剛性剪力鍵力學性能分析

林 牧

剛性剪力鍵力學性能分析

林 牧

通過有限元分析了組合梁剛性剪力鍵在極限荷載下的位移、應力,得出荷載—滑移曲線及應力分布規律,并對其構造尺寸進行了參數化分析,最后根據經驗公式及有限元計算結果推出了其極限承載力簡化公式。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,對充分發揮兩種材料的優勢起著至關重要的作用。由于組合梁界面間的剪切滑移會導致其剛度削弱,梁撓度增大[1],使承載能力下降,而增強剪力鍵的剛度對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成,其構造如圖 1所示。

1 有限元模型及結果分析

1.1 有限元建模

考慮到模型的對稱性,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,荷載的施加是通過加載鋼梁的頂部采用均布荷載的形式,計算考慮了模型的重力。計算時采用逐級加載方式,每級50 kN。計算過程中,TIME=21.70時由于不收斂而終止計算,得剛性剪力鍵的極限承載力為：Qu=21.7×50=1 085 kN。

1.2 位移結果

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

1.3 應力結果

破壞荷載時剛性剪力鍵的等效應力云圖及Y向應力云圖分別見圖 5,圖 6。由圖 5,圖 6可知鋼梁與剪力鍵頂部的接觸區域出現明顯的應力集中,有效應力最大為 351MPa,Y向(加載方向)主應力最大為 394MPa,即該區域已屈服。圖 7中應力較大的區域為剛性剪力鍵三個帶孔鋼板孔處的混凝土,說明在模型加載過程中,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,界面基本沒有相對滑移發生,當加載量大于400 kN后,界面間相對滑移呈現出逐漸增大的趨勢,而當加載至1 000 kN左右時,較小的加載量產生較明顯的相對滑移,但是剛性剪力鍵在破壞荷載時的最大滑移僅為0.268mm。

1.5 有限元計算結果與經驗公式計算值對比

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,目前并沒有其極限承載力的計算公式,故將有限元計算結果與用經驗公式計算得出的極限承載力進行對比。由于 PBL經驗公式中并沒有考慮橫向連接鋼板的影響,故在計算時將橫向鋼板按等工程量的原則等效成帶孔鋼板的厚度。根據文獻[2]～[6]中的經驗公式計算結果分別為：1222 kN,1 382 kN,980 kN,768 kN,736 kN,1 368 kN,583 kN。

1.6 剛性剪力鍵應力分布規律分析

沿施加荷載方向(Y向)對鋼梁依次取1/4H,1/2H,3/4H及H四個位置作為觀測點進行分析,其中H為加載鋼梁和剛性剪力鍵接觸部分長度。鋼梁沿 Y向的 Von-mises應力變化見圖 9,鋼梁和剪力鍵接觸的測點已屈服,而其他測點則均處于彈性階段,應力值相對較小,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,較易屈服,故選取剛性剪力鍵三個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分別表示兩側的帶孔鋼板;位置 2表示處于中間的帶孔鋼板。其加載過程中的mises應力變化過程見圖 10,三個位置在加載過程中應力變化趨勢類似,但是位置 2較位置 1和位置 3提早屈服,加載至 750 kN時位置 2即開始屈服,位置1和位置 3的受力具有較好的對稱性。

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力變化,以中間帶孔鋼板為研究對象,沿荷載方向均布 5個測點,m ises應力見圖 11;帶孔鋼板僅頂部位置在 750 kN時屈服,其他位置處于彈性階段,破壞時,位置 2的等效應力為 181.9MPa。在X方向均勻布置 5個測點,中間帶孔鋼板的 mises應力變化見圖12,僅帶孔鋼板頂部屈服,其他位置的等效應力值較小,位置 2等效應力僅為 81.63MPa。

1.7 橫向鋼板的寬度、厚度對剛性剪力鍵力學性能的影響研究

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

表1 寬度參數

表2 厚度參數

極限承載能力計算結果對比(見圖 13,圖 14),設置 40mm寬橫向鋼板時剛性剪力鍵的極限承載力比不設橫向鋼板時高 18.7%,故橫向鋼板的寬度對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化公式探討

本文采用Hosain經驗公式[3]作為剛性剪力鍵極限承載力簡化公式的基礎公式,然后再考慮橫向加強鋼板的貢獻,因此可將剛性剪力鍵的簡化公式表示如下：

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鋼板三部分共同組成。有限元結果與承載力計算公式結果比較,如圖 15所示。

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

3 結語

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)帶孔鋼板區域的混凝土應力較其他位置偏大,破壞時帶孔鋼板圓孔處混凝土最大有效應力達 28.8MPa,說明該位置是破壞控制點;3)有限元計算表明橫向鋼板對剛性剪力鍵的極限承載能力有一定影響;4)對剛性剪力鍵極限承載力的計算簡化公式進行探討,簡化計算公式考慮了鋼筋骨架及橫向鋼板對剛性剪力鍵極限承載力的增強作用,將有限元數值計算結果與簡化公式計算解進行對比,結果吻合較好,表明提出的公式計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.連接件在橋梁結構中的應用與研究[J].哈爾濱工業大學學報,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展與試驗[J].國外橋梁,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研究[J].福州大學學報(自然科學版),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,重慶交通大學土木建筑學院碩士研究生,重慶 400074