組合橋面板中短栓釘抗剪性能影響因素分析

基金項目：

2022年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“FRP增強ECC橋面連接板優化設計及力學性能研究”（編號：2022KY1400）；2023年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于拉索減震支座技術的鐵路連續梁橋抗震性能研究”（編號：2023KY1440）

作者簡介：

左海平（1990—），碩士，講師，研究方向：工程施工技術。

摘要：文章采用數值模擬研究了栓釘直徑、栓釘高度、ECC強度、界面粘結強度對鋼-ECC組合橋面板中短栓釘抗剪性能的影響。結果表明：栓釘直徑、ECC強度對短栓釘的抗剪承載力和抗剪剛度有顯著影響；栓釘高度對短栓釘的抗剪承載力和抗剪剛度的影響較小；鋼-混凝土的界面粘結強度可以提高抗剪剛度，但對短栓釘的抗剪承載力的影響可忽略不計；現有規范評價ECC組合橋面板中短栓釘的抗剪承載力時過于保守。

關鍵詞：ECC；短栓釘；抗剪承載力；抗剪剛度

中圖分類號：U443.31文獻標識碼：A 27 090 4

0 引言

鋼混組合結構憑借著其可以發揮材料的力學性能而被廣泛地應用于橋梁工程中。但在負彎矩區域容易產生混凝土的裂縫［1-2］。隨著高性能材料在橋梁工程中的不斷應用，ECC（工程用水泥基復合材料）成為解決該問題的主要方法之一。ECC是以水泥、石英砂等為基體的纖維增強復合材料，與普通混凝土相比具有高強度、高韌性、高抗裂性能和高耐損傷能力［3-4］。在直接拉伸過程中，由于ECC中存在纖維，纖維的橋接作用使得ECC呈現出典型的應變硬化特性，一般ECC的材料極限拉應變gt;3%。

栓釘連接件是保證鋼-混凝土協同工作的主要受力構件之一，在ECC組合橋面板中短栓釘得到了廣泛的應用。短栓釘連接件是最近出現的一種栓釘連接件形式。主要應用在組合橋面板中，一般規定其長徑比lt;4，直徑lt;16 mm，對應的混凝土的薄層一般lt;8 cm。針對短栓釘的抗剪性能方面的研究，李萌等［5］開展了UHPC中短栓釘的靜力推出試驗，分析了栓釘直徑、焊縫對短栓釘抗剪承載力的影響，其研究結果指出短栓釘的抗剪性能

和常規栓釘存在一定的區別，并且現有的栓釘計算方法并不適合于短栓釘抗剪承載力的計算。田啟賢等［6］開展了高性能混凝土中短栓釘的靜力推出試驗，其指出焊縫對短栓釘的承載力有較大貢獻作用，并且指出我國現行規范在計算短栓釘抗剪承載力時過于保守。

綜上所述，目前關于ECC材料中關于短栓釘的受力性能研究較少。在此基礎上，本文采用有限元的方式對ECC組合橋面板中的短栓釘抗剪性能開展了參數分析，分析了短栓釘直徑、高度、ECC強度、界面粘結強度對短栓釘抗剪性能的影響。

1 試件設計

本文以歐洲規范的標準推出試驗設計圖為例，進行ECC中短栓釘連接件的受力性能分析。短栓釘規格為13×35 mm。鋼梁采用Q345等級鋼材，厚度均選擇16 mm，ECC板厚選用50 mm，豎向鋼筋和橫向鋼筋采用HRB400等級，直徑為12 mm。為加載方便，在鋼梁頂部制備一個尺寸為320 mm×320 mm×20 mm的加載端板。試件詳細尺寸如圖1所示。

2 有限元模型

2.1 模型介紹

ECC組合橋面板中短栓釘抗剪性能影響因素分析/

左海平，賴世錦，張 釗，鄧建新

采用ABAQUS軟件對ECC板中短栓釘連接件的靜力性能進行研究，由于推出試件為雙軸對稱試件，因此本文僅建立1/4模型進行分析。鋼梁、栓釘、混凝土、焊縫采用三維實體單元進行模擬，鋼筋采用桁架單元進行模擬。焊縫尺寸根據現行栓釘尺寸考慮。全部網格劃分為10 mm，在栓釘局部周圍細化網格為3 mm。在試件底部（混凝土界面）施加固結約束，在XOY方向和ZOY方向分別施加對應的對稱界面約束，在鋼梁頂部形心處建立參考點，將參考點與頂面耦合。在參考點施加位移進行加載。鋼梁和混凝土、栓釘和混凝土之間的相互作用通過面面接觸來模擬，其中鋼-混凝土界面法向設置為硬接觸，切向設置為無摩擦接觸。栓釘和混凝界面法向設置為硬接觸，切向設置為摩擦接觸。摩擦系數根據現有文獻［7］取0.4。鋼筋直接嵌入混凝土內部。試件的有限元模型如圖2所示。

2.2 材料本構

ECC混凝土材料采用ABAQUS中的塑性損傷模型。本構曲線及材料參數采用文獻［8］中提出的本構曲線，其中受壓本構曲線如式（1）所示，受拉本構曲線如式（2）所示，損傷因子如式（3）所示。其中，立方體的抗壓強度取38.2 MPa，彈性模量取15.3 MPa，ECC的開裂強度取3.6 MPa，抗拉強度取4.5 MPa，混凝土的泊松比取0.2。

對應的本構曲線如圖3所示。

鋼材、鋼筋及栓釘采用理想彈塑性本構模型，其彈性模量取206 000 MPa，屈服強度分別取345 MPa、400 MPa、350 MPa，極限拉伸強度分別取500 MPa、520 MPa、450 MPa。泊松比取0.3，焊縫參數和栓釘保持一致。

2.3 破壞模式

如下頁圖4所示展示了ECC中短栓釘的破壞形態。從圖4中可以明顯看出，在栓釘根部出現了應力超限，最終破壞形態是栓釘及焊縫從根部發生破壞，ECC板的栓釘孔下側出現大面積壓潰，ECC板周圍出現較大壓應力。如下頁圖5所示給出了對應單個栓釘的界面-滑移曲線。從圖5中可以看出，短栓釘界面的荷載-滑移量較小，本文模擬的最大荷載為67 kN，對應的滑移量僅為3.87 mm。按照目前歐規規范要求，短栓釘不滿足塑性設計要求。因此，短栓釘需要按照彈性要求進行設計。

3 參數分析

3.1 栓釘直徑

為明確ECC組合橋面板中短栓釘的受力性能，開展了不同直徑（10 mm、13 mm及16 mm）下ECC短栓釘抗剪承載力與抗剪剛度分析。不同直徑的短栓釘承載力和剛度如圖6所示。其中，短栓釘連接件的剛度采用荷載-滑移曲線中滑移量為0.2 mm對應的割線模量為準。

從圖6可以看出，隨著栓釘直徑的增加，短栓釘的抗剪承載力和剛度在不斷增大，當栓釘直徑由10 mm增至16 mm時，其承載力增加了53 kN，增加約117%。而抗剪剛度增加了91 kN/mm，增加約32%。在有限元模擬中還發現，隨著栓釘直徑的增加，ECC混凝土的裂縫逐漸增多，其主要原因是隨著栓釘直徑的增加，混凝土所受壓力不斷增大，當栓釘直徑過大時，可能會造成ECC混凝土材料的壓潰現象。

3.2 栓釘高度

為進一步研究栓釘高度對短栓釘的抗剪承載力的影響，以直徑13 mm的短栓釘為例，高度分別選擇30 mm、35 mm、40 mm、45 mm。不同高度下的短栓釘承載力和剛度如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著短栓釘高度的增加，短栓釘抗剪承載力和抗剪剛度的增長趨勢呈現出先增大后減小的情況。當短栓釘高度從30 mm（2.3d）增加到40 mm（3.1d）時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了12.7%和16.5%；而從40 mm（3.1d）增加到45 mm（3.5d）時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了2.9%和6.9%。這表明栓釘高度對承載力和剛度的提升作用存在一定的限制。按照目前規范要求的長徑比gt;4，但在短栓釘連接件中，常用的短栓釘的長徑比遠遠lt;4，因此可以認為隨著栓釘高度的增加，短栓釘的抗剪承載力和抗剪剛度逐漸增加。

3.3 ECC強度

為明確ECC混凝土強度對ECC中短栓釘抗剪性能的影響，分別選擇ECC的強度分別為30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa。不同強度下的短栓釘承載力和剛度如圖8所示。

從圖8可以看出，隨著ECC混凝土強度的增加，短栓釘抗剪承載力和抗剪剛度逐漸增加。但當ECC混凝土強度為30 MPa時，其承載力和抗剪剛度出現了突降現象。其主要原因是由于ECC混凝土強度較低，在該工況下，ECC中短栓釘連接件的破壞模式為ECC混凝土板發生破壞。而在強度較高時，破壞模式為栓釘剪斷。針對栓釘破壞情況，當ECC混凝土強度從40 MPa增加到60 MPa時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了7.7%和8.3%。這表明ECC混凝土的強度增加可以增加短栓釘連接件的抗剪承載力和抗剪剛度，但增長幅度明顯小于栓釘直徑的影響。

3.4 界面粘結強度

為研究界面粘結強度對ECC組合橋面板中短栓釘中抗剪性能的影響，在ABAQUS軟件中分別選擇鋼-混凝土界面的粘結強度分別為0.5 MPa/m2、1 MPa/m2、1.5 MPa/m2、2 MPa/m2等工況。不同粘結強度下的短栓釘承載力和剛度如圖9所示。

從圖9可以看出，隨著鋼-混凝土界面粘結強度的增加，短栓釘抗剪承載力變化不大，但抗剪剛度明顯增加。當粘結強度由0.5 MPa/m2增加到2 MPa/m2時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了2.3%和9.8%。這表明界面粘結強度對ECC中短栓釘抗剪承載力的影響可以忽略不計，但可以提高短栓釘抗剪剛度。主要原因是在連接件承受荷載時，荷載首先傳遞給鋼梁，后傳遞給栓釘。在此過程中，加載初期需要克服鋼-混凝土界面的粘結力，但隨著界面粘結力的消除，最終栓釘的抗剪承載力并不受影響。但抗剪剛度取值為荷載-滑移曲線0.2 mm處的割線模量。初期界面的粘結力會造成滑移量偏小，因此，隨著粘結強度的增加，短栓釘的抗剪承載力變化不大，但抗剪剛度明顯增加。

4 短栓釘抗剪承載力計算方法分析

目前各國規范中并無特別針對短栓釘的計算方法，均是普通栓釘的承載力計算方法。如表1所示總結了現行規范中的栓釘連接件的計算方法以及文獻［5］中提出的計算方法。

如表2所示，給出了不同計算公式下短栓釘承載力計算結果。從表2中可知，在現行規范中，采用日本規范計算短栓釘的抗剪承載力時，計算值與模擬值的比值僅為0.2～0.31，其結果遠遠低于實際值，嚴重低估了短栓釘的抗剪承載力。美國規范計算結果與模擬值較為接近，計算值與模擬值的比值介于0.71～0.8；歐洲規范和中國規范的計算值介于美國規范和日本規范之間，其計算值與模擬值的比值分別介于0.58～0.65和0.66～0.75。而文獻［5］中提出的計算方法最為可靠，其計算值與模擬值的比值介于0.78～0.88。目前現行規范在計算栓釘承載力時，均是針對常規栓釘，未考慮焊縫對栓釘承載力的貢獻作用。由于短栓釘單釘長徑比一般lt;4，焊縫對其抗剪承載力的影響較大，建議在計算短栓釘抗剪承載力時應采用考慮焊縫的計算方法更為準確。

5 結語

本文采用數值方法開展了ECC組合橋面板中短栓釘受力性能的研究，分析了栓釘直徑、栓釘高度、ECC強度、界面粘結強度等對短栓釘抗剪承載力和剛度的影響。主要得到了以下結論：

（1）ECC中短栓釘連接件的破壞模式為短栓釘被剪斷，栓釘根部周圍的ECC混凝土被壓潰。

（2）栓釘直徑、ECC強度可以提高短栓釘的抗剪承載力和抗剪剛度；栓釘高度對短栓釘的抗剪承載力和抗剪剛度的影響有限；鋼-混凝土的界面粘結強度可以提高抗剪剛度，但對短栓釘的抗剪承載力的影響可忽略不計。

（3）采用現行規范對短栓釘的抗剪承載力進行了評估，其結果表明現有規范低估了ECC中短栓釘的抗剪承載力，而考慮栓釘焊縫作用的評估方法較為可靠。

參考文獻

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