裝配式組合梁水平栓釘滑移特性仿真實(shí)驗(yàn)研究

高燕梅, 劉 東, 儲(chǔ) 兵

(1. 重慶交通大學(xué)， 土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 2. 酉陽(yáng)縣隆達(dá)公路建設(shè)投資有限公司, 重慶 409800)

0 引 言

在高等教育和科學(xué)研究中，仿真實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的有效補(bǔ)充，它可以在有限的實(shí)驗(yàn)條件下，彌補(bǔ)由于經(jīng)費(fèi)不足、場(chǎng)地有限或測(cè)量精度不夠等不足，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行多參數(shù)研究及微觀精細(xì)化研究。所以在很多學(xué)科的研究領(lǐng)域中，仿真實(shí)驗(yàn)是必不可少的研究和教學(xué)手段[1-5]。

在土木工程常用的鋼—混凝土組合梁中，剪力連接件使混凝土橋道板與鋼梁在荷載作用下共同受彎，其中混凝土板受壓，鋼梁受拉，充分發(fā)揮了混凝土與鋼的受力特性。而栓釘是最常見(jiàn)的一種剪力連接件形式，它屬于柔性連接件，因力學(xué)性能不依存方向、抗分離能力強(qiáng)以及質(zhì)量容易保證[6]，在橋梁、房建、剪力墻等實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，如港珠澳大橋就采用了剪力釘群連接件[7]。栓釘在傳遞混凝土橋道板與鋼梁之間的剪力時(shí)，自己會(huì)發(fā)生較大的變形，從而在交界面上引起滑移，降低了組合截面的整體效應(yīng)，使結(jié)構(gòu)剛度、承載力均有所減小，所以研究鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)時(shí)，剪力連接件滑移對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。但目前對(duì)此多采用小構(gòu)件推出實(shí)驗(yàn)?zāi)M[8-9]、精細(xì)化有限元分析模擬[10]或?qū)ζ湫?gòu)件在軸向力作用下進(jìn)行理論分析。鋼—混凝土組合梁考慮滑移后對(duì)其力學(xué)性能的影響也做過(guò)很多研究[11-13]，但對(duì)于剪力釘群在梁上的滑移特性研究較少，并且很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)梁加載獲得。因此在水平栓釘小構(gòu)件推出實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[14-15]，結(jié)合科研項(xiàng)目“一種新型的裝配式鋼桁—混凝土組合梁”[16]，針對(duì)水平栓釘在梁內(nèi)的滑移特性，采用精細(xì)化有限元模擬的方法，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)研究。

1 新型裝配式鋼桁—混凝土組合梁原理

在課題組對(duì)鋼桁—混凝土組合梁長(zhǎng)期研究的基礎(chǔ)上，提出一種新型的裝配式鋼桁—混凝土組合梁(圖1)，主要優(yōu)勢(shì)在于預(yù)制裝配的混凝土橋道板先張拉縱向預(yù)應(yīng)力鋼束，再與鋼桁通過(guò)焊接剪力連接件焊縫成為整體，受力明確；預(yù)制裝配的混凝土橋道板減少了工地現(xiàn)場(chǎng)澆筑工作，施工質(zhì)量易保且混凝土收縮徐變減小，有利于結(jié)構(gòu)受力。

圖1 裝配式鋼桁—混凝土組合梁

針對(duì)該新型組合梁，進(jìn)行了負(fù)彎矩作用下的靜力性能實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示了該新型結(jié)構(gòu)從施工到破壞全過(guò)程的受力性能，驗(yàn)證了其裝配式施工方法的可行性。其中的水平栓釘受力性能已進(jìn)行了推出實(shí)驗(yàn)，本文在此基礎(chǔ)上，針對(duì)水平栓釘在裝配式鋼桁—混凝土組合梁內(nèi)的滑移特性采用精細(xì)化有限元模擬的方法，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究。

2 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/h2>

以l=7 m的簡(jiǎn)支組合梁為依據(jù)，建立精細(xì)化有限元模型(圖2、3)，在鋼桁下弦兩點(diǎn)加載以模擬負(fù)彎矩區(qū)段加載。

圖2 實(shí)驗(yàn)組合梁的總體布置及計(jì)算模型示意(單位: mm)

圖3 橫截面示意 (單位：mm)

2.1 單元選擇及接觸關(guān)系模擬

模型中單元選取和接觸關(guān)系如圖2、3所示，其中混凝土橋道板、水平剪力釘及剪力傳遞豎鋼板采用實(shí)體單元C3D8R模擬，鋼桁桿件、預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼筋分別采用殼單元-S4R和桁架單元T3D2模擬。預(yù)制混凝土橋道板與預(yù)應(yīng)力鋼束、普通鋼筋之間采用嵌入關(guān)系。剪力釘、剪力傳遞豎鋼板與預(yù)制混凝土橋道板間采用摩擦關(guān)系中的“硬接觸”關(guān)系模擬，接觸系數(shù)取0.6，這樣二者的接觸面所能夠承擔(dān)的壓力不受限制，當(dāng)壓力變?yōu)榱慊驗(yàn)樨?fù)值了，則認(rèn)為兩個(gè)截面分離。板間接縫處無(wú)普通鋼筋，同時(shí)考慮相鄰預(yù)制混凝土板的保護(hù)層也為素混凝土層，所以模擬時(shí)接縫寬度取1 cm。

2.2 本構(gòu)關(guān)系

混凝土采用C60，其本構(gòu)關(guān)系采用Hongnestad式(圖4(a))，彈性模量Ec為定值，按下式計(jì)算：

式中，fcu,k為混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)組合梁內(nèi)的鋼桁采用Q345鋼，它與混凝土橋道板內(nèi)的普通鋼筋均采用理想彈塑性模型(圖4(b))。

(a) 混凝土本構(gòu)關(guān)系曲線(b) 鋼材本構(gòu)關(guān)系曲線(理想彈塑性)

圖4 材料本構(gòu)關(guān)系曲線

3 滑移特性仿真分析結(jié)果

3.1 仿真分析撓度值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

利用以上方法建立了該組合梁在負(fù)彎矩作用下的有限元分析模型，并加載到實(shí)驗(yàn)梁破壞退出工作。從實(shí)驗(yàn)組合梁應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可以看出，實(shí)驗(yàn)梁破壞時(shí)，其鋼桁腹桿、下弦桿已達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度345 MPa(圖5a))，而此時(shí)橋道板裂縫早已在跨中三片橋道板上完全開(kāi)展，其中板間接縫處的裂縫占主導(dǎo)地位，板內(nèi)裂縫占次要地位(圖5b))。

(a) 計(jì)算應(yīng)力值(MPa)

(b) 實(shí)驗(yàn)梁橋道板裂縫分布

將計(jì)算撓度值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比，得到以下結(jié)論(見(jiàn)圖6)：組合梁加載到250 kN時(shí)，撓度計(jì)算值為12.53 mm，實(shí)測(cè)值為12.33 mm，差值1.6%。加載到480 kN時(shí)，撓度計(jì)算值為35.22 mm，實(shí)測(cè)值為38.03 mm，差值7.3%(圖6 實(shí)驗(yàn)梁仿真分析結(jié)果(變形×5)。

表1即破壞階段的撓度差值在10%以內(nèi)，精確度尚可接受，所以可以在此基礎(chǔ)上對(duì)水平栓釘在梁上的滑移特性進(jìn)行研究。

(a) 計(jì)算撓度值(mm)

(b) 跨中撓度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

加載噸位/kN計(jì)算值fFEM/mm實(shí)測(cè)值fT/mm(fT-fFEM)/fT(%)25012.5312.331.648035.2238.037.3

從圖6的組合梁實(shí)測(cè)曲線和FEM計(jì)算曲線對(duì)比可以看出，組合梁的受力分成3個(gè)階段：彈性受力階段，當(dāng)P<0.4Pu時(shí)，荷載-撓度曲線計(jì)算值和實(shí)測(cè)值重合度較高，說(shuō)明組合梁工作狀態(tài)良好；彈塑性工作階段，當(dāng)0.4Pu

3.2 水平剪力連接件滑移仿真分析結(jié)果

按照組合梁受力特性將水平剪力連接件沿梁縱向的滑移特性分析也分為三階段：彈性階段、彈塑性階段和破壞階段。從彈性階段到破壞階段，滑移值逐漸增加，但不同受力階段表現(xiàn)出不一樣的滑移特性：

(1) 當(dāng)P<0.35Pu時(shí)，組合梁處于彈性受力階段，從支點(diǎn)0到加載點(diǎn)2 500 mm區(qū)段，截面剪力均等于加載力P，滑移值基本成均勻分布(見(jiàn)圖7、圖8(a))，只有支點(diǎn)0處滑移值偏小，待經(jīng)過(guò)1倍梁高距離后，滑移值逐漸增大，直至加載點(diǎn)附近；純彎區(qū)段：實(shí)驗(yàn)梁從加載點(diǎn)2.5 m到3.5 m區(qū)段，截面剪力P等于0，滑移從加載點(diǎn)到跨中逐漸衰減直至為0(見(jiàn)圖7、圖8(b))。

圖7 滑移Δl沿梁長(zhǎng)分布曲線

(2) 當(dāng)0.35Pu

(a) 彈性階段支點(diǎn)彎剪區(qū)段的滑移特性

(d) 彈塑性階段跨中純彎區(qū)段的初始

裂縫處的滑移分布(變形倍數(shù)×20)

(e) 破壞階段支點(diǎn)附近彎剪段滑移分布

(變形倍數(shù)×20)

(f) 破壞階段跨中純彎段滑移分布

(變形倍數(shù)×20)

圖8 各受力階段的滑移Δ1特征

(3) 當(dāng)P>0.8Pu時(shí)，組合梁進(jìn)入破壞階段，跨中三塊橋道板從接縫處斷成塊狀退出工作(見(jiàn)圖5b))。所以水平栓釘在每一個(gè)板間裂縫處的滑移均接近于0，隨后分別向兩側(cè)滑移方向相反(見(jiàn)圖8(e)～(f))，使得沿梁長(zhǎng)方向的滑移分布呈現(xiàn)鋸齒狀(見(jiàn)圖7)。

由此可見(jiàn)，水平栓釘沿梁長(zhǎng)方向的滑移受組合梁中裝配式混凝土橋道板開(kāi)裂影響較大，它會(huì)使得跨中純彎段無(wú)剪力的截面也出現(xiàn)滑移，且裂縫會(huì)使得栓釘滑移方向發(fā)生改變，這是與栓釘推出實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同處，需在后期理論研究中值得進(jìn)行深入研究。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文開(kāi)展了l=7 m裝配式鋼桁—混凝土組合梁在負(fù)彎矩作用下水平栓釘在梁內(nèi)的滑移特性仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：栓釘推出實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的是：水平栓釘滑移沿梁長(zhǎng)的分布受組合梁中混凝土橋道板開(kāi)裂影響較大，它會(huì)使得跨中純彎段無(wú)剪力的截面也出現(xiàn)滑移，并且裂縫會(huì)使得栓釘滑移方向發(fā)生改變，需在后期理論研究中值得進(jìn)行深入研究。