亳芜高架桥剪力钉受力变形模拟分析

李 琨，吕秋玲，刘 成

(安徽建筑大学 土木工程学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

目前的桥梁工程中，钢-混组合梁桥被广泛运用，剪力钉是钢-混组合梁重要的连接部件，其受力性能会直接影响桥梁的结构稳定.国内外众多专家和学者针对剪力钉连接部件的力学性能展开了研究[1-3].丁发兴等[4]通过有限元软件建立推出实验模型，结果表明剪力钉受剪承载力与剪力钉的直径、混凝土强度成正相关.黄侨等[5]利用ABAQUS有限元软件分析出剪力钉直径对剪力钉的抗剪承载力影响较大.封博文等[6]研究了施工误差对剪力钉力学性能的影响，得出了混凝土浇筑不密实会造成剪力钉抗剪承载力明显下降.然而，目前对亳芜高架桥剪力钉受力的研究较少，因此本文采用了有限元软件Midas建立了亳芜高架桥上部结构局部模型，分析了在剪力钉长度、直径、混凝土强度等方面对剪力钉的受力变形规律，同时，为类似项目提供一定参考.

1 工程概况

亳芜大道处于高架快速路段，长约8.2 km,规划红线宽60 m.高架主线桥自光明路以北约400 m处起桥，向南连续穿越老城区、新城区后在酒城大道，以南约380 m处落地，全长约8.2 km.高架桥主桥标准段宽25.0 m,双向6车道.桥下地面设置辅道，与被交道路形成地面平交口.设计车速为80 km/h (地面快速路、高架道路主线)；桥梁设计年限为100年，净空不小于4.5 m，抗震设防烈度为7度，地震峰值加速度为0.1 g.

2 有限元建模

根据本工程实例的初步概况，结合相关参考实例分析，运用有限元分析软件MIDAS GTS/NX进行模拟分析，桥梁上部受力结构采用局部有限元分析，建立工字钢、剪力钉和桥面板3种结构组合模型，并进行组合结构的建模和工况分析.

2.1 参数设置与网格划分

工字型钢梁上翼缘焊接剪力钉，桥面板与工字型钢梁组合形成小组合梁，剪力钉平齐于底层混凝土桥面板，最后在底层混凝土板上现浇上层混凝土板，形成最后主梁结构，上层混凝土板与底层混凝土板通过锚固钢筋及剪力钉进行连接，形成多层组合梁结构.底层混凝土桥面板采用C50混凝土，按钢筋混凝土板结构设计.混凝土板中梁处宽2 290 mm,边梁处宽1 995 mm.板厚100 mm.剪力钉采用22 mm×240 mm，单片工字型钢梁顶板横向布置3根，横向间距为110 mm；纵向采用集束式布置，单个钉群纵向布置为5排，高240 mm的剪力钉与高95 mm的剪力钉纵向交错布置，焊钉剪力键纵向间距100 mm,每一束钉群中心线之间的纵向距离为1 000 mm.

建模结构参数如表1所列，局部结构整体网格如图1所示.

表1 结构参数

图1 局部结构整体网格

2.2 设置荷载条件与工况

图2 局部结构荷载

表2 模型工况

根据本项目设计和工程实例现场情况，设置基本边界条件，荷载方面除了本身的自重外，还要考虑到桥面板上的车辆移动荷载，将此荷载转为车与桥面板的摩阻力[7]，在建模中运用面荷载加载于桥面板一侧，从而实现荷载的导入，并与实际工况相同.结构荷载加载方式如图2所示，具体工况如表2所列.

3 模拟分析

3.1 剪力钉长度、直径参数的变形分析

为研究剪力钉自身长度对其剪应力的影响，在模拟中分别采用长度为100 mm、80 mm和60 mm的剪力钉，其他因素相同.通过图3-图5可知，长度为100 mm的剪力钉的受力特点整体表现为顶部所受剪应力最大，中部次之，尾部最小，从尾部到顶部呈现逐渐增大的趋势[8].长度为80 mm时，剪力钉的剪应力大小和范围发生了变化，最大剪应力出现在尾部，顶部和中部剪应力较小.当长度为60 mm时，剪力钉的剪应力出现两端大、中部小的特点，且剪应力整体数值相比于长度大的剪力钉的增大.从整体剪力钉的受力大小上看，随着剪力钉长度的增加，剪力钉整体所受的剪应力逐渐减小，且受力范围表现不一.对剪力钉直径进行了3种工况的模拟研究，建立剪力钉直径分别为16 mm、19 mm和22 mm的剪力钉，在混凝土强度等级、剪力钉长度相同时，随着剪力钉直径的增加，剪力钉抗剪承载力和抗剪刚度[9]都逐渐增加.在相同直径时，混凝土强度越大，剪力钉的抗剪承载力和抗剪刚度也越来越大.不同直径剪力钉的承载力、刚度变化如表3所列.

图3 剪力钉剪应力云图(长度100 mm)

图4 剪力钉剪应力云图(长度80 mm)

图5 剪力钉剪应力云图(长度60 mm)

表3 剪力钉承载力、刚度的变化对比

3.2 混凝土强度参数的变形分析

在相同长度、相同直径的情况下，通过改变剪力钉上部混凝土结构板的材料属性，采用不同强度等级混凝土，研究剪力钉所受剪应力的变化.模拟过程中将结构板的混凝土强度等级分别采用C40、C50和C60，其他条件不变，不同强度下的剪力钉剪应力云图如图6-图8所示.

根据图6-图8剪力钉剪应力云图可知，剪力钉的受力特点整体表现为顶部所受剪应力最大，中部次之，尾部最小，从尾部到顶部呈现逐渐增大的趋势.

由数值模拟结果可知，随着混凝土强度等级的增加，剪力钉所受的剪应力逐渐增加，受力范围也相应加大.

图6 剪力钉剪应力云图(C40混凝土)

图7 剪力钉剪应力云图(C50混凝土)

图8 剪力钉剪应力云图(C60混凝土)

4 结论

文章通过数值模拟方法对亳芜大道高架桥局部结构进行有限元分析，不同参数对桥梁剪力钉的受力变形影响不同，剪力钉的剪应力与其上部桥面板的混凝土强度等级呈正比关系，且剪力钉的抗剪承载力、抗剪刚度随着混凝土强度的增加而增大；剪力钉自身长度和直径对其剪应力、抗剪承载力和抗剪刚度的影响不同，剪力钉长度与其剪应力呈反比，剪力钉直径与其抗剪承载力、抗剪刚度呈正比.