帶約束構造的新型栓釘剪力連接件的受力分析

謝祖巍 戚菁菁 吳記東

（湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411021）

0 引言

鋼-混組合結構是通過剪力連接件將砼板和鋼梁連接成一個整體共同受力工作的結構形式，能充分發揮砼板受壓和鋼梁受拉的優勢。剪力連接件是鋼-混凝土組合結構中不可或缺的部件，能約束鋼-混凝土界面的滑移，決定了鋼-混組合結構的整體性能。

張勇[1]提出一種新型裝配式螺栓連接件，該螺栓連接件較傳統螺栓施工更方便快捷，具有良好的剪切剛度。陳海[2]提出一種帶橫向栓釘的新型組合PBL剪力鍵，該剪力鍵具有良好的抗剪性能，其承載力近似等于對應普通PBL剪力鍵和栓釘剪力鍵的抗剪承載力之和。這些新型剪力連接件較傳統連接件都能一定程度地提高其抗剪性能。

謝錦文[3]在研究鋼-混組合結構橋面系大直徑栓釘剪力連接件力學性能時，采用有限元軟件ABAQUS來模擬推出試驗，通過精細化的建模來模擬試驗，有限元分析結果與栓釘推出試驗測試結果對比，吻合良好。這種方法雖然模擬較準確，但建模復雜計算時間長。本課題組提出了一類帶約束構造的新型栓釘剪力連接件，在其推出試驗的基礎上[4]，本論文提出一種簡化的有限元分析模型以及有限元分析方法，并選用有限元分析軟件Midas/Gen對推出試驗進行數值分析。

1 有限元分析

1.1 推出試件的數值仿真模型假定

通過理論分析發現栓釘擴大頭一般處于混凝土翼緣板形心軸受壓區范圍內，本文提出的“帶約束構造的新型栓釘剪力連接件數值模型”主要將帶約束構造的新型栓釘剪力連接件離散為純鋼制栓釘的圓截面短梁，數值模型假定如下：

（1）混凝土翼緣板采用板殼單元模擬，將內部鋼筋離散在混凝土中，類似于材料非線性的鋼筋混凝土本構。

（2）鋼梁采用板殼單元模擬，考慮鋼梁材料的非線性本構。

（3）混凝土板單元和鋼梁上翼緣板單元接觸面允許橫向和縱向的相互錯動，但不允許有上下的分離趨勢。

（4）帶約束構造的新型栓釘剪力連接件按本文中提出的等效梁單元模擬，類似純鋼栓釘的圓截面短梁，其力學性能以及剛度退化規律更加接近鋼結構，因此將其簡化為鋼材的材料非線性本構。

1.2 數值模型本構關系

模型中混凝土選用的是Midas軟件自帶的隨動硬化模型，本文中所采用《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）所建議混凝土的應力應變關系。為了簡化計算，將鋼梁假定為理想彈塑性材料，忽略鋼材達到彈性極限強化時的應力強化(見圖1～圖3)。

圖1 混凝土本構關系

圖2 鋼梁本構關系

圖3 栓釘的荷載-滑移本構關系

1.3 單元類型及網格劃分

推出模型的有限元網格劃分如下所示，由于本文屬于靜力問題分析，因此選用Midas/Gen有限元軟件模塊來進行數值仿真分析。對推出模型施加邊界條件，約束兩側混凝土翼緣板底部的6個自由度（Dx=Dy=Dz=0，Rx=Ry=Rz=0），工況則采用對頂部鋼板施加強制滑移的方式，分析控制數據采用材料非線性，收斂條件為滑移控制，程序運算采用Newton-Raphson法。

2 參數分析

為探究不同參數對帶約束構造的新型剪力連接件推出試件的力學性能影響，基于現有的相關理論以及混凝土和栓釘剪力連接件的受力特征，分析數值模型的破壞機理。分別研究了板厚、栓釘直徑、混凝土強度對數值模擬結果的影響。

2.1 混凝土板厚對連接件剪切性能的影響

以板厚為影響因素的數值模型其參數如表1所示。

表1 構件參數表（板厚為影響因素）

在相同的強制滑移的條件下，對SA-1、SA-2、SA-3、SA-4這四組推出模型進行對比分析，得出4組數值模型的荷載-滑移曲線，以及選用《鋼-混凝土組合橋梁設計規范》（GB 50917-2013）[5]中建議的栓釘荷載-滑移計算模型，得到4組傳統栓釘剪力連接件的荷載-滑移曲線（如圖4所示），并按照《鋼結構設計規范》（GB50017-2017）計算，得出栓釘的極限抗剪承載力，以及單釘極限承載力如表2所示：

圖4 不同板厚下的荷載-滑移曲線

表2 構件極限承載力

通過圖4、表2中給出的數值分析數據，可以得到以下結論：

從數值模型的荷載-滑移曲線來看，隨著板厚的增加，數值模型的極限抗剪承載力也在增大。板厚越厚，數值模型的初始剪切剛度越大。以栓釘極限承載力的1.6倍作為界定數值模型剪斷和壓潰的界限值，可以確定SA-3模型、SA-4模型為栓釘剪斷破壞。在達到栓釘承載力極限值之后，繼續增加板厚對提高數值模型的承載力極限值影響不大。

2.2 栓釘直徑對連接件剪切性能的影響

2.2.1 不同栓釘直徑下荷載-滑移曲線（見表3、表4、表5）

表3 構件參數表（栓釘直徑為影響因素）

表4 構件極限承載力

通過對比對圖5和表4數值仿真分析結果，可以得到以下結論：

圖5 不同栓釘直徑下的荷載-滑移曲線

數值模型的極限承載力隨著栓釘直徑的增大而明顯增大。栓釘直徑越大，數值模型的初始剪切剛度越大。隨著栓釘直徑的變化，栓釘剪力連接件發生了比較明顯的內力重分布，栓釘剪力連接件的內力重分布主要和板厚、混凝土強度、栓釘直徑有關。

2.3 混凝土強度對連接件剪切性能的影響

為研究混凝土強度對數值模型受力性能的影響，以混凝土強度等級為影響因素對模型進行數值分析（見表5）。

表5 構件參數表（混凝土強度為影響因素）

表6 構件極限承載力

通過對比圖6、表5，C30、C35、C40強度的數值模型，發現混凝土強度對數值模型的影響非常小，可以說明帶約束構造的新型栓釘剪力連接件數值模型對板厚和栓釘直徑比較敏感，對混凝土強度的敏感程度很低。

4 結束語

（1）通過對帶約束構造的推出試驗進行數值模擬，表明本文所提出的這種有限元分析方法能比較準確地模擬這類帶約束構造的新型剪力連接件受力過程，可用于對實際工程的參數分析。

（2）帶約束構造的新型栓釘剪力連接件對板厚以及栓釘直徑較為敏感，對混凝土強度敏感程度較低；當數值模型處于栓釘剪斷破壞時，模型對栓釘直徑的敏感程度要高于板厚；當數值模型處于混凝土壓潰破壞時，模型對板厚的敏感程度要高于栓釘直徑。