抗拔栓钉剪力连接件配筋方案研究

2023-08-18王奕博吕伟荣徐伟

四川水泥 2023年8期

王奕博吕伟荣徐伟

（湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭 411105）

0 引言

在土木工程领域，栓钉剪力连接件因其充分利用了混凝土和栓钉的性能，表现出抗剪承载力大、经济实用等优点，被大量应用在钢-混凝土组合结构中[1]。在风力机领域，基础环作为预埋在基础混凝土内部的钢制部分，是连接基础和钢塔的过渡构件，承受并传递风荷载作用下的巨大弯矩[2]。对于基础环式风力机基础，常采用在预埋基础环上焊接栓钉的形式。焊接栓钉的基础环有着良好的抗剪抗弯能力，使基础环和混凝土发挥出更好的协同工作能力，如今被越来越多地应用在风力机新建和加固项目中[3]。本文将通过理论分析，并在建立有限元分析模型的基础上，提出抗拔栓钉剪力连接件的配筋方案，以供工程进行参考。

1 栓钉剪力连接件的试验研究现状

栓钉基础环局部受力情况与栓钉剪力连接件类似。对于栓钉剪力连接件，国内外已经开展了较多的试验研究，得出了大量的理论和试验结论。Ollgaard等[4]对栓钉连接件的推出试验结果进行了总结，发现栓钉的抗剪强度主要受混凝土的强度和弹性模量的影响，并提出了栓钉连接件的抗剪承载力计算式和荷载-滑移曲线的指数型模型。聂建国等[5]基于大量栓钉剪力连接件的试验结果，提出了放宽对栓钉连接件承载力公式限制条件的建议。Shim、Xue、汪洋等人发现栓钉的抗剪性能主要受栓钉直径、高度、抗拉强度及混凝土强度参数的影响[6-8]。丁发兴等[9]对栓钉剪力连接件的推出试验和有限元结果进行对比，两者符合较好。

从以上可知，目前关于栓钉连接件的试验主要是栓钉剪力连接件的推出试验，关于抗拉栓钉剪力连接件的拔出试验的研究较少。因混凝土的抗拉性能远弱于其抗压性能，抗拔栓钉剪力连接件易发生混凝土拉裂的破坏形态（见图1所示），从而降低抗拔栓钉剪力连接件的承载力。为提高栓钉剪力连接件的抗拔性能，需要在混凝土中合理布置足量的纵筋，而对于抗拔栓钉剪力连接件的钢筋配置一直未形成明确的规范。为探究抗拔栓钉剪力连接件的合理钢筋配置，需进行有限元的建模分析和试验验证。

图1 抗拔栓钉剪力连接件混凝土截面拉裂

2 抗拔栓钉剪力连接件的钢筋布置研究

2.1 抗拔栓钉剪力连接件配筋面积计算公式

在欧洲规范[10]中，栓钉剪力连接件试验为推出试验，由于混凝土有着良好的抗压能力，规范中的剪力连接件试件采用构造配筋。对于栓钉剪力连接件的拉拔试验，由于混凝土的抗拉性能较差，极易被拉坏，故构造配筋无法满足抗拔栓钉剪力连接件的设计要求。

对于抗拔栓钉剪力连接件，混凝土受到来自栓钉的上拔力，其受力模式类似于轴心受拉。于是将抗拔栓钉剪力连接件视作正截面轴心受拉构件，以栓钉为中心规定核心区，要求由核心区内的钢筋承受来自剪力连接件的纵向拉力，故核心区内的钢筋承载力需大于剪力连接件的破坏荷载，从而避免剪力连接件发生混凝土横截面的受拉破坏。以抗拔栓钉剪力连接件为例（见图2、图3所示），因破坏始于栓钉附近的混凝土，在栓钉附近布置了16根主要受力纵筋，将16根钢筋所围区域定为核心区，核心区外规定为构造区，在后续的有限元分析工作中将通过对钢筋应力的分析证实其有效性。

图2 抗拔栓钉剪力连接件俯视图

图3 抗拔栓钉剪力连接件侧视图

在《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[11]中，对于轴心受拉构件的正截面受拉承载力公式为：

由欧洲规范[10]计算的栓钉承载力为：

将（2）带入（1）得出核心区内纵向钢筋配筋面积公式为：

式中：

As1——核心区内纵向钢筋配筋面积；

N1——钢筋总承载力；

fy1——钢筋抗拉强度标准值；

N2——栓钉总承载力；

n——栓钉个数；

As2——栓钉的横截面积；

fy2——栓钉的抗拉强度标准值。

2.2 抗拔栓钉剪力连接件设计

为探究钢筋布置对抗拔栓钉剪力连接件破坏形态的影响，设计如下抗拔栓钉剪力连接件试件。混凝土强度等级取为C40，栓钉直径为13mm，栓钉间距为5.38d（70mm），栓钉长度为50mm，钢板厚度为16mm，钢筋选用HRB400。

将图4标注区域规定为核心区，对试件的配筋进行计算。由公式（3）计算得核心区内的配筋面积As1需大于764.15mm2。综合考虑群钉的间距和安装钢筋的操作性，在核心区内对称布置了共16根纵筋，选用8mm直径的钢筋。该配筋方案的配筋面积之和为803.84mm2，大于计算核心区配筋面积，符合设计要求。核心区外布筋方式如图5所示，纵筋和箍筋选用8mm直径，布置构造配筋的同时，在每根栓钉下布置一圈箍筋，达到约束纵筋的作用。

图4 试件俯视图

图5 试件正立面图

2.3 设计配筋方案

为验证该配筋方案的有效性并探究不同配筋方案对剪力连接件拉拔试验的影响，制定了以下超筋、适筋、少筋和无筋的配筋方案（见表1所示），分别进行有限元建模。以抗拔栓钉剪力连接件试件设计的配筋方案作为适筋方案，计算配筋率定为100%，以此制定少筋、超筋和无筋的配筋方案。对于不同的配筋方案，为保证单一变量，只改变了核心区内纵筋配筋面积，核心区外的钢筋均不会改变。

表1 配筋方案设计

3 拔出试验有限元模拟及验证

3.1 有限元模型概况

通过abaqus有限元模拟软件对抗拔栓钉剪力连接件进行1∶1建模，有限元模型如图6、图7所示。该模型主要由混凝土、钢板、栓钉、钢筋笼四部分组成。其中，钢板、栓钉、混凝土的材料都采用三维八节点减缩实体单元（C3D8R）进行模拟，钢筋笼采用三维二节点桁架单元（T3D2）进行模拟。全局种子尺寸为20mm，栓钉根部采用5mm的尺寸。钢板和混凝土的接触界面采用法向“硬”接触，切向罚函数（摩擦系数为0.4），小滑移公式来模拟。栓钉和混凝土的接触界面和钢板混凝土类似，滑移公式为有限滑移。栓钉与钢板间采用绑定约束，混凝土的两端部的顶面上设置固端约束。加载方式为向钢板的顶面施加竖直向上的位移，大小为10mm。

图6 抗拔栓钉剪力连接件模型

图7 抗拔栓钉剪力连接件模型内部配筋

3.2 模型本构

混凝土的本构采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）[10]建议的本构关系，选取C40的混凝土参数，轴心抗压强度标准值fck=26.8MPa，轴心抗拉强度标准值ftk=2.39MPa，泊松比为μc=0.2，弹性模量Ec=3.25×104MPa。混凝土材料塑性参数见表2。

表2 混凝土材料塑性参数

栓钉的本构采用弹塑性强化本构：应力-应变关系采用三折线曲线，栓钉达到屈服应变后进入屈服阶段，随应变的增加最后进入强化阶段，通过栓钉快速变形模拟栓钉剪断失效的过程。栓钉的弹性模量Es=2.06×105MPa，屈服强度取fy=375MPa，极限强度取fu=450MPa，屈服应变取εy=fy/Es=0.001820，极限应变取εu=0.021908。

钢筋和钢板的本构采用弹塑性强化本构：应力-应变关系采用双折线曲线，钢材达到屈服应变后进入屈服平台，极限强度取fu=360MPa。

3.3 有限元模型分析结果

3.3.1 各模型荷载位移曲线分析

经过有限元的运算，得到不同配筋率下的剪力连接件荷载-滑移曲线，见图8。

图8 各模型荷载滑移曲线

有限元模型的荷载滑移曲线分为两个阶段，第一阶段各个配筋方案的荷载滑移曲线差别极小，第二阶段起，配筋率越高的构件，栓钉的破坏发生得越早，栓钉承载力也略有提高。

分析有限元模拟的现象：第一阶段，混凝土中产生的裂缝较小，此阶段荷载主要由混凝土来直接承担，钢筋间接受力，未发挥作用，故不同配筋率的模型在第一阶段有着一致的荷载—滑移曲线。第二阶段，裂缝逐渐扩大，混凝土所受荷载逐渐传递到钢筋上，在该阶段，配筋率对荷载滑移曲线有着显著的影响。

3.3.2 不同配筋率下模型的混凝土拉损分析

对不同配筋率的混凝土拉损进行分析，图9～图12为拉拔模型的混凝土拉损。

图9 无筋模型混凝土受拉损伤

图10 少筋模型混凝土受拉损伤

图11 适筋模型混凝土受拉损伤

图12 超筋模型混凝土受拉损伤

对于无筋模型，随着荷载的增加，混凝土首先会在栓钉底部与钢板底部的两侧产生较大的拉损，对比不同配筋率的模型，无筋模型栓钉底部两侧的拉损是最严重最明显的，最终破坏形态为混凝土横截面拉裂；对于少筋的模型，随着荷载的增加，混凝土在栓钉底部与钢板底部的两侧产生较大的拉损，同时栓钉顶部以上的混凝土出现了很大程度的冲切损伤，最终破坏形态为混凝土横截面拉裂与顶部混凝土的冲切破坏；对于适筋的模型，在栓钉发生剪断时，混凝土在栓钉底部与钢板底部的两侧产生一定程度的拉损，栓钉顶部发生了少量的冲切损伤，最终破坏形态为栓钉的剪断；对于超筋的模型，其破坏形态与适筋的破坏形态类似，也是栓钉的剪断，但混凝土产生损伤范围要更小。由分析可知，栓钉剪力连接件模型在无筋、少筋、适筋和超筋情况下分别会出现混凝土截面拉裂、混凝土冲切破坏、栓钉剪断三种破坏形态。

3.3.3 不同配筋率下模型的钢筋应力分析

对不同配筋率的有限元模型的钢筋应力情况进行分析，图13～图17为剪力连接件模型的钢筋应力分布：对于25%配筋模型，随着荷载的增加，混凝土截面产生较大裂缝，核心区钢筋全部屈服；对于50%配筋模型，随着荷载的增加，在栓钉发生剪断时，核心区内最靠近栓钉的8根钢筋发生了屈服；对于100%配筋模型，栓钉发生剪断时，核心区内钢筋均未屈服，最高应力水平为237MPa；对于200%配筋模型，栓钉发生剪断时，核心区内钢筋均未屈服，钢筋最高应力水平为113MPa。