SFRC栓钉-橡胶连接件力学性能非线性有限元分析

2022-03-09刘世忠王佳伟吴奇洋郜晋生白旭阳吴旷旷

铁道勘察 2022年1期

王哲刘世忠王佳伟吴奇洋郜晋生白旭阳吴旷旷

(1.太原科技大学交通与物流学院，太原 030024； 2.山西路桥建设集团有限公司，太原 030006)

栓钉连接件作为钢-混组合结构中的主要连接件，其抗剪性能不具方向性，具有施工质量易于保证、经济效益突出等优点，被大量应用于钢-混组合结构桥梁中[1-3]。在钢纤维混凝土(SFRC)中，利用乱向分布的钢纤维能显著提高混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，且具有良好的延性[4-5]，是承受高速重载车辆荷载的现代大跨径桥梁结构中重要建筑材料。然而，在实际工程应用中，栓钉与钢纤维接触位置处因早期刚度过大，易出现局部混凝土压碎、开裂破坏等病害。因此，在保证组合结构抗剪承载力前提下，如何有效降低焊钉连接件抗剪刚度成为钢-混组合结构桥梁领域研究的热点。

目前，国内外学者及工程技术人员对栓钉连接件在不同条件下的力学性能开展大量研究。OEHLERS等根据42组推出试验结果，提出了0.5Vmax割线模量法，并得到焊钉抗剪刚度计算式[6]；蔺钊飞等分析焊钉在混凝土中的变形特点与受力机理，并基于“弹性地基梁理论”模型提出了焊钉连接件抗剪刚度计算公式[7]；徐骁青等找出了组合连接件抗剪刚度的影响因素，并采用有限元模型对试验进行数值模拟，提出了焊钉-橡胶连接件抗剪刚度计算式[8-9]；赵根田等通过试验，采用ABAQUS研究群钉抗剪连接件的破坏模式、刚度退化、损伤累积、抗剪承载力及能量耗散等各项性能[10]；贾艳东等发现，采用钢纤维混凝土(SFRC)代替普通混凝土时，栓钉连接件抗剪承载力及其对应的滑移值均有明显提高[11]；李慧等研究冻融循环作用对栓钉连接件受剪性能的影响[12]；刘世明等依据18组54个模型推出试验结果，探明了混凝土强度、焊钉直径、钢纤维体积掺量、橡胶套筒高度及厚度、加载模式等对SFRC 焊钉-橡胶连接件抗剪承载力的影响规律[13]。截至目前，针对SFRC栓钉-橡胶连接件力学性能研究较少，故开展SFRC栓钉-橡胶连接件非线性有限元计算很有必要。

采用ABAQUS有限元软件对推出试验进行全过程数值模拟，考虑材料非线性、几何非线性与状态非线性(接触)的影响，对比分析了不同橡胶套高度下SFRC栓钉-橡胶连接件与SFRC普通栓钉连接件的抗剪承载力、抗剪刚度等力学性能的差异，为SFRC栓钉-橡胶连接件实际工程应用提供参考。

1 SFRC栓钉-橡胶连接件简介

为对比分析橡胶套对SFRC栓钉-橡胶连接件与SFRC普通栓钉连接件力学性能的影响，选用试件编号为S4与S13的两类试件[13]，分别建立其有限元模型并进行数值计算。S4与S13试件几何尺寸如图1所示，试件参数见表1。

图1 试件几何尺寸(单位：mm)

表1 试件参数

2 有限元模型

采用有限元软件ABAQUS分别建立S4(SFRC栓钉-橡胶连接件)与S13(SFRC普通栓钉连接件)三维模型，采用Standard求解器计对其进行求解。为减小计算量，考虑推出试验模型几何外形、荷载及边界条件的对称性，建立1/4尺寸的有限元模型。

2.1 单元类型及网格划分

有限元模型中，钢纤维混凝土、翼缘板与栓钉均采用三维八节点六面体线性减缩积分单元C3D8R，橡胶套采用三维八节点六面体杂交单元C3D8H，钢筋笼采用两节点桁架单元T3D2。为保证计算精度及计算效率，栓钉根部及周围混凝土采用2～5 mm小尺寸网格，其余部分采用20 mm大尺寸网格。SFRC栓钉-橡胶连接件有限元模型共计13 943个节点，11 121个单元，组合连接件有限元模型如图2所示。

图2 1/4有限元模型

2.2 本构模型

钢纤维混凝土本构模型中，采用三折线模型[14]，利用ABAQUS材料模型库中损伤塑性模型(Damaged Plasticity Model)进行模拟，混凝土损伤塑性模型参数见表2，其黏度系数会在一定程度上影响计算结果，经试算，黏度系数采用0.005。

表2 损伤塑性模型参数

钢板、栓钉与钢筋均采用理想弹塑性模型(双折线模型)，即在小范围内变形时各向同性，且服从Mises屈服准则，其相关材料属性见表3。

表3 钢的材性参数

橡胶具有良好的变形性能，采用ABAQUS材料模型库中超弹性材料模拟，选取Neo-Hookean model模型描述橡胶材料特性，参数C10和D1分别取25.87 MPa和1.58×10-5MPa[15]。

2.3 相互作用及边界条件

推出试验时，不考虑翼缘板与混凝土之间的粘结性能(试验时在翼缘板侧边涂抹润滑剂)，故两者之间切向可设置为无摩擦接触，法向为硬接触；栓钉与钢纤维混凝土之间存在摩擦，两者之间切向设为罚摩擦接触，摩擦系数取为0.6，法向设为硬接触以保证力的传递。钢筋采用ABAQUS相互作用模块的“embedded region”功能嵌入钢纤维混凝土内部。

为方便荷载施加与结果提取，在试件顶面及底面分别建立参考点RP1与RP2，RP1与试件顶面、RP2与试件底面分别建立耦合约束。采用完全固定约束RP2所有自由度，加载方式采用位移加载，将位移施加于参考点RP1上。

3 有限元结果分析

有限元模型计算荷载-位移曲线与文献[13]推出试验结果对比如图3所示。在弹性阶段，两者荷载-位移曲线基本重合；进入塑性阶段后，由于混凝土与栓钉出现塑性变形，栓钉受力逐渐趋于复杂化，此阶段有限元计算值与试验值存在一定偏差，且随着荷载的增大，偏差值也逐渐增大；试件达到破坏时，两类试件有限元计算极限承载力值均低于试验结果，但相差较小，误差在可接受范围内。由于超弹性材料橡胶网格变形过大，SFRC栓钉-橡胶连接件易较早出现计算不收敛，荷载-位移曲线下降段较难出现。两类试件有限元计算荷载-位移曲线与试验曲线均较为吻合。因此，采用ABAQUS有限元软件能较好地模拟SFRC栓钉-橡胶连接件推出试验，可为进一步开展SFRC栓钉-橡胶连接件传力机理研究提供方法。