常温和高温下不锈钢圆柱头栓钉抗剪性能研究

范圣刚，周 航，韩云龙，李 阳

(1. 东南大学土木工程学院，南京 210096；2. 东南大学建筑设计研究院有限公司，南京 210096；3. 华东都市建筑设计研究总院，上海 200002)

不锈钢材料具有优异的耐腐蚀性、较低的全生命周期维护成本、良好的表观性、较好的抗冲击性能和加工性能等优点[1]，使其在土木工程上的应用越来越广泛，且不断地向组合结构拓展．栓钉抗剪连接件作为组合梁中的关键部件，起到传递钢梁与混凝土板之间剪力，防止界面上发生水平滑移和竖向分离的作用[2]．与此同时，由于不锈钢和普通结构钢直接接触会发生电化学腐蚀，因此不锈钢-混凝土组合梁中栓钉常采用不锈钢材料．然而，近年来建筑火灾频繁发生，建筑结构安全性面临着前所未有的挑战．不锈钢-混凝土组合梁作为新型的组合构件，在早期的工程应用中其抗火性能值得关注．一旦发生火灾，不锈钢栓钉抗剪连接件的受力性能会大幅削弱，不锈钢-混凝土组合梁的承载力会迅速下降，从而导致结构强度降低甚至发生破坏．因此，本文将不锈钢栓钉抗剪连接件常温和高温下的受力性能作为研究重点．

目前，国内外已有现行规范(包括《欧洲规范》(EC1994-1-1)[3]、美国AISC规范[4]、加拿大规范[5]、中国《钢结构设计标准》(GB50017—2017)[6]和《组合结构设计规范》(JGJ138—2016)[7]等)给出了常温下普通结构钢圆柱头栓钉的抗剪承载力计算方法．然而针对不锈钢圆柱头栓钉抗剪承载力的计算，各国规范中均未涉及．同时，已有文献研究表明：对于不锈钢抗剪连接件在常温与高温下力学性能，国内外尚未展开系统的研究．国外学者Cashell和Baddoo[8]对常温下铁素体不锈钢栓钉进行了推出试验，获得了其抗剪承载力．国内东南大学李阳[9]通过推出试验，获得了不锈钢圆柱头栓钉在常温下的荷载-滑移曲线及其极限承载力，同时建立了精细化有限元模型．而高温下不锈钢圆柱头栓钉承载力试验尚未见相关文献报道．

为获取高温下国产奥氏体S30408不锈钢栓钉抗剪连接件的荷载-滑移曲线，本文首先对常温下不锈钢圆柱头栓钉进行推出试验与数值模拟分析，揭示其破坏形态，获取栓钉的常温下荷载滑移曲线以及常温承载力分析模型；在此基础上，建立高温下栓钉的温度场分析模型和抗火性能分析模型，并采用相继热力耦合分析方法，对其抗剪性能展开数值模拟分析．

1 常温下不锈钢栓钉抗剪性能研究

1.1 推出试验

目前获取圆柱头栓钉抗剪承载力的试验方法主要包括梁式试验和推出试验．已有研究内容[10-11]表明，相对于梁式试验，推出试验所获试验结果相对保守，且各国规范均采用推出试验为依据进行圆柱头栓钉的设计．因此，本文通过推出试验来获取不锈钢圆柱头栓钉的抗剪承载力．

1.1.1 试验试件

本次试验参照欧洲《组合结构规范》[12]中的标准推出试件相关要求，同时考虑偶然因素影响，制作4个相同试件，以获得平均试验结果，减小误差．4个试件编号为T1、T2、T3、T4，均由不锈钢钢梁、不锈钢栓钉、混凝土和钢筋组成，具体如表1和图1所示．其中栓钉具体尺寸如图2所示．

图2 圆柱头栓钉尺寸Fig.2 Size of the head studs

表1 T1～T4试件材料Tab.1 Material of specimens T1—T4

1.1.2 试验装置与加载机制

试验在东南大学土木试验大厅进行，加载装置采用500t压力试验机，所施加的荷载由YJ28静态应变仪和50t荷载传感器实时测量．试验装置如图3所示．试验前，为减小摩擦力，需要在压力试验机底板上均匀铺垫细沙．首先以1kN/s荷载速率预加载3次，每次预加载至0.3Pu(Pu为极限荷载)．正式加载阶段每级持荷3min，荷载增量为20kN；增至0.5Pu后，荷载增量减小为10kN；增至0.8Pu后，荷载增量变为5kN，持续加载至试件破坏．

图3 推出试验装置Fig.3 Equipment of the push-out tests

1.1.3 试验现象

试件T1～T4的试验现象基本一致，以试件T1为例，在加载初期，试件不锈钢梁与混凝土块体之间基本无滑移；随着荷载逐渐增大(0.3Pu以下)，两者之间的滑移增大，但增速缓慢，混凝土表面无明显裂纹出现．当增荷至0.3Pu时，有微小裂纹出现在混凝土块体上部，见图4(a)；当增荷至0.6Pu～0.7Pu时，不锈钢梁与混凝土之间的滑移加快，靠近栓钉处的混凝土有明显横向裂缝出现，并沿45°方向开展；与此同时，混凝土根部开始出现逐渐向上开展的裂纹，如图4(b)所示．当逐渐增荷至Pu时，滑移迅速增加，同时荷载急速下降，已难以捕获此时的荷载-滑移曲线；混凝土块体发出声响，裂纹贯通．持续加载至试件完全破坏，如图4(c)所示．4根试件最终均表现为混凝土压碎或劈裂破坏，破坏时预兆明显，判断为延性破坏.

图4 推出试件T1试验现象Fig.4 Phenomenon of the push-out specimen T1

1.1.4 试验结果与分析

通过常温下不锈钢圆柱头栓钉抗剪连接件推出试验，经过数据处理后，可获取4个试件(T1～T4)的荷载-滑移曲线，同时单个圆柱头栓钉的荷载值应为每个试件中4个栓钉的平均值(近似地假定4颗栓钉均匀受力)．图5展示了单个不锈钢圆柱头栓钉的荷载-滑移曲线，从图5中可以看出，栓钉的抗剪承载力试验值可用曲线的峰值荷载表示，如表2所示．

图5 试件T1～T4栓钉荷载-滑移曲线Fig.5 Load-slip curves of studs T1—T4

表2 试件T1～T4栓钉抗剪承载力Tab.2 Shear capacity of studs T1—T4

推出试验的结果表现为一定的离散性，根据ECCS(欧洲钢结构协会)建议的方法来确定栓钉的抗剪承载力标准值：当试件数量不低于3个，且其中任一试件承载力的偏差值不超过所有试件承载力平均值的10%时，判定该组试验结果有效，承载力标准值取试验中最低值．从表2可以看出，试件T2的抗剪承载力虽然较高，但偏差值不超过平均值的10%，而且4根试件的荷载-滑移曲线吻合较好，因此本次试验结果有效．取直径13mm不锈钢圆柱头栓钉的抗剪承载力标准值为63.98kN．

1.2 有限元数值模拟

利用ABAQUS有限元软件，对试验试件建立了常温下不锈钢圆柱头栓钉精确有限元分析模型，并对其受力性能开展了数值模拟分析；同时将有限元结果与试验结果进行对比分析，验证了有限元数值模拟的准确性．

考虑分析试件的几何对称性，为提高计算效率，取对半结构作为分析对象．在计算分析模型中，栓钉数量较少，且为了便于网格划分，并防止栓钉根部出现应力集中现象，栓钉采用实体单元模拟，并将栓钉和钢梁合并为一个部件．

1.2.1 材料力学性能模型

材料的本构模型是保证有限元模拟准确性的关键，本次分析模拟涉及不锈钢、混凝土和钢筋3种材料．其中各个材料的力学性能参数通过材性试验获取，具体如表3所示．材料本构模型分别采用：Rasmussen[13]推荐的常温下不锈钢材料应力-应变模型；《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[14]给出的混凝土单轴受压应力应变关系和钢筋理想弹塑性模型．

表3 材料力学性能参数Tab.3 Mechanical performance parameters of materials

1.2.2 接触设置与边界条件

采用接触分析方法，对模型中钢筋与混凝土、钢梁与混凝土、栓钉与混凝土之间接触设置如下：①利用“内置区域”命令将钢筋嵌入混凝土块体中，实现两者共同工作，如图6(a)所示；②混凝土和钢梁之间通过设置无摩擦的面-面接触来实现接触界面的模拟，见图6(b)；③为保证分析中栓钉受力前侧部分与混凝土块体的接触面之间不脱开，将两者的接触面进行绑定(tie)约束，同时为保证分析中栓钉受力后侧部分与混凝土块体的接触面可以自由脱开，把两者的接触面设置为无摩擦的面-面接触，具体见图6(c)．

图6 不锈钢栓钉抗剪性能分析模型相互作用设置Fig.6 Interaction setting of shear performance analysis model for stainless steel studs

为了保证有限元模型中圆柱头栓钉推出过程顺利进行，对混凝土块底部设置3个方向平动自由度约束．因为仅对圆柱头栓钉推出试验试件的1/2部分进行建模，故在模型的对称面上需设置正对称边界条件.

1.2.3 加载方式、单元类型与网格划分

采取位移加载方式对不锈钢圆柱头栓钉分析试件进行加载．将试件加载端区域耦合到参考点RP-1上，然后对参考点施加荷载，如图7所示．模型中，钢筋采用T3D2两结点线性三维桁架单元，混凝土块体、钢梁和圆柱头栓钉均采用C3D8R八节点线性六面体单元．分析模型的网格划分情况如图8所示．

图7 加载方式Fig.7 Loading method

图8 网格划分Fig.8 Mesh division

1.2.4 分析结果

通过有限元数值模拟分析，获取了4根试件T1～T4的荷载-滑移曲线和抗剪承载力，且与试验结果进行对比分析，如图9和表4所示．

由图9和表4可知：①在加载初期(滑移值0～1mm)，各试件的荷载-滑移曲线与试验结果整体上较为吻合，但对试件的初始刚度，试验结果要低于有限元结果；②不锈钢圆柱头栓钉抗剪承载力的有限元结果与试验结果基本一致，仅存在较小的误差．因此，本次常温下不锈钢圆柱头栓钉有限元分析模型可以较好地模拟栓钉的荷载-滑移曲线和抗剪承载力，后续分析可在此模型的基础上继续展开．

图9 常温下不锈钢圆柱头栓钉荷载-滑移曲线有限元结果与试验结果Fig.9 Finite element and experimental results of loadslip curves of stainless cylindrical steel head stud at room temperature

表4 不锈钢栓钉抗剪承载力Tab.4 Shear capacity of stainless steel studs

2 高温下不锈钢栓钉抗剪性能研究

对于高温下不锈钢圆柱头栓钉抗剪性能的有限元模拟研究，应采用相继热力耦合分析方法，计算过程中需要建立常温承载力分析模型、温度场分析模型和抗火性能分析模型．其中常温承载力分析模型已由前述分析得到．

由于高温下不锈钢栓钉抗剪承载力尚未见试验研究，本文首先基于标准ISO-834升温曲线，建立普通结构钢圆柱头栓钉温度场分析模型和抗火性能分析模型，并与Choi等[15]已进行的高温下普通结构钢圆柱头栓钉推出试验进行对比分析来验证建模方法的准确性；最后通过同样建模方法，修正模型中相关尺寸信息和材料参数，得到高温下不锈钢圆柱头栓钉温度场分析模型和抗火性能分析模型，并展开分析获取其荷载-滑移曲线．

为了便于对比分析，普通结构钢圆柱头栓钉分析模型中试件信息与文献[15]中保持一致，见表5．不锈钢圆柱头栓钉分析模型中试件信息与前述常温承载力分析模型保持一致．仍取半结构作为分析对象．

表5 普通结构钢分析试件的详细信息Tab.5 Detailed information regarding ordinary structure steel specimens

2.1 温度场分析模型

2.1.1 普通结构钢圆柱头栓钉温度场分析模型1) 分析模型

在温度场分析模型中需要设置材料的热膨胀系数、比热和导热系数．根据《欧洲规范》(ENV1993-1-2)[16]中相应的计算公式来确定普通结构钢和钢筋的热工性能系数，根据欧洲规范(ENV1994-1-2)[17]和《建筑钢结构防火技术规范》(GB51249—2017)[18]计算混凝土材料热工性能系数.

在进行传热分析前，根据《欧洲规范》(ENV1993-1-2)[16]中给出的建议对分析试件的受火面定义热对流系数和热辐射系数：试件受火面的热对流系数αc=25W/(m·℃)，混凝土的热辐射系数εm= 0.7~0.9，普通结构钢的热辐射系数εm=0.7，火焰辐射系数εf=1.0．此外，温度场分析模型中还应设置Stefan-Boltzann常数(3.402×10-6W/(m2·K4))和绝对零度(-273℃)．温度场分析通过瞬态传热分析步(heat transfer)进行求解，将每一增量步所允许的最大升温值设置为10℃以保证求解精度．

温度场分析模型建立时，相互接触的部件之间也存在热传导作用．在传热分析时，需要在钢梁翼缘与混凝土块体表面、圆柱头栓钉表面与混凝土块体以及钢筋与混凝土块体之间分别设置绑定(tie)约束，以实现温度的传导．

单元选择时，钢筋采用DC1D2两结点传热连接单元，混凝土块体、钢梁和圆柱头栓钉均采用DC3D8八节点线性传热六面体单元．

2) 分析结果

通过对普通结构钢圆柱头栓钉的温度场分析模型进行模拟分析，获取了栓钉各部位的温度-时间曲线，并将其与文献[15]中的试验结果进行对比，如图10所示．其中，A测点为钢梁上翼缘，B、C、D测点分别为距栓钉根部10mm、30mm、50mm处．

图10 栓钉各部位温度-时间曲线有限元结果与试验结果Fig.10 Finite element and experimental results of temperature-time curves of each part of the stud

由图10可知：①对普通结构钢圆柱头栓钉，不同部位的温度-时间曲线相差较大；②在同一升温时间，靠近钢梁翼缘的栓钉根部(10mm)处温度最高，远离钢梁翼缘位置处圆柱头栓钉温度显著下降；③距离栓钉根部0mm、10mm、30mm、50mm处的栓钉部位，其温度-时间曲线与试验结果整体趋势基本吻合．由此可知，此温度场分析模型可以较为准确地模拟高温下普通结构钢圆柱头栓钉温度场分布，后续分析可继续采用此建模方法．

2.1.2 不锈钢圆柱头栓钉温度场分析模型

不锈钢的热工性能参数和不锈钢梁受火面的热对流系数和热辐射系数，均采用《欧洲规范》(ENV1993-1-2)[16]中给出的建议取值．其中受火面的热对流系数cα=25W/(m·℃)，不锈钢的热辐射系数εm=0.4．

参考上述已验证的普通结构钢圆柱头栓钉温度场分析模型的建模方法，通过修正尺寸信息和材料的热工性能参数，建立不锈钢圆柱头栓钉分析试件的温度场分析模型；并基于标准ISO-834升温曲线，对不锈钢圆柱头栓钉温度场开展有限元模拟分析，得到高温下不锈钢圆柱头栓钉各部位温度-时间曲线和温度场分布，如图11所示．

图11 不锈钢圆柱头栓钉分析试件温度场分布(单位：℃)Fig.11 Temperature field distribution of stainless steel head stud(unit：℃)

由图11可知：在标准ISO-834升温曲线下，不锈钢圆柱头栓钉不同部位的温度-时间曲线相差较大；同一升温时间，靠近不锈钢梁翼缘的栓钉根部(10mm)处温度最高，远离不锈钢梁翼缘位置处栓钉温度显著下降．根据陈玲珠等[19]的研究成果可知：高温下普通结构钢圆柱头栓钉的塑性变形主要集中在栓钉根部，根部的材料性能决定了栓钉的承载性能，因此取栓钉根部处温度为栓钉温度．而高温下不锈钢圆柱头栓钉与普通结构钢圆柱头栓钉的升温规律基本一致，故本文参考陈玲珠等[19]提出的方法，取距离栓钉根部10mm处的温度为栓钉温度．

2.2 抗火性能分析模型

2.2.1 普通结构钢圆柱头栓钉抗火性能分析模型

普通结构钢圆柱头栓钉抗火性能分析模型的建立方法与前述常温下不锈钢圆柱头栓钉抗剪性能分析模型一致．模型建立后，导入温度场分析模型的计算结果，并展开有限元模拟分析，获取当圆柱头栓钉温度达到400℃时的荷载-滑移曲线，并与Choi等[15]的试验结果进行对比，如图12所示．

图12 栓钉荷载-滑移曲线有限元结果与试验结果对比Fig.12 Comparison between finite element and experimental results of load-slip curves of the stud

由图12可知：①普通结构钢圆柱头栓钉荷载-滑移曲线有限元结果与试验结果虽存有一定误差，但总体趋势吻合较好；②本节的抗火性能分析模型可较好地模拟普通结构钢圆柱头栓钉在高温下的抗剪性能，因此，此建模方法可用于后续分析．

2.2.2 不锈钢圆柱头栓钉抗火性能分析模型

参照上述已验证的普通结构钢圆柱头栓钉抗火性能分析模型的建模方法，通过修正试件尺寸信息和高温下材料力学性能参数，获得不锈钢圆柱头栓钉的抗火性能分析模型．其中不同温度下不锈钢材料应力-应变曲线由高温稳态试验[9]获得，如图13所示．曲线仅为材料的名义应力σnorm和名义应变εnorm，需要转换为真实应力σtrue和真实应变εtrue输入到有限元模型中，具体转换关系表达式详见式(1)和(2)．

图13 高温下不锈钢应力-应变曲线Fig.13 Stress-strain curves of stainless steel at high temperatures

根据前述不锈钢圆柱头栓钉温度场分析模型，在时间达到90min时，ISO-834升温曲线最高温度达到900～1000℃，而此时栓钉温度在700℃左右．因此，考察不锈钢圆柱头栓钉温度分别达到20℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃时的抗剪性能，获取不同温度下不锈钢圆柱头栓钉抗剪性能的荷载-滑移曲线，如图14所示．

图14 不同温度下不锈钢圆柱头栓钉荷载-滑移曲线Fig.14 Load-slip curves of the head stud at various temperatures

由图14可知：①在火灾作用下，随着不锈钢圆柱头栓钉代表温度的增加，高温下不锈钢圆柱头栓钉荷载-滑移曲线峰值出现明显下降，曲线逐渐平缓且峰值荷载对应的滑移值变大；②当不锈钢圆柱头栓钉的代表温度超过600℃，钢材软化，导致刚度下降，较小的荷载便会产生较大的滑移，此时不锈钢圆柱头栓钉荷载-滑移曲线峰值荷载已难以捕获；观察此时不锈钢圆柱头栓钉的变形状态(见图15)可知，栓钉根部塑性应变已经非常显著，可认为栓钉已被剪断.

图15 不同温度下不锈钢圆柱头栓钉应力和变形形态对比Fig.15 Comparison of stress anddeformation forms of the stainless steel head stud at various temperatures

3 结 论

为了获取高温下不锈钢圆柱头栓钉抗剪性能的荷载-滑移曲线，本文基于常温下不锈钢圆柱头栓钉推出试验和已有文献中高温下普通结构钢圆柱头栓钉推出试验，利用ABAQUS有限元分析软件，采取相继热力耦合分析方法，建立了不锈钢圆柱头栓钉抗剪性能的分析模型(包括常温承载力分析模型、温度场分析模型和抗火性能分析模型)．通过分析验证，得到以下结论．

(1) 通过对4个相同不锈钢栓钉试件进行常温下推出试验，得到了其荷载-滑移曲线，分析推出直径13mm不锈钢圆柱头栓钉的抗剪承载力标准值．

(2) 建立了常温下不锈钢圆柱头栓钉抗剪性能分析模型，并与试验结果进行对比分析，验证了模型的准确性．

(3) 建立了高温下普通结构钢圆柱头栓钉的温度场分析模型和抗火性能分析模型，并与已有文献的试验结果进行对比，验证了建模方法的准确性．

(4) 根据相同建模方法，通过修改试件尺寸信息和相关材料参数，获取了高温下不锈钢圆柱头栓钉的温度场分析模型和抗火性能分析模型，并获取了栓钉高温下的荷载-滑移曲线，为不锈钢-混凝土组合梁抗火性能分析模型提供重要数据支撑．