装配式钢-混凝土组合梁中栓钉连接件的抗剪承载力分析

2019-04-13余浩瀚李大华王健康柳军修

安徽建筑大学学报 2019年6期

余浩瀚，李大华，王健康，柳军修

(1.安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥，230022；2.贵州大学空间结构研究中心，贵州贵阳，550003)

0 前言

钢—混凝土组合梁结合了钢材和混凝土结构的优点，广泛用于各种类型的建筑物和桥梁结构。随着建筑工业化的发展，钢筋混凝土组合梁由于其“预制装配”、“快速施工”等优点广泛应用于抢险、抢修工程中[1]。栓钉连接件是确保钢筋混凝土板和钢板可以一起工作的关键部件，影响组合梁承载力和变形性能主要原因来自于栓钉连接件的变形。为此，我们将考虑钢梁与混凝土板之间荷载—滑移的关系。

戴益民[2]通过12组推出试验，研究了剪力槽孔形状和孔内填充材料对栓钉连接件的受剪性能的影响；王连广[3]收集了大量的试验研究数据，并针对这些数据进行了回归分析，从而提出栓钉连接件的荷载-滑移关系计算式；丁发兴等[4]通过3组推出试验，研究了栓钉直径、屈服强度、混凝土强度等级等参数对栓钉连接件的受剪承载力的影响，并通过大量算例参数分析，提出了考虑栓钉的直径、屈服强度和混凝土强度等级的栓钉连接件的受剪承载力计算式和荷载-滑移曲线的计算方法；王一泓[5]通过推出试验和弯曲试验分别对栓钉连接件和橡胶集料混凝土板组合梁的静力性能和疲劳性能进行了试验研究，考虑了橡胶集料混凝土板的强度、栓钉直径等对栓钉连接件和组合梁的静力性能和疲劳性能的影响。项贻强等[6]基于混凝土和栓钉的塑性损伤模型，利用ABAQUS有限元软件，对栓钉连接件抗剪承载力的影响因素进行了研究。

本文采用有限元软件ABAQUS建立了试件的精细数值模型。研究了栓钉直径，屈服强度，混凝土强度等级对栓钉连接件抗剪承载力的影响。

1 模型设计

根据欧洲规范4[7]的相关规定设计了推出试件，试件的详细介绍和尺寸细节如图1所示。本文共设计了6组共19个推出试件进行有限元数值模拟，研究栓钉直径、屈服强度、混凝土强度等级等参数对栓钉连接件的受剪承载力的影响。每个推出试件的钢梁两侧各焊有16个栓钉，栓钉直径分别为13 mm、16 mm、19 mm和22 mm。采用GB/T 10433《圆柱头焊钉》规定的4.6级栓钉，推出试件中钢梁均为Q235钢材。混凝土板内钢筋均为HPB300级钢。

图1 推出试件尺寸参数(单位mm)

2 模型建立

2.1 材料的本构关系

有限元分析的关键就是合理选择材料本构关系。

2.1.1 混凝土的本构关系

ABAQUS材料库提供的混凝土塑性损伤模型(CDP模型)。混凝土应力-应变的关系采用GB50010-2010《混凝土结构设计规范》[8]推荐的曲线，单轴压缩的应力-应变关系曲线可通过式(1)确定：

式(3)可以确定单轴受拉的应力-应变曲线：

2.1.2 钢梁、栓钉和钢筋的本构关系

栓钉，钢梁和钢筋的本构关系都是弹塑性本构模型，如图2所示，这一本构模型保证了应力 -应变关系的唯一性。

图2 钢材的本构模型

2.2 单元类型的选取和网格划分

栓钉，钢梁和混凝土均基于八节点三维固体线性压下装置(C3D8R)。使用三维双结点桁架单元(T3D2)对钢筋进行数值模拟。

根据试件的几何对称性，采用ABAQUS软件建立1/4试件的有限元模型进行分析。使用扫描和结构化网格技术分别对栓钉，栓钉孔位置和钢梁的其他部分进行精细啮合。在应力集中部分，网格更细，其他部分更粗糙。详细如图3所示。

图3 模型单元选取和网格划分

2.3 界面接触关系

推出试件有限元模型各部件之间接触关系的处理是数值分析中最为复杂的部分。

(1)栓钉帽和混凝土板的接触关系：相关试验结果表明，试件破坏后，栓钉帽完全固定在混凝土板中，未发生滑移，因此本模型采用绑定(Tie)约束方式。

(2)栓钉杆和混凝土板的接触关系：栓钉杆与混凝土板的接触由切线方向的罚函数(Penalty)和法线方向的硬接触(Hard Contact)两部分组成，考虑了栓钉与混凝土之间的自然粘结力和库仑摩擦力，参考文献中取值，取摩擦系数为0.4，选择栓钉表面作为主表面，混凝土表面为从属表面；

(3)钢梁与混凝土板的接触关系：为了充分体现栓钉连接件的抗剪性能，本模型不考虑钢梁和混凝土之间黏结力和库仑摩擦力的作用，在接触面切向采用 Frictionless surface to surface contact接触；在法向上采用硬接触(Hard Contact)，两者存在相互的侧向约束，但是发生掀起效应时允许接触面分离。

(4)新、旧混凝土间的接触关系：本文不考虑新、旧混凝土间的粘结滑移，假定两者之间粘结可靠，不发生剥离现象，其接触关系采用绑定(Tie)。

2.4 边界条件及加载方式

在1/4推出试件的对称面上分别施加对称边界条件，推出试件试件与地面接触位置采用固定端接触；在钢梁顶面采用位移加载，见图4所示。

3 有限元分析

3.1 影响参数分析

本节将针对前述主要影响因素进行参数化数值分析。

3.1.1 变剪距混凝土强度等级的参数分析

以直径为16 mm的栓钉连接器和屈服强度为350 MPa的试件模型为例，进行参数化数值分析，剪力槽孔内不同混凝土强度等级的推出试件有限元模型主要参数见表1，其抗剪承载力如图5(a)所示。从图中可以看出，螺栓连接处的抗剪承载力随着剪力槽中混凝土强度水平的增加而增加，但增长速度减慢。

表1 变剪距混凝土强度等级的推出试件主要参数

图4 边界条件及加载方式

3.1.2 栓钉直径变化的参数分析

以剪切槽中混凝土强度等级C40的栓钉连接件试件模型为例，进行参数化数值分析。具有不同桩径的突出试件的有限元模型的主要参数如表2所示。剪切承载能力如图5(b)所示。从图中可以看出，栓钉连接件的剪切承载能力随着栓钉直径的增加而近似线性地增加。

表2 栓钉直径变化的推出试件主要参数

3.1.3 栓钉屈服强度变化的参数分析

以剪切槽中的桩径为16 mm，混凝土强度等级为C40的试件模型为例，进行参数化数值分析。不同栓钉屈服强度的推出试件有限元模型主要参数见表3，其抗剪承载力如图5(c)所示。从图中可以看出，栓钉连接件的剪切承载能力随栓钉屈服强度的增加而近似线性增加。

表3 栓钉屈服强度变化的推出试件主要参数

3.1.4 变化预制板混凝土强度等级的参数化分析

以栓钉的直径为16 mm，屈服强度为350 MPa，剪力槽孔内混凝土强度等级为C40的栓钉连接件推出试件模型为例，进行参数化数值分析。不同预制板混凝土强度等级的推出试件有限元模型主要参数见表4，其抗剪承载力如图5(d)所示。由图可知，栓钉连接件的抗剪承载力随预制板混凝土强度等级的增加而增加。但增幅很小，其对栓钉抗剪承载力影响不大。

表4 变化预制板混凝土强度等级的推出试件主要参数

3.1.5 变化混凝土板内横向配筋率

以栓钉直径为16 mm，屈服强度为350 MPa，剪力槽孔内混凝土强度等级为C40的栓钉连接件推出试件模型为例，进行参数化数值分析。不同横向配筋率的推出试件有限元模型主要参数见表5，其抗剪承载力如图5(e)所示。由图可知，栓钉连接件的抗剪承载力随混凝土板内横向配筋率的增加而增加，但增幅很小，其对栓钉抗剪承载力影响不大。

表5 变化混凝土板内横向配筋率的推出试件主要参数

3.1.6 变化栓钉数量

以栓钉直径为16 mm，屈服强度为350 MPa，剪力槽孔内混凝土强度等级为C50的栓钉连接件推出试件模型为例，进行参数化数值分析。不同栓钉数量的推出试件有限元模型主要参数见表6，其抗剪承载力如图5(f)所示。由图可知，栓钉连接件的抗剪承载力随栓钉个数的增加有所增加，但增幅很小，其对栓钉抗剪承载力影响不大。

表6 变化栓钉数量的推出试件主要参数

3.2 荷载—滑移曲线

根据栓钉连接件抗剪承载力影响因素的分析，栓钉连接件抗剪承载力的主要影响因素为：剪切槽中的混凝土强度等级，栓钉直径和屈服强度。

图6(a)显示了不同剪切槽中混凝土强度等级下栓钉接头的荷载-滑移曲线。图6(b)显示了不同桩径的栓钉连接器的负载-滑移曲线。图6(c)显示了不同桩钉屈服强度的栓钉连接器的负载-滑移曲线。

3.3 数值模型的受力变形

图7中(a)(b)所示为栓钉、钢筋和混凝土板的Mises应力云图，图7中(c)所示为推出试件的变形云图，由栓钉应力云图可知，推出试件发生破坏时，栓钉下部的应力最大，也是最先达到屈服的，栓钉的应力由下部到上部逐渐减小，而钢梁应力不大；栓钉下部的变形也是最大，也从下部到上部不断减小；栓钉下部受压侧混凝土局部压碎，另一侧混凝土与栓钉发生脱离。