裝配式鋼-混凝土組合梁中栓釘連接件的抗剪承載力分析

余浩瀚，李大華，王健康，柳軍修

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥，230022；2.貴州大學空間結構研究中心，貴州 貴陽，550003)

0 前言

鋼—混凝土組合梁結合了鋼材和混凝土結構的優點，廣泛用于各種類型的建筑物和橋梁結構。隨著建筑工業化的發展，鋼筋混凝土組合梁由于其“預制裝配”、“快速施工”等優點廣泛應用于搶險、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—滑移的關系。

戴益民[2]通過12組推出試驗，研究了剪力槽孔形狀和孔內填充材料對栓釘連接件的受剪性能的影響；王連廣[3]收集了大量的試驗研究數據，并針對這些數據進行了回歸分析，從而提出栓釘連接件的荷載-滑移關系計算式；丁發興等[4]通過3組推出試驗，研究了栓釘直徑、屈服強度、混凝土強度等級等參數對栓釘連接件的受剪承載力的影響，并通過大量算例參數分析，提出了考慮栓釘的直徑、屈服強度和混凝土強度等級的栓釘連接件的受剪承載力計算式和荷載-滑移曲線的計算方法；王一泓[5]通過推出試驗和彎曲試驗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行了試驗研究，考慮了橡膠集料混凝土板的強度、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。項貽強等[6]基于混凝土和栓釘的塑性損傷模型，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行了研究。

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

1 模型設計

根據歐洲規范4[7]的相關規定設計了推出試件，試件的詳細介紹和尺寸細節如圖1所示。本文共設計了6組共19個推出試件進行有限元數值模擬，研究栓釘直徑、屈服強度、混凝土強度等級等參數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》規定的4.6級栓釘，推出試件中鋼梁均為Q235鋼材。混凝土板內鋼筋均為HPB300級鋼。

圖1 推出試件尺寸參數(單位mm)

2 模型建立

2.1 材料的本構關系

有限元分析的關鍵就是合理選擇材料本構關系。

2.1.1 混凝土的本構關系

ABAQUS材料庫提供的混凝土塑性損傷模型(CDP模型)。混凝土應力-應變的關系采用GB50010-2010《混凝土結構設計規范》[8]推薦的曲線，單軸壓縮的應力-應變關系曲線可通過式(1)確定：

式(3)可以確定單軸受拉的應力-應變曲線：

2.1.2 鋼梁、栓釘和鋼筋的本構關系

栓釘，鋼梁和鋼筋的本構關系都是彈塑性本構模型，如圖2所示，這一本構模型保證了應力 -應變關系的唯一性。

圖2 鋼材的本構模型

2.2 單元類型的選取和網格劃分

栓釘，鋼梁和混凝土均基于八節點三維固體線性壓下裝置(C3D8R)。使用三維雙結點桁架單元(T3D2)對鋼筋進行數值模擬。

根據試件的幾何對稱性，采用ABAQUS軟件建立1/4試件的有限元模型進行分析。使用掃描和結構化網格技術分別對栓釘，栓釘孔位置和鋼梁的其他部分進行精細嚙合。在應力集中部分，網格更細，其他部分更粗糙。詳細如圖3所示。

圖3 模型單元選取和網格劃分

2.3 界面接觸關系

推出試件有限元模型各部件之間接觸關系的處理是數值分析中最為復雜的部分。

(1)栓釘帽和混凝土板的接觸關系：相關試驗結果表明，試件破壞后，栓釘帽完全固定在混凝土板中，未發生滑移，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系：栓釘桿與混凝土板的接觸由切線方向的罰函數(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力和庫侖摩擦力，參考文獻中取值，取摩擦系數為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系：為了充分體現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)，兩者存在相互的側向約束，但是發生掀起效應時允許接觸面分離。

(4)新、舊混凝土間的接觸關系：本文不考慮新、舊混凝土間的粘結滑移，假定兩者之間粘結可靠，不發生剝離現象，其接觸關系采用綁定(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 影響參數分析

本節將針對前述主要影響因素進行參數化數值分析。

3.1.1 變剪距混凝土強度等級的參數分析

以直徑為16 mm的栓釘連接器和屈服強度為350 MPa的試件模型為例，進行參數化數值分析，剪力槽孔內不同混凝土強度等級的推出試件有限元模型主要參數見表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 變剪距混凝土強度等級的推出試件主要參數

圖4 邊界條件及加載方式

3.1.2 栓釘直徑變化的參數分析

以剪切槽中混凝土強度等級C40的栓釘連接件試件模型為例，進行參數化數值分析。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

3.1.3 栓釘屈服強度變化的參數分析

以剪切槽中的樁徑為16 mm，混凝土強度等級為C40的試件模型為例，進行參數化數值分析。不同栓釘屈服強度的推出試件有限元模型主要參數見表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度的增加而近似線性增加。

表3 栓釘屈服強度變化的推出試件主要參數

3.1.4 變化預制板混凝土強度等級的參數化分析

以栓釘的直徑為16 mm，屈服強度為350 MPa，剪力槽孔內混凝土強度等級為C40的栓釘連接件推出試件模型為例，進行參數化數值分析。不同預制板混凝土強度等級的推出試件有限元模型主要參數見表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制板混凝土強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 變化預制板混凝土強度等級的推出試件主要參數

3.1.5 變化混凝土板內橫向配筋率

以栓釘直徑為16 mm，屈服強度為350 MPa，剪力槽孔內混凝土強度等級為C40的栓釘連接件推出試件模型為例，進行參數化數值分析。不同橫向配筋率的推出試件有限元模型主要參數見表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 變化混凝土板內橫向配筋率的推出試件主要參數

3.1.6 變化栓釘數量

以栓釘直徑為16 mm，屈服強度為350 MPa，剪力槽孔內混凝土強度等級為C50的栓釘連接件推出試件模型為例，進行參數化數值分析。不同栓釘數量的推出試件有限元模型主要參數見表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 變化栓釘數量的推出試件主要參數

3.2 荷載—滑移曲線

根據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度等級，栓釘直徑和屈服強度。

圖6(a)顯示了不同剪切槽中混凝土強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載-滑移曲線。圖6(c)顯示了不同樁釘屈服強度的栓釘連接器的負載-滑移曲線。

3.3 數值模型的受力變形

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

4 結論

本文基于有限元軟件ABAQUS建立并分析了試件的三維實體模型。考慮界面滑移效應，混凝土強度等級，栓釘直徑和屈服強度對栓釘連接件抗剪承載力的影響，主要得出以下結論：

(1)由推出試驗的參數化有限元分析可知，隨著剪力槽孔內混凝土強度等級的提高，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，因此實際工程不提倡使用高強度混凝土來提高栓釘的抗剪切能力。

圖5 影響栓釘連接件的抗剪承載力主要參數曲線

圖6 栓釘連接件在各因素下的荷載—滑移曲線

圖7 應力云圖與變形云圖

(2)隨著預制板混凝土強度等級、橫向配筋率和栓釘數量的增加，連接件的抗剪承載力也在微弱增加，但影響不大，因此實際工程中也不提倡使用增加上述三種變量來增加栓釘的抗剪切能力。

(3)栓釘連接件的剪切承載力也隨著栓釘直徑和屈服強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度的做法提高連接件的抗剪能力。

(4)推出試件發生破壞時，栓釘下部的應力最大，由下部到上部不斷減小，而鋼梁應力不大；栓釘的變形也從下部向上部不斷減小；栓釘受壓側的混凝土被部分壓碎，另一側的混凝土與栓釘分離。