摩擦系數(shù)和螺栓預(yù)緊力增大而增大。

(3)由于試件中預(yù)埋鋼板的存在,使得混凝土在承載過程中未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。本文所提出的預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu)在提高了裝配式組合鋼板梁橋面板開孔精度和質(zhì)量的同時,亦可充分發(fā)揮螺栓連接件的抗剪性能,減少材料浪費。

參考文獻

[1]李建軍,王碩.組合梁中剪力連接件概述[J].浙江建筑,2008(4):10-11,19.

[2]GB50010-2010,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]Liu X,Bradford M A,Lee M SS. Behavior of High- Strength Friction-Grip Bolted Shear Connectors in Sustainable Composite Beams[J].Journal of Structural Engneeing,2014,141(6):04014149.

[4]GB50017-2017,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準[S].

[5]Oehlers D J,Coughlan C G. The shear stiffness of stud shear connections in composite beams[J]. Journal of Constructional Steel Research,1986,6(4):273-284.

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