基于ABAQUS的超高韌性混凝土中短栓釘靜力性能模擬

【摘要】鋼-混組合結構中，剪力連接件主要使鋼梁或鋼板與混凝土板之間協同受力，實現共同工作，為了更加直觀地描述試驗件內部的損傷狀態。將在推出模型試驗的基礎上采用有限元數值分析方法進一步對高性能混凝土中栓釘的受力行為展開研究，并通過對比數值模型仿真結果與三組推出試驗結果，進一步檢驗了數值模型建模方式以及各材料本構模型參數的的正確性，為后續深入研究組合結構的破壞機理提供數值仿真參考。

【關鍵詞】鋼-混凝土組合結構； 塑性損傷模型； 動力顯示算法； 推出試驗

【中圖分類號】TU311.41【文獻標志碼】A

［定稿日期］2022-11-04

［作者簡介］周銀龍（1999—）， 男， 碩士， 研究方向為鋼橋疲勞損傷評估。

0 引言

對于鋼-混組合構件，剪力連接件是型鋼梁或型鋼和混凝土板的聯合作用的關鍵環節，其主要功能是使兩者協同受力，并且抵抗鋼筋與混凝土之間的掀起作用。組合結構橋梁的力學性能不但受本身結構特性的制約，還與結合層的結構緊密有關。可以說，組合結構橋梁的力學性能不僅受到自身材料性質的影響，而且與結合面的連接緊密相關。鋼橋面板和超高韌度混凝土結構板之間通過短栓釘連接，構成鋼-混組合式結構協同受力，組合結構的力學性能、耐久性能和短栓釘的各項特性密切關聯。為了研究超高韌度混凝土中短栓釘的力學特點，從而形成相應的結構靜力設計理論，有必要對超高韌度混凝土中抗剪短栓釘的結構靜力作用特性進行深入研究。

1 試驗模型設計

超高韌性混凝土中抗剪短栓釘靜力性能試驗采用推出試驗進行，根據Eurocode 4標準推出試驗相關設計要求，設計1組靜力推出試驗共含3個相同的試件。試驗模型主要由兩塊70 mm厚混凝土板與兩塊T型鋼構件各自通過栓釘連接，T型鋼構件中翼緣板厚度為14 mm，每個鋼結構翼緣板焊接兩排共4個短栓釘，栓釘的橫向、豎向布置間距分別為100 mm與250 mm，混凝土板中布置直徑為12 mm的HRB400帶肋鋼筋。以上兩塊組合板在腹板處通過拼接板和高強螺栓連接成整體。

2 有限元模型

2.1 非線性有限元數值模型

本文推出試驗數值模型采用有限元軟件Abaqus建立，考慮到推出試驗模型的幾何尺寸和加載方式的對稱性，為優化計算成本以及計算效率，有限元仿真模型采用1/4結構，其結構圖如圖1所示。在本有限元模型中，超高韌性混凝土板、鋼板以及栓釘均使用8節點六面體線性減縮積分單元（C3D8R）模擬，混凝土板中的橫向和縱向鋼筋均采用兩節點桁架單元（T3D2）模擬。數值模型的1/4切面均采用對稱約束，底部約束所有平動自由度。混凝土板中的鋼筋與混凝土板之間的粘結作用采用相互關系中的內置區域（embedded region）約束模擬，不考慮兩者之間的滑移；混凝土板與鋼板之間以及混凝土板與栓釘之間采用面面接觸模擬兩者之間的組合作用，其中法向行為采用硬接觸，切向行為采用摩擦系數為0.35的摩擦屬性模擬［1］。

數值模型的加載方式采用位移加載，即將鋼板頂端與控制點耦合，然后對控制點施加強迫位移。由于隱示算法（Standard）是通過迭代求解非線性問題，當非線性程度較高時易出現不收斂情況，而顯式算法（Explicit）是根據結構動力學狀態進行前推運算，只要加載步長足夠小，就可以有效模擬準靜態過程。考慮到運算成本及計算效率，本次模擬采用動態顯示算法（Abaqus/Explicit）進行求解，有限元模型加載速率則依據結構基頻確定。

2.2 材料本構模型

為便于有限元模擬，數值模型中栓釘的本構關系采用簡化的三折線模型，如圖2（a）所示，其中屈服強度σys以及其所對應的屈服應變εys分別為310 MPa與0.15%，極限強度σps以及其所對應的極限應變εps分別為420 MPa與0.55%。鋼筋和鋼板的本構關系均采用兩折線模型，如圖2（b）所示，其中鋼筋和鋼板的屈服強度εys均為400 MPa，彈性模量與泊松系數均取206 GPa與0.3［2］。

為了保證有限元模型模擬的準確性，將混凝土材料的損傷情況通過材料參數考慮進來，其中混凝土材料的本構曲線采用GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》中的混凝土單軸受拉受壓應力-應變曲線［3-4］，其本構關系在Abaqus有限元軟件中，通過塑性損傷模型（CDP）實現，其中損傷因子通過能量法計算。混凝土的塑性損傷模型部分相關參數見表1。

3 數值模型的驗證

當使用Abaqus動力顯示分析準靜態過程時，結構整體動能應當小于內能的5%～10%，否則認為數值分析未產生合理的準靜態響應，不能準確模擬靜力過程。本文數值模型產生的能量響應如圖3所示，結構動能占結構內能很小一部分，所占比例不超過5%。有限元模擬結果表明，該模型采用的顯示動力算法用于求解準靜態問題是可行的，并且數值模型的加載速率是合理的，并未產生明顯的動力特性。

本文推出試驗共加載了三組試件，其荷載滑移曲線如圖4所示，抗剪強度見表2，其中圖4對有限元數值仿真結果和試驗實測荷載-滑移曲線進行了對比。結果顯示，有限元數值模擬結果與試驗所測的荷載-滑移曲線基本一致，三組試驗所測的荷載-滑移曲線與數值模型模擬的結果最大誤差不超過5%，。表2給出了有限元數值計算結果與實測抗剪強度的比較，有限元數值分析結果與實測抗剪強度吻合良好，最大誤差不超過5%。證明上述建模方法以及本構模型參數的選取能夠有效地模擬推出試驗過程，為后續深入研究組合結構的破壞機理提供模型參考。

4 結論

（1）基于塑性損傷模型建立了非線性有限元數值模型，有限的模擬了超高韌性混凝土中短栓釘的抗剪承載力以及力學行為。

（2）通過靜力推出模型試驗，確定了超高韌度混凝土中短栓釘的荷載-滑移曲線以及抗剪強度，并對試驗測量數據和有限元仿真結果進行了比較分析，最終探明了超高韌度混凝土中短栓釘的抗剪力學行為，為后續深入研究組合結構的破壞機理提供模型參考。

參考文獻

［1］ 劉益銘.大縱肋正交異性鋼—高性能混凝土組合橋面板疲勞失效機理研究 ［D］.成都： 西南交通大學，2019.

［2］ 曹學亮，李法雄，雷俊卿，等.基于ABAQUS的開孔板連接件抗剪承載力分析［J］.公路交通科技，2013，30（11）：89-95.

［3］ 楊飛，董新勇，周沈華，等.ABAQUS混凝土塑性損傷因子計算方法及應用研究［J］.四川建筑，2017，37（6）：173-177.

［4］ 混凝土結構設計規范：GB 50010-2010［S］.