橡胶对剪力钉群的力学性能影响研究

黄彩萍 游文峰 翟凯凯 杨艳霜

（湖北工业大学 土木建筑与环境学院, 武汉 430068）

钢-混凝土组合梁由于自重轻、截面尺寸小、节省模板和支模工序、用钢量小、刚度大、稳定性和整体性好等优点而被广泛应用于桥梁和建筑结构.此种组合梁主要通过在钢梁和混凝土翼缘板之间设置剪力连接件(栓钉、槽钢、弯筋等),抵抗两者在交界面处的掀起及相对滑移,使之成为一个整体共同工作.剪力钉是目前应用最为广泛的一种剪力连接件,所以剪力钉的力学性能十分重要[1-2].

在组合结构中剪力钉是以群钉的形式抵抗剪力的,相关研究结果[3]表明,剪力钉群的受力呈马鞍型,即两头大中间小,受力较为不均匀.群钉中任意一枚剪力钉破坏意味着整个抗剪连接件即将失效,目前已有大量国内外学者对如何改善剪力钉群受力不均匀的特性进行了相关研究[4-7].研究结果显示有多种可行方法能够改善剪力钉群的受力不均匀性,一是直接降低剪力钉的抗剪刚度；二是通过改善混凝土延性和抗裂性,间接提高剪力钉的抗剪承载力等.

韩庆华等[6]在混凝土中掺入不同含量的橡胶来提高混凝土的延性,对预埋在橡胶混凝土中的剪力钉连接件进行了18次推出试验.试验结果表明掺入橡胶后的混凝土刚度降低,使得剪力钉的破坏更具延性.刘玉擎等[7-12]将橡胶套和剪力钉组合在一起代替普通剪力钉,并对其力学行为进行了试验研究和数值模拟,研究结果显示调整橡胶套的长度可显著降低剪力钉的刚度.以上研究对象一般为单枚剪力钉,而实际工程中剪力钉往往是以群钉的形式设置于钢-混结合面上,橡胶套对群钉受力性能的影响尚不得而知.黄彩萍等[13]选取不同厚度和长度的橡胶材料对剪力钉根部进行外包,形成橡胶套-剪力钉群组合抗剪连接件,通过推出试验分析了橡胶套-剪力钉群试件的破环形态、极限承载力、荷载-滑移规律和剪切刚度等受力性能.研究发现,橡胶套-剪力钉群的极限抗剪承载力均大于普通剪力钉群的极限抗剪承载力；橡胶的设置降低了剪力钉群的抗剪刚度,使得每个剪力钉的受力趋于均匀.

上述研究大部分为试验研究,文献[6-12]的研究对象为单枚剪力钉试件,文献[13]中的连接件为橡胶套剪力钉群连接件,由于测点布置和测试手段的局限性,且文献[13]并未进行数值分析,所以橡胶对剪力钉群受力不均匀性的改善效果并没有量化.随着计算机技术的发展,有限元数值仿真计算在工程领域中的使用越来越广泛.本文采用有限元计算软件Abaqus分别对橡胶套剪力钉群组合剪力连接件和橡胶混凝土中的剪力钉群进行数值分析,对比研究橡胶套和橡胶混凝土对剪力钉群受力性能的影响.

1 试验概况与研究对象

文献[13]选取不同尺寸的橡胶材料对剪力钉根部进行外包,形成橡胶套剪力钉组合剪力连接件,并进行了推出试验,试件中橡胶的长度分别为50、100、150 mm,厚度为4 m,钢结构材料为Q235B,混凝土材料为C50,剪力钉直径为22 mm,材料为ML15,试件具体尺寸如图1(a)所示.文献[6]将橡胶掺入混凝土来形成橡胶混凝土,对不同橡胶掺量的试件进行了推出试验,试件中橡胶的掺量分别为5%、10%、15%,钢结构材料为Q235B,混凝土材料为C30,剪力钉直径为16 mm,试件具体尺寸如图1(b)所示.

图1 推出试件构造图(单位:mm)

2 剪力钉极限承载力和破坏机理分析

2.1 极限承载力

1)橡胶套-剪力钉

文献[13]以推出试验所得荷载-滑移曲线中的最大剪力定义为试件的极限承载力,见表1.橡胶套-剪力钉群的抗剪承载力较普通剪力钉均有不同程度的提高,特别是当橡胶套长度为剪力钉高度的1/2时,提高效果最佳,提高幅度达到19%.由此可见,在剪力钉根部外包橡胶套是一种能够有效提高其抗剪承载力的方法.

表1 橡胶套试件的抗剪承载力

2)橡胶混凝土

文献[6]推出试验所得剪力钉抗剪承载力见表2.橡胶混凝土中的单钉抗剪承载力较普通剪力钉均有不同程度的降低.当橡胶掺量为15%时,剪力钉的抗剪承载力大幅下降,仅为普通混凝土剪力钉试件的80%.由此可见,在混凝土中掺入橡胶会降低剪力钉的抗剪承载力.

表2 橡胶混凝土试件的抗剪承载力

2.2 荷载-滑移曲线及抗剪刚度

图2为文献[13]推出试验中不同长度橡胶套的剪力钉群荷载-滑移曲线；图3为文献[6]推出试验中不同掺量橡胶混凝土的单钉荷载-滑移曲线；有限元对比分析见下节.

图2 橡胶套-剪力钉荷载-滑移曲线

图3 橡胶混凝土荷载-滑移曲线

本文以钢-混结合面荷载-滑移曲线在滑移量为0.2 mm 处的割线斜率作为剪力钉的抗剪刚度,橡胶套-剪力钉群和橡胶混凝土单钉的抗剪刚度见表3～4.从表3和表4可以看出,橡胶套的设置和在混凝土中掺入橡胶都使得剪力钉的抗剪刚度降低.橡胶套对剪力钉群抗剪刚度的降低幅度约为20%～30%,在混凝土中掺入橡胶使得橡胶混凝土中的单钉抗剪刚度有很大程度的降低,当橡胶掺量为15%时,单钉的抗剪刚度仅为普通混凝土中剪力钉的36%.

表3 橡胶套试件的抗剪刚度

表4 橡胶混凝土试件的抗剪刚度

2.3 破坏机理

在文献[13]和文献[6]中,所有试件均是以剪力钉被剪断宣告破坏的,但橡胶套-剪力钉群试件中的混凝土出现了大面积的开裂,而橡胶混凝土剪力钉试件中混凝土较为完好.

图4分别为橡胶套-剪力钉群试件和橡胶混凝土试件的剪切断面.如图4(a)所示,所有橡胶套剪力钉均从根部被剪断,其上边缘的混凝土留有大小不同的凹槽,下边缘的混凝土由于受到较大压力出现局部破损,呈松散的白色粉末状,剪力钉的主要破坏特征为弯剪破坏.橡胶混凝土单钉试件的剪切断面如图4(b)所示,剪力钉上边缘的混凝土无明显破坏现象,下边缘的混凝土同样呈松散的白色粉末状,试件主要破坏特征为剪力钉被剪断.

图4 试验所得剪力钉的剪切断面

3 数值分析

3.1 有限元建模

本文为详细研究橡胶对群钉和单钉组合连接件受力性能的影响,使用有限元软件ABAQUS/standard模块分别建立了两个不同的有限元计算模型:①橡胶套-剪力钉群钉模型；②橡胶混凝土单钉模型.

1)所有剪力钉、混凝土、钢板均采用体单元.根据橡胶的本构关系,在弹性阶段采用体单元模拟橡胶套,在塑性阶段,由于橡胶套已受力破坏,参考文献[9]将橡胶套简化为剪力钉和混凝土之间的缝隙.

2)两种模型中混凝土与剪力钉的接触部位、钢板与混凝土的接触部位均设置接触单元.

3)钢构件采用图5所示的双折线本构模型.混凝土采用弹塑性模型进行模拟,其单轴受压应力-应变关系如图6(a)所示,其中混凝土的断裂能如图6(b)所示,并按以下公式计算[14]:

图5 钢材本构关系

式中:α取0.03,其它参数按各自混凝土强度取值.

4)为了准确模拟橡胶混凝土的受力情况,根据文献[6]试验所得不同掺量橡胶混凝土的应力-应变曲线,掺量为5%、10%、15%的橡胶混凝土初始弹性模量分别为27.9、21.83、14.45 GPa,所有橡胶混凝土的泊松比均为0.3.

橡胶套-剪力钉模型如图7(a)所示,橡胶混凝土剪力钉模型如图7(b)所示.

图7 有限元计算模型

3.2 试验与有限元计算结果对比分析

由图2和图3可知(有限元计算值为FEM):1)在橡胶混凝土单钉有限元计算中,没有加入橡胶单元,以改变混凝土的弹性模量来模拟不同的橡胶掺量,且橡胶混凝土的弹性模量为该试验所得,所以计算结果与试验实测较为接近.

2)在橡胶套-剪力钉群有限元计算中,普通剪力钉群的荷载-滑移曲线呈平缓上升状,设置橡胶套后,所有橡胶套-剪力钉群的有限元计算荷载-滑移曲线均出现明显拐点,在70～80 k N 范围内,曲线向上凸起,在80～100 k N 范围内,曲线向下内凹,当荷载超过100 k N 后,曲线开始平缓上升,这与推出试验所得实测荷载-滑移曲线的特征相符.

从整体上看,有限元所得橡胶混凝土单钉和橡胶套-剪力钉群的极限抗剪承载力及荷载-滑移规律与试验较为吻合,说明本文采取的有限元建模方法合理,能准确分析橡胶套及橡胶混凝土对剪力钉受力性能的影响,为下节有限元计算提供了参考方法.

4 橡胶对剪力钉群力学性能的影响

4.1 橡胶混凝土群钉有限元计算模型

文献[6]和上节有限元计算分析了橡胶混凝土中单钉的力学性能,但掺入混凝土中的橡胶对剪力钉群的受力影响尚不明确,本节按照上节有限元计算方法,根据模型①的构件尺寸,取消剪力钉根部的橡胶套,改变混凝土的弹性模量来模拟不同掺量的橡胶混凝土,建立橡胶混凝土剪力钉群有限元计算模型③,如图8所示.对比模型①和模型③,研究分析橡胶的设置方式对剪力钉群力学性能的影响.

图8 橡胶混凝土群钉计算模型(单位:mm)

4.2 橡胶对荷载-滑移曲线的影响

橡胶套-剪力钉群和橡胶混凝土剪力钉群有限元计算荷载-滑移曲线如图9所示.

图9 不同形式的橡胶剪力钉群荷载-滑移曲线

由图9可知:

1)对于橡胶混凝土剪力钉群,当橡胶掺量为5%和10%时,群钉中单个剪力钉的抗剪承载力较普通剪力钉略有降低；当橡胶掺量为15%时,群钉中单个剪力钉的承载力出现大幅度的降低；随着橡胶掺量的增加,钢-混结合面最终的滑移量逐渐增大,提高了橡胶混凝土剪力钉群的破坏延性.

2)对于橡胶套-剪力钉群,橡胶套的设置使得试件的极限承载力增加,剪力钉群的破坏更具延性.但橡胶套的长度并非越长越好,橡胶套过短会降低其改善群钉受力不均匀的功效,过长则会影响剪力钉与混凝土之间的粘结.结合本文的试验和数值分析结果,当橡胶套的长度为剪力钉高度的1/2(h＝100 mm)时,对剪力钉群的极限抗剪承载力提高效果最佳.

4.3 橡胶对群钉受力不均匀的改善效果

综合分析表5和图10可知:

表5 不同形式橡胶的剪力钉群各层钉剪力汇总

图10 各类剪力钉的荷载分配系数

1)对于橡胶混凝土剪力钉群,群钉内部各层钉分配到的剪力始终呈马鞍状,与普通混凝土中剪力钉群的受力状态较为相似,说明橡胶以掺入混凝土的形式对剪力钉群受力不均的改善效果不明显.

2)对于橡胶套-剪力钉群:在加载前期(0～100 k N):50 mm(剪力钉高度的1/4)和100 mm(剪力钉高度的1/2)的橡胶套能较好地改善剪力钉群的受力不均,150 mm(剪力钉高度的3/4)橡胶套的改善效果次于其他两种.在加载中期(100～200 k N):50 mm 橡胶套的改善效果开始减弱；100 mm 的橡胶套对剪力钉群受力不均的改善效果依然较好,150 mm 橡胶套的改善效果较加载前期略有提高.在加载后期(300～400 k N):50 mm 和150 mm 的橡胶套已经失效,100 mm 橡胶套的剪力钉群各层钉仍保持受力均匀,由此可见,橡胶套的长度取剪力钉高度的1/2(本文为100 mm)对剪力钉群受力不均的改善效果最佳.

5 结 论

本文通过剪力钉群外包橡胶套试件和在混凝土中掺入橡胶形成橡胶混凝土剪力钉试件的推出试验并进行数值分析,所得结论如下:

1)在群钉根部设置橡胶套和在混凝土中掺入橡胶均能降低剪力钉的抗剪刚度,使剪力钉更具延性；外包橡胶套的方式能使群钉内部各层剪力钉的受力趋于均匀,有效改善群钉的受力不均匀性,从而提高了剪力钉群的抗剪承载力；在混凝土中掺入橡胶使得混凝土强度下降反而降低了剪力钉群的抗剪承载力,且对群钉的受力不均匀无明显改善.

2)橡胶套的长度为剪力钉高度的1/4或3/4时,橡胶套对剪力钉群受力不均匀的改善只在加载前期有效,当荷载超过一定范围后,剪力钉群再次出现马鞍状的受力状态,其原因是1/4钉高的橡胶套长度过短,橡胶套在加载中期就已完全被破坏,而3/4钉高的橡胶套长度过长,降低了剪力钉与混凝土之间的粘结.当橡胶套的长度为剪力钉的1/2时,各层剪力钉的荷载分配系数始终相同,改善效果最为良好,因此在实际使用中,建议橡胶套的长度取剪力钉高度的一半最为合适.

3)本文所建立的有限元计算模型可以较好地模拟推出试验下外包橡胶套的剪力钉群和橡胶混凝土中剪力钉的工作状态,为分析橡胶对剪力钉受力性能的影响提供了一种参考方法.