刚性剪力键力学性能分析

林 牧

刚性剪力键力学性能分析

林 牧

通过有限元分析了组合梁刚性剪力键在极限荷载下的位移、应力,得出荷载—滑移曲线及应力分布规律,并对其构造尺寸进行了参数化分析,最后根据经验公式及有限元计算结果推出了其极限承载力简化公式。分析表明,刚性剪力键能够有效的传递混凝土与钢梁间的纵向剪力。

组合梁,刚性剪力键,有限元分析,承载力

剪力键作为钢—混组合梁的重要传力部件,使两者共同受力,对充分发挥两种材料的优势起着至关重要的作用。由于组合梁界面间的剪切滑移会导致其刚度削弱,梁挠度增大[1],使承载能力下降,而增强剪力键的刚度对减小这种滑移有很大的帮助,故提出一种新型刚性剪力键,它由带孔钢板、横向钢板和钢筋骨架三者构成,其构造如图 1所示。

1 有限元模型及结果分析

1.1 有限元建模

考虑到模型的对称性,故建立 1/2模型。采用ANSYS中的分离式建模,不考虑钢筋和混凝土之间的滑移,荷载的施加是通过加载钢梁的顶部采用均布荷载的形式,计算考虑了模型的重力。计算时采用逐级加载方式,每级50 kN。计算过程中,TIME=21.70时由于不收敛而终止计算,得刚性剪力键的极限承载力为：Qu=21.7×50=1 085 kN。

1.2 位移结果

破坏荷载作用下的竖向(Y向)位移云图见图 2,在极限荷载下,加载区域最大竖向位移为 0.424mm。Z向位移加载区域位移值较大(见图 3),而后向下逐渐变小,分布较为均匀。X向位移在破坏时 X方向最大位移值为0.292mm(见图 4)。

1.3 应力结果

破坏荷载时刚性剪力键的等效应力云图及Y向应力云图分别见图 5,图 6。由图 5,图 6可知钢梁与剪力键顶部的接触区域出现明显的应力集中,有效应力最大为 351MPa,Y向(加载方向)主应力最大为 394MPa,即该区域已屈服。图 7中应力较大的区域为刚性剪力键三个带孔钢板孔处的混凝土,说明在模型加载过程中,混凝土榫起到了较好的销栓作用。

1.4 荷载—滑移曲线分析

由图 8可知,在荷载小于 400 kN时,界面基本没有相对滑移发生,当加载量大于400 kN后,界面间相对滑移呈现出逐渐增大的趋势,而当加载至1 000 kN左右时,较小的加载量产生较明显的相对滑移,但是刚性剪力键在破坏荷载时的最大滑移仅为0.268mm。

1.5 有限元计算结果与经验公式计算值对比

由于刚性剪力键是基于 PBL剪力键提出的一种新型剪力连接件,目前并没有其极限承载力的计算公式,故将有限元计算结果与用经验公式计算得出的极限承载力进行对比。由于 PBL经验公式中并没有考虑横向连接钢板的影响,故在计算时将横向钢板按等工程量的原则等效成带孔钢板的厚度。根据文献[2]～[6]中的经验公式计算结果分别为：1222 kN,1 382 kN,980 kN,768 kN,736 kN,1 368 kN,583 kN。

1.6 刚性剪力键应力分布规律分析

沿施加荷载方向(Y向)对钢梁依次取1/4H,1/2H,3/4H及H四个位置作为观测点进行分析,其中H为加载钢梁和刚性剪力键接触部分长度。钢梁沿 Y向的 Von-mises应力变化见图 9,钢梁和剪力键接触的测点已屈服,而其他测点则均处于弹性阶段,应力值相对较小,均小于 150MPa。综上所述,钢梁和刚性剪力键在顶部接触的地方为薄弱点,较易屈服,故选取刚性剪力键三个带孔钢板和钢梁的顶部连接处为研究位置：位置 1和位置 3分别表示两侧的带孔钢板;位置 2表示处于中间的带孔钢板。其加载过程中的mises应力变化过程见图 10,三个位置在加载过程中应力变化趋势类似,但是位置 2较位置 1和位置 3提早屈服,加载至 750 kN时位置 2即开始屈服,位置1和位置 3的受力具有较好的对称性。

由以上分析可知,中间带孔钢板最先屈服。为研究沿荷载方向应力变化,以中间带孔钢板为研究对象,沿荷载方向均布 5个测点,m ises应力见图 11;带孔钢板仅顶部位置在 750 kN时屈服,其他位置处于弹性阶段,破坏时,位置 2的等效应力为 181.9MPa。在X方向均匀布置 5个测点,中间带孔钢板的 mises应力变化见图12,仅带孔钢板顶部屈服,其他位置的等效应力值较小,位置 2等效应力仅为 81.63MPa。

1.7 横向钢板的宽度、厚度对刚性剪力键力学性能的影响研究

为研究横向钢板宽、厚度对刚性剪力键力学行为的影响,分别建立不同模型进行分析,仅改变横向钢板的宽度、厚度,其他几何尺寸均相同,见表 1,表 2。

表1 宽度参数

表2 厚度参数

极限承载能力计算结果对比(见图 13,图 14),设置 40mm宽横向钢板时刚性剪力键的极限承载力比不设横向钢板时高 18.7%,故横向钢板的宽度对刚性剪力键的极限承载能力提高较大。

2 刚性剪力键极限承载力简化公式探讨

本文采用Hosain经验公式[3]作为刚性剪力键极限承载力简化公式的基础公式,然后再考虑横向加强钢板的贡献,因此可将刚性剪力键的简化公式表示如下：

由上式可知,刚性剪力键破坏模式是剪切破坏,其抗剪承载力由贯穿钢筋、混凝土榫及横向加强钢板三部分共同组成。有限元结果与承载力计算公式结果比较,如图 15所示。

由图 15可知,采用本文提出的简化公式的理论解和有限元数值模拟值较为吻合,说明采用该简化公式计算刚性剪力键的极限承载力是可行的。

3 结语

1)加载钢梁与混凝土界面间滑移极小,表明刚性剪力键刚度足够大,能够有效的传递混凝土与钢梁间的纵向剪力;2)带孔钢板区域的混凝土应力较其他位置偏大,破坏时带孔钢板圆孔处混凝土最大有效应力达 28.8MPa,说明该位置是破坏控制点;3)有限元计算表明横向钢板对刚性剪力键的极限承载能力有一定影响;4)对刚性剪力键极限承载力的计算简化公式进行探讨,简化计算公式考虑了钢筋骨架及横向钢板对刚性剪力键极限承载力的增强作用,将有限元数值计算结果与简化公式计算解进行对比,结果吻合较好,表明提出的公式计算刚性剪力键极限承载力是可行的。

[1]Jayas BS,Hosain M U.Behavior ofheaded studys in composite beams：full-size test[J].Can JCiv Eng,1989(16)：714-724.

[2]刘玉擎,曾明根,陈艾荣.连接件在桥梁结构中的应用与研究[J].哈尔滨工业大学学报,2003,35(8)：272-275.

[3]雷昌龙.钢—混凝土组合桥中新的剪力连接器的发展与试验[J].国外桥梁,1999(2)：64-68.

[4]Valente I,Paulo JSCruz.Experimental analysis of perfobond shear connection between steel and lightweight concrete[J].Journalof Constructional Steel Research,2004(60)：465-479.

[5]Oguejiofor EC,Hosain M U.Numericalanalysis of push-out specimens with perfobond rib connectors[J].Computers＆Structures,1997,62(4)：617-624.

[6]宗周红,车惠民.剪力连接件静载和疲劳试验研究[J].福州大学学报(自然科学版),1999,27(6)：61-66.

Analysis on the mechanical properties of rigid shear connector

LIN M u

This thesis analyzes of finite elwment the displacementand stress of composite girder rigid shear connector under ultimate load,obtains its loading-sliding curves and stress distribution law,and carries on parametric analysis on its structure and size,and finally deduces the simp lified formula of ultimate loading according to experienced formulas and finite element calcu lation results.Analysis shows that rigid shear connector can effectively transfer the lengthways shear force between concrete and steel girder.

composite girder,rigid shear connector,finite elementanalysis,carrying capacity

TU311

A

1009-6825(2011)09-0044-03

2010-11-28

林 牧(1983-),男,重庆交通大学土木建筑学院硕士研究生,重庆 400074