带约束构造的新型栓钉剪力连接件的受力分析

2022-02-25谢祖巍戚菁菁吴记东

四川水泥 2022年2期

谢祖巍戚菁菁吴记东

（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411021）

0 引言

钢-混组合结构是通过剪力连接件将砼板和钢梁连接成一个整体共同受力工作的结构形式，能充分发挥砼板受压和钢梁受拉的优势。剪力连接件是钢-混凝土组合结构中不可或缺的部件，能约束钢-混凝土界面的滑移，决定了钢-混组合结构的整体性能。

张勇[1]提出一种新型装配式螺栓连接件，该螺栓连接件较传统螺栓施工更方便快捷，具有良好的剪切刚度。陈海[2]提出一种带横向栓钉的新型组合PBL剪力键，该剪力键具有良好的抗剪性能，其承载力近似等于对应普通PBL剪力键和栓钉剪力键的抗剪承载力之和。这些新型剪力连接件较传统连接件都能一定程度地提高其抗剪性能。

谢锦文[3]在研究钢-混组合结构桥面系大直径栓钉剪力连接件力学性能时，采用有限元软件ABAQUS来模拟推出试验，通过精细化的建模来模拟试验，有限元分析结果与栓钉推出试验测试结果对比，吻合良好。这种方法虽然模拟较准确，但建模复杂计算时间长。本课题组提出了一类带约束构造的新型栓钉剪力连接件，在其推出试验的基础上[4]，本论文提出一种简化的有限元分析模型以及有限元分析方法，并选用有限元分析软件Midas/Gen对推出试验进行数值分析。

1 有限元分析

1.1 推出试件的数值仿真模型假定

通过理论分析发现栓钉扩大头一般处于混凝土翼缘板形心轴受压区范围内，本文提出的“带约束构造的新型栓钉剪力连接件数值模型”主要将带约束构造的新型栓钉剪力连接件离散为纯钢制栓钉的圆截面短梁，数值模型假定如下：

（1）混凝土翼缘板采用板壳单元模拟，将内部钢筋离散在混凝土中，类似于材料非线性的钢筋混凝土本构。

（2）钢梁采用板壳单元模拟，考虑钢梁材料的非线性本构。

（3）混凝土板单元和钢梁上翼缘板单元接触面允许横向和纵向的相互错动，但不允许有上下的分离趋势。

（4）带约束构造的新型栓钉剪力连接件按本文中提出的等效梁单元模拟，类似纯钢栓钉的圆截面短梁，其力学性能以及刚度退化规律更加接近钢结构，因此将其简化为钢材的材料非线性本构。

1.2 数值模型本构关系

模型中混凝土选用的是Midas软件自带的随动硬化模型，本文中所采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）所建议混凝土的应力应变关系。为了简化计算，将钢梁假定为理想弹塑性材料，忽略钢材达到弹性极限强化时的应力强化(见图1～图3)。

图1 混凝土本构关系

图2 钢梁本构关系

图3 栓钉的荷载-滑移本构关系

1.3 单元类型及网格划分

推出模型的有限元网格划分如下所示，由于本文属于静力问题分析，因此选用Midas/Gen有限元软件模块来进行数值仿真分析。对推出模型施加边界条件，约束两侧混凝土翼缘板底部的6个自由度（Dx=Dy=Dz=0，Rx=Ry=Rz=0），工况则采用对顶部钢板施加强制滑移的方式，分析控制数据采用材料非线性，收敛条件为滑移控制，程序运算采用Newton-Raphson法。

2 参数分析

为探究不同参数对带约束构造的新型剪力连接件推出试件的力学性能影响，基于现有的相关理论以及混凝土和栓钉剪力连接件的受力特征，分析数值模型的破坏机理。分别研究了板厚、栓钉直径、混凝土强度对数值模拟结果的影响。

2.1 混凝土板厚对连接件剪切性能的影响

以板厚为影响因素的数值模型其参数如表1所示。

表1 构件参数表（板厚为影响因素）

在相同的强制滑移的条件下，对SA-1、SA-2、SA-3、SA-4这四组推出模型进行对比分析，得出4组数值模型的荷载-滑移曲线，以及选用《钢-混凝土组合桥梁设计规范》（GB 50917-2013）[5]中建议的栓钉荷载-滑移计算模型，得到4组传统栓钉剪力连接件的荷载-滑移曲线（如图4所示），并按照《钢结构设计规范》（GB50017-2017）计算，得出栓钉的极限抗剪承载力，以及单钉极限承载力如表2所示：

图4 不同板厚下的荷载-滑移曲线

表2 构件极限承载力

通过图4、表2中给出的数值分析数据，可以得到以下结论：

从数值模型的荷载-滑移曲线来看，随着板厚的增加，数值模型的极限抗剪承载力也在增大。板厚越厚，数值模型的初始剪切刚度越大。以栓钉极限承载力的1.6倍作为界定数值模型剪断和压溃的界限值，可以确定SA-3模型、SA-4模型为栓钉剪断破坏。在达到栓钉承载力极限值之后，继续增加板厚对提高数值模型的承载力极限值影响不大。