新型超短栓钉连接件试验及有限元分析研究

章世祥，李 萌，邵旭东，曹君辉，陆永泉，郑清刚，张建强

(1.中设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210005； 2.广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010； 3.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082; 4.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056)

0 引言

为解决正交异性钢桥面板易出现的疲劳开裂和铺装层破损难题，邵旭东[1]提出了钢-UHPC轻型组合桥面结构，为了保证该结构适用于对自重或厚度敏感的桥梁，进行了结构优化，研发了自重更轻的钢-超薄UHPC轻型组合桥面结构(简称：超薄体系)[2]。

轻型组合桥面结构中，为保证钢板与UHPC层形成整体，共同受力，需要可靠的连接件将二者紧密连接在一起。但在超薄体系中，超薄UHPC层的厚度仅有35 mm，常用的连接件，如常规栓钉(最小高度为35 mm)，PBL键等[3-4]，显然无法满足其构造要求。为此，邵旭东、张瀚文等[5-6]提出了焊接钢筋网和焊接短钢筋两种新型连接件，并对其抗剪性能进行了研究。与两种新型连接件相比，栓钉的焊接工艺更加简便，焊接质量更加可靠，并且随着栓钉生产工艺的不断提升，更小尺寸栓钉的制造成为了可能。在此基础上，本文提出采用超短栓钉作为超薄体系的连接件。与常规栓钉相比，新型连接件的焊后高度仅为24 mm，满足超薄UHPC层(35 mm)的构造要求，但超短栓钉的长径比仅有1.8左右，小于常规栓钉(h/d≥4)，因此有必要对该种超短栓钉的力学性能进行深入研究。本文通过静力推出试验和有限元分析，对所提出的超短栓钉的抗剪性能进行探究，并采用有限元对其进行参数分析，研究了栓钉直径、UHPC强度等参数对其抗剪性能的影响。

1 试验概况

1.1 试件设计

参考欧洲规范[7]，本试验的推出试件尺寸如图 1所示。试件由加载顶板、钢腹板和钢面板组成，单侧布置4个栓钉，横、纵向间距150 mm×200 mm。UHPC板厚为35 mm，内部横纵向分别布置间距50 mm×46.7 mm的10钢筋，本文制作了两个完全相同的试件，以消除试验误差，分别记为DT-1和DT-2。

1.2 材料力学性能

浇筑推出试件时，按照《活性粉末混凝土》规范[8]的相关规定在同等条件下制作了标准的UHPC试块,对UHPC材料的力学性能进行测试。超短栓钉力学性能参考出厂报告,其他材料(钢筋、工字钢等)的基本性能按照规范进行取值，各材料参数见表1。推出试件几何尺寸见图1。

表1 材料基本性能Table 1 Parameters of materials类别材料屈服/抗压强度/MPa弹性模量/GPaUHPC板UHPC17049超短栓钉ML15400206钢筋HRB400400206工字钢Q345345206

图1 推出试件几何尺寸(单位：mm)

1.3 试验加载和测试方案

试验选用150 t油压千斤顶施加荷载，压力值则采用150 t压力传感器进行测量，每个栓钉位置布置千分表读取UHPC板和钢面板的相对滑移，并随时关注界面情况。现场装加载置如图 2所示。

图2 现场加载照片

试验以每级25 kN预加载至100 kN消除偏心，然后卸载；正式加载时先每级30 kN单调加载至破坏荷载附近，然后减速加载，每级25 kN加至试件破坏。推出试件破坏模式见图3。

图3 推出试件破坏模式

1.4 试验结果

观察破坏后的试件发现，DT-1试件单侧4个超短栓钉、DT-2试件两侧8个超短栓钉同时发生断裂，并且破坏模式均为超短栓钉钉杆剪断，而UHPC局部在栓钉根部形成压碎区域，其余部分均无任何损伤，受损范围有限，如图 3所示。DT-1和DT-2的破坏荷载分别为590 kN和730 kN，单个超短栓钉的平均抗剪承载力为82.5 kN。

试验中还发现，同一侧布置的4个测点的滑移值基本一致，因此先对同侧滑移取平均，之后再对两侧滑移取平均值，绘制出荷载-滑移曲线，如图 4所示。由图可知，两个试件的荷载-滑移曲线形状可大致分为3个阶段：线性段Ⅰ、局部损伤段Ⅱ和破坏段Ⅲ。在加载初期，曲线呈线性发展，呈现出明显的弹性性质；增加荷载，曲线逐步成为曲线，表明栓钉局部损伤；进入阶段Ⅲ后，荷载几乎不增加，但滑移增长迅速，试件迅速破坏，呈明显脆性破坏。

图4 荷载-滑移曲线

2 有限元模型建立和验证

本节使用ABAQUS软件进行有限元分析，对影响超短栓钉抗剪性能的关键因素如栓钉直径、UHPC强度进行深入研究。

2.1 模型建立

有限元模型按实际试件尺寸建立了1/4模型，边界采用对称约束，工字钢、超短栓钉、焊缝和UHPC板采用实体单元(C3D8R单元)模拟；钢筋网采用杆单元(T3D2单元)模拟，并与UHPC板节点嵌入固结。如图 5所示。

图5 有限元模型

为了保证计算结果精确可信，模型整体网格尺寸控制在4 mm以内，超短栓钉、焊缝等细化为2 mm。

UHPC本构选用ABAQUS中的塑性损伤模型(Concrete Damaged Plasticity，CDP)进行模拟，文献[9]和文献[10]分别给出了UHPC的受压受拉本构关系，如图 6和图 7所示。钢板、栓钉和钢筋则采用文献[11]所建议的三折线模型，如图 8所示。

图6 UHPC受压应力-应变曲线

图7 UHPC受压应力-应变曲线

图8 钢材受压应力-应变曲线

2.2 有限元模型验证

有限元模型的栓钉破坏模式如图9所示。超短栓钉的破坏模式为钉杆剪断，而焊缝几乎未变形，这与前文的试验现象完全一致。

图9 超短栓钉断裂状态损伤云图

试验曲线与有限元模型提取的荷载-滑移曲线与进行对比，如图10所示。由图可知，在初期阶段，理论滑移曲线与实测曲线几乎重合，当荷载接近极限承载力时，理论曲线略低于实测曲线，抗剪承载力计算值为76.88 kN，仅与试验值相差6.8%，较为接近。

图10 荷载-滑移曲线计算值与实测值

整体上来说，本文建立的有限元模型很好地模拟了推出试件受力的全过程，可以较好地模拟超薄UHPC层中超短栓钉的抗剪受力性能，具有较高的计算精度，表明有限元模型合理，可用于有限元参数分析。

3 参数分析

为了进一步研究UHPC中超短栓钉抗剪性能的影响规律，采用前文的建模方法进行参数分析，主要影响参数有：超短栓钉直径、UHPC强度。

3.1 超短栓钉直径

从应用的普遍性考虑，本文选取了3种直径的超短栓钉进行参数分析。对于超短栓钉的尺寸参数，参考《电弧螺柱焊用圆柱头栓钉》(GB/T 10433—2002)[12]的规定。此外，本节建立的模型，除超短栓钉尺寸之外，其余参数均与前文的基本有限元模型保持一致。

图 11为不同直径超短栓钉的荷载-滑移曲线图。由图可知：不同直径超短栓钉的荷载-滑移曲线具有相似的形状特征，栓钉直径的增大会明显提高栓钉抗剪承载力，当栓钉直径由10 mm增大到16 mm时，抗剪承载力提高了104%，提升幅度十分明显。

图11 不同直径超短栓钉的荷载-滑移曲线

3.2 UHPC强度

以直径为13 mm的超短栓钉为例，考虑3种UHPC强度取值：140、160、180 MPa，并且对模型中的UHPC本构关系结合强度等级进行更新，其余参数均与前文的基本有限元模型保持一致。

图12为不同UHPC强度等级下的荷载-滑移曲线。由图可知，不同强度等级UHPC的荷载-滑移曲线形状基本相同，提高UHPC强度，超短栓钉的屈服荷载与抗剪承载力略有提高，当UHPC强度由140 MPa增大到180 MPa时，抗剪承载力提高了13%，表明提高UHPC强度等级可以提高超短栓钉的抗剪能力。

图12 不同UHPC强度等级的荷载-滑移曲线

4 结论

本文通过静力推出试验与ABAQUS有限元模型，对UHPC中超短栓钉的抗剪性能进行了研究，并开展了有限元参数分析，主要得到以下结论：

a.推出试验的破坏模式为超短栓钉钉杆剪断，而UHPC仅在栓钉根部形成局部压碎区域，其余部分均无任何损伤，受损范围有限。

b.不同超短栓钉直径、不同UHPC强度等级试件的荷载-滑移曲线形状相似，可以分为3个阶段：线性段Ⅰ、局部损伤阶段Ⅱ和破坏阶段Ⅲ。

c.超短栓钉的直径对抗剪承载力的影响显著，栓钉直径由10 mm增大到16 mm时，抗剪承载力提高了104%。

d.超短栓钉的抗剪能力随UHPC强度等级提高略有提高，当UHPC强度由140 MPa增大到180 MPa时，抗剪承载力提高了13%，实际工程中也应确保UHPC的强度。