钢—混组合梁剪力连接件抗剪性能研究

陈一馨+吕彭民+宋绪丁

摘 要：为了研究混凝土与剪力连接件的破坏形式及剪力连接件的极限抗剪强度，根据某实际钢-混组合桥梁结构，设计了钢-混组合梁剪力连接件试样，并进行极限抗剪强度试验，得到了剪力连接件的破坏形式和极限抗剪强度，且拟合得到荷载-滑移曲线，同时用非线性有限元模型进行仿真计算。结果表明：采用非线性有限元法得到的计算值与试验值相当吻合。

关键词：公路隧道；地形偏压；埋深；偏压角度

中图分类号：U414 文献标志码：B

文章编号：1000-033X（2016）05-0059-04

Abstract： In order to study the failure modes of structural concrete and shear connector in reality and ultimate shear strength of shear connector， a prototype of shear connector was designed based on an actual structure of steel-concrete composite beam. Test on ultimate shear strength was carried out， and the failure modes of shear connector were obtained. A load-slip curve was gained， and nonlinear finite element model was applied to conduct the simulation. The results show that the value acquired by the simulation matches the test result perfectly.

Key words： highway tunnel； biased terrain； burial depth； biased angle

0 引 言

剪力连接件作为钢-混组合结构的关键部件，其主要功能是将钢结构与混凝土结构组合构成一个整体[1]，它的性能优越与否直接影响钢-混凝土组合结构构件共同受力与协调变形性能[2]。剪力连接件的抗剪性能一般通过推出试验得到，但费时费力；而通过数值分析方法可以模拟推出试验从而预测剪力件性能，再经过少量的试验验证即可，是一种值得推广的方法[3]。

然而，多数学者将研究集中于直径为13～22 mm的剪力连接件[4-8]，对直径较小的剪力连接件则研究较少。由于直径为10 mm的剪力连接件也常应用于工程实际，因此，本文根据某实际钢-混组合桥梁结构，以直径为10 mm的剪力连接件为研究对象，设计完成钢-混组合梁剪力连接件试样。研究时分别采用以载荷为增量加载和以位移为增量加载这2种方式进行极限抗剪强度的试验，得到该连接件的破坏形式和极限抗剪强度，并拟合出荷载-滑移曲线，同时利用有限元分析软件建立试样的非线性有限元模型，计算仿真得到荷载-滑移曲线及应力分布，将试验结果与计算得到的剪力钉极限抗剪强度值进行比较分析[9-10]。

1 剪力件试样静载推出试验

1.1 试件构造

本文根据实际桥梁结构，以1∶1的比例关系设计试样。试件采用C50混凝土，剪力连接件选用电弧螺柱焊用圆柱头焊钉。

根据实际桥梁结构取混凝土层厚度为50 mm。钢板采用Q345B，厚度为14 mm。试件中纵向及横向钢筋均采用普通钢筋，直径为6 mm。钢筋网网孔尺寸为100 mm×150 mm。两侧混凝土板的纵向钢筋采用1根不断开且穿过下部混凝土台座的普通钢筋。横向钢筋在上，纵向钢筋在下。试件构造如图1、2所示。

1.2 试验加载方案及破坏描述

为使试件两侧受力均匀，加载时在混凝土底座下面铺设24 mm的厚钢板。静载试验设备见图3。

试件整体破坏情况见图4（a）。加载初期，试样未见明显变化，随着载荷的增加，工字型钢板和混凝土之间出现缝隙并逐渐加大，同时混凝土出现裂缝，当达到极限载荷值时，混凝土破碎，试样被破坏。其中，2个剪力钉被剪断（图4（b）），其余剪力钉均发生弯剪变形（图4（c））。试件在剪力钉周围出现宽约6 mm的裂缝，剪力钉附近的混凝土均完全破碎（图4（d）），混凝土纵向裂缝沿焊钉的纵向延展贯穿整个试件（图4（e））。

剪力钉在推出试件中处于弯剪受力状态，周围的混凝土被挤压破裂后，裂纹发展很快，以工字型钢板与混凝土脱离、剪力钉被剪断或者混凝土板的裂缝较大作为破坏的标志。

1.3 试验结果分析

在竖向载荷的作用下，剪力钉变形导致混凝土和工字钢产生相对滑移，因此，载荷-滑移曲线是评价剪力钉连接件力学性能的重要指标。

试验数据具体分析如下：加载初期，由于试样和工装存在制造和装配误差，载荷-滑移曲线出现一个小的非线性区；当滑移量达到约0.5 mm时，载荷与滑移量进入线性区；随着载荷继续增加，试样抗滑移能力开始下降，当滑移量达到约2 mm时，载荷与滑移量呈非线性关系；当载荷达到极限值（约为404 kN）之后，载荷迅速减小而滑移量迅速增大，直至试件破坏。拟合得出载荷-滑移量计算公式为

2 剪力件有限元分析

2.1 有限元分析模型

为了研究混凝土的开裂、压碎、塑性等复杂力学行为及试样的详细受力机理和破坏过程，本文采用有限元软件ANSYS建立三维实体模型，并用非线性有限元法进行了计算分析。

2.1.1 材料的本构关系

混凝土的本构关系是表示在外载荷作用下的混凝土应力-应变的响应关系，塑性材料选项采用多线性等向强化[11]。该模型使用多线性来表示使用Von Mises屈服准则的等向强化的应力-应变曲线，通过合理的参数设定能够比较真实地定义混凝土实际本构关系。研究混凝土的等效单轴受压应力-应变关系时，使用比较广泛的Hognestad公式

本文中εu=0.003 3，混凝土的弹性模量Ec=3.22×104 MPa，泊松比为0.2。剪力钉塑性材料选项则采用经典双线性随动强化，即采用1个双线性来表示应力-应变关系曲线，所以有2个斜率，即弹性斜率和塑性斜率。本文取剪力钉的弹性模量E=2.06×105 MPa，泊松比为0.3。

2.1.2 有限元模型的建立

试样混凝土部分选用8节点六面体单元SOLID65进行模拟，设定了混凝土的三维强度准则及混凝土材料，用以反映混凝土压溃、开裂等复杂的力学行为。引入开裂传递系数βt及闭合裂缝传递系数βc表示裂缝对结构性能的影响。本文中取βt=0.5，βc=0.95。试件的钢腹板、钢翼缘板及剪力钉选用8节点空间实体单元SOLID45进行模拟。

根据试样本身的结构对称性建立1/2模型并进行计算分析。为了与实际相符合，建立模型时做了如下的处理。

（1）在钢板和混凝土、剪力钉和混凝土之间分别建立了接触对，模拟钢板表面和混凝土接触面之间、栓钉和混凝土之间的粘结力及相互作用力。

（2）在对称面上施加对称边界约束条件，在混凝土底面约束X、Y、Z三个方向的移动自由度。有限元计算模型如图5所示。

2.2 有限元结果分析

在竖向载荷的作用下，由于剪力钉变形导致混凝土块和工字钢产生相对滑移，可以仿真得到荷载-滑移曲线，然后与实际试验得到的荷载-滑移曲线对比，见图6。计算可知，在载荷未超过120 kN时，载荷与滑移量呈线性关系，载荷超过120 kN后，载荷与滑移量呈非线性关系。

对比推出试验所得的载荷-滑移曲线与其仿真得到的载荷-滑移曲线可以发现，前半部分差异较大，后半部分比较一致，剪切强度极限值相当一致。

当载荷值达到120 kN时，混凝土已接近屈服极限值，其应力云图分布如图7所示，与试验所得照片（图4（b））和混凝土压碎细节（图8）对比，发现有限元计算所得受力较大部位与试验过程中混凝土破坏的部位是吻合的。

当荷载达到399.53 kN时，接近剪力钉屈服极限400 MPa，剪力钉的应力云图和变形云图见图9、10。整个加载过程中先是混凝土破坏，后为剪力钉屈服失效，这与试验结果一致。

3 结 语

本论文以钢-混组合梁剪力连接件为研究对象，通过对比分析静载试验结果及非线性有限元的仿真计算结果，对剪力连接件的抗剪性能进行了比较分析，得到如下结论。

（1）静载推出试验时，试件的剪力钉连接件沿受力方向对混凝土产生较大的压应力。由于剪力钉连接件的抗剪能力强于混凝土板，因此，试件破坏时，剪力钉连接件根部的混凝土发生局部受压破碎或者劈裂，剪力钉弯曲但未被全部剪断。

（2）该批试样的线性区滑移量范围为0.5～2 mm，试样的极限抗剪承载力约为404 kN。根据2种加载试验值，拟合得出载荷-滑移量的计算公式，可供工程应用参考。

（3）采用本文非线性有限元模型计算得到的剪力件极限承载力为399.53 kN，与试验值吻合较好，单钉极限承载力的误差仅为0.75%，两者得到的破坏形式基本一致。因此，若试验条件不允许，可采用有限元模拟的方法得到极限承载力来指导工程实际应用。

参考文献：

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[11] 张朝晖.ANSYS11.0结构分析工程应用实例解析[M].北京：机械工业出版社，2008.

[责任编辑：杜卫华]