施工误差对剪力钉工作性能的影响

封博文，刘永健，彭元诚，孙立鹏，刘 江，张 凯

(1.长安大学 公路学院,陕西 西安 710064；2.中交第二公路勘察设计研究院,湖北 武汉 430056；3.中交公路规划设计院有限公司,北京 100088)

0引 言

钢-混凝土组合梁具有优异的力学性能和施工性能，因而被广泛应用于桥梁结构，如已建成的上海南浦大桥、青州闽江大桥及青海海黄大桥等。剪力钉为钢和混凝土的连接构件，具有传递界面剪力、限制界面滑移、防止混凝土掀起、保证钢和混凝土共同受力、协调变形的作用，其工作状态直接影响结构的工作性能。组合梁中剪力钉连接件的布置通常比较密集，在施工过程中经常会出现剪力钉附近混凝土浇筑不密实、剪力钉距钢板或混凝土边缘距离不满足规范要求以及剪力钉倾斜等施工问题。这些施工问题将改变剪力钉的合理工作状态，进而影响组合梁工作性能的充分发挥。

在国外，Ollgaard等[1]根据剪力钉推出试验研究，提出采用指数型模型来描述剪力钉连接件推出试验的荷载-滑移曲线；Lam等[2]采用有限元法模拟剪力钉推出试验，并与既有试验数据和规范数据进行对比，证实了有限元法的可靠性；Shim等[3]针对大直径剪力钉进行推出试验研究，结果表明剪力钉抗剪刚度及抗剪承载力随直径增大而增大，欧洲规范[4]中建议的剪力钉抗剪承载力计算公式不适用于大直径剪力钉，并提出了大直径剪力钉抗剪承载力计算公式；An等[5]针对普通混凝土和高强混凝土进行了剪力钉推出试验研究，结果表明混凝土的强度等级对剪力钉的抗剪承载力影响较大。

在中国，聂建国等[6]对剪力钉连接件在钢-高强混凝土组合梁中的性能进行了研究，提出了高强混凝土中连接件承载力的修正公式；薛伟辰等[7]采用推出试验研究了混凝土强度等级、栓钉直径以及钢梁类型等参数对剪力钉工作性能的影响，并根据试验结果提出了剪力钉抗剪承载力计算公式；贾艳东等[8]对钢-钢纤维混凝土组合梁的剪力钉连接件进行了推出试验研究，并根据试验结果给出了荷载-滑移曲线的拟合公式；丁发兴等[9]总结已有的推出试验数据，并结合有限元法研究了剪力钉直径、屈服强度、混凝土强度和横向配筋率对剪力钉荷载-滑移性能的影响，并提出了考虑剪力钉直径、屈服强度和混凝土强度影响的抗剪承载力计算公式和荷载-滑移关系计算方法；陈玲珠等[10-11]分别采用有限元法和剪力钉推出试验研究了剪力钉在高温下的工作性能，并提出了高温下剪力钉抗剪承载力的计算公式；荣学亮等[12]通过标准试件的推出试验，研究了剪力钉连接件锈蚀后抗剪承载力、变形能力和疲劳寿命的变化规律。

目前，国内外针对剪力钉受力机理和工作性能的研究已相当丰富，但针对施工误差对剪力钉工作性能影响的研究还相对较少。本文首先采用剪力钉推出试验和有限元仿真分析相结合的研究方法，验证了采用有限元软件ABAQUS模拟剪力钉推出试验时建模参数选取的合理性与可靠性。以有限元分析为基础，研究了施工误差对剪力钉连接件工作性能的影响，为组合梁的设计和施工提供参考。

1静载推出试验

1.1试件设计

剪力钉推出试验采用1组共3个推出试件来研究剪力钉的抗剪承载力及其变形能力。试件构造见图1，每个试件有4个剪力钉，其规格为φ22×200，材质选用ML15，机械性能和焊接性能满足《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》(GB/T 10433—2002)的要求。钢板材料为Q345D，混凝土标号为C50。为排除推出试验时混凝土与钢界面黏结作用对剪力钉抗剪能力的干扰，在试件钢结构翼缘表面涂抹润滑油，防止钢翼缘与混凝土黏结。

1.2加载方案及测点布置

采用20 000 kN FCS佛力加载系统进行加载，对工字钢翼缘施加推力。试件底部设置细砂垫层，保证混凝土底部的受力均匀。测点布置见图2，位移计布置在左右混凝土块的2个侧面上，共4个，精度要求为1/1 000 mm。

1.3试验结果及分析

1.3.1破坏形态

本次试验剪力钉连接件的破坏形态如图3所示，试件均为剪力钉根部剪断破坏。大部分剪力钉断裂面光滑，且可以看到明显的剪切变形。剪力钉根部沿受力方向有小部分混凝土被压碎，混凝土块表面无裂缝。产生这种破坏形态的主要原因是混凝土强度较高且剪力钉直径较小。

1.3.2极限承载力分析

本次推出试验各试件破坏的极限荷载及对应钢混界面的最大相对滑移值见表1。由表1可知，3个试件的极限荷载偏差范围为4%～9%，根据文献[13]，剪力钉的极限承载力取3个试件的最小值686.6 kN，换算成单钉抗剪承载力为171.7 kN。表2列出了由各规范推荐公式计算所得的φ22×200剪力钉的抗剪承载力。由表2可知，ASSHTO规范计算值与试验值最接近，仅有2.7%的相对误差。其他各规范计算的抗剪承载力均比本次推出试验所得抗剪承载力小。

1.3.3荷载-滑移曲线分析

本次试验得到的3个试件的荷载-滑移曲线见图4。由图4可知，受荷初始阶段，荷载与相对滑移量为线性关系，剪力钉的抗剪刚度大，线性阶段最大滑移量约为0.5 mm。当单钉所受荷载达到其抗剪承载力的60%左右时，剪力钉受力状态开始进入塑性阶段，荷载与滑移量呈现明显的非线性关系，抗剪刚度逐渐减小。当荷载达到极限荷载的70%～80%，滑移量达到2 mm时，滑移量迅速增长，而荷载无明显增加，直至达到极限荷载。试件破坏表现出明显的延性破坏特征。

表1试件极限荷载及最大相对滑移Tab.1Ultimate Loads and Maximum Relative Slips of Specimens

2有限元模拟

2.1有限元模拟方法

本文采用大型通用有限元计算软件ABAQUS进行建模。所有试件均采用C3D8R实体单元进行模拟，根据对称性取1/2试件进行建模计算。网格划分采用扫掠技术及中性轴算法，单元均为六面体。为使计算结果更精确，增加了剪力钉的网格密度。有限元模型及网格划分见图5。

表2抗剪承载力的规范计算值与试验值对比Tab.2Contrast of Shear Capacity Between Standard Calculation Values and Test Values

混凝土的本构模型采用损伤塑性模型，损伤因子根据文献[17]提出的方法计算。采用《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[18]中混凝土单轴拉压应力-应变(σ-ε)曲线，混凝土强度等级为C50。剪力钉及钢板的本构模型采用如图6所示的理想弹塑性模型，其中，屈服强度fy取345 MPa，εy为屈服应变，Es为钢材弹性模量。

由于对试验试件组合界面进行了涂油处理，无界面切向摩擦，因此，有限元建模时忽略了钢板与混凝土交界面的切向摩擦。采用位移加载模拟实际加载过程。

2.2与推出试验结果对比分析

有限元模拟计算所得的荷载-滑移曲线与推出试验所得的荷载-滑移曲线对比见图7。由图7可知，有限元计算所得的荷载-滑移曲线变化规律与推出试验基本吻合。二者所得出的剪力钉在弹性阶段的抗剪刚度基本一致。有限元模拟计算所得剪力钉抗剪承载力为170.0 kN，比推出试验结果仅小1%。

有限元模拟与剪力钉推出试验所得的弹性极限荷载、破坏荷载、荷载-滑移曲线发展规律均较为接近。因此，可采用第2.1节所述的方法建立有限元模型，从而对剪力钉力学性能开展研究。

3施工误差的影响

3.1混凝土浇筑不密实

组合梁的钢与混凝土连接部位构造比较复杂，剪力钉布置多而密，且受普通钢筋对空间的影响，剪力钉附近的混凝土浇筑质量难以保证，经常会出现混凝土浇筑不密实的情况，导致混凝土强度降低，从而影响剪力钉的工作性能。

通过ABAQUS有限元软件模拟考虑剪力钉附近混凝土浇筑不密实对剪力钉受力性能的影响分3种情况考虑：①剪力钉根部混凝土不密实；②剪力钉周围混凝土均不密实；③剪力钉一侧混凝土不密实。计算取最不利情况，即认为浇筑不密实部分混凝土强度为0，模拟时钝化对应位置混凝土单元，图8为对应的有限元模型。

图9为有限元计算所得的试件破坏形态。对于情况①，②，试件破坏的标志均为剪力钉根部屈服，钢板与混凝土相对滑移过大导致试件丧失承载力。试件发生此种破坏的主要原因是剪力钉周围缺少混凝土的约束作用，在弯剪共同作用下剪力钉根部很快屈服，产生较大的塑性变形，导致钢板与混凝土发生过大的相对滑移。对于情况③，沿图8剪切方向1号剪力钉后侧有效混凝土厚度较少，这部分混凝土受剪力钉挤压破坏失效。随后由2号剪力钉继续承载，最终受剪屈服破坏。

图10为考虑局部混凝土不密实的有限元计算结果与正常单个剪力钉推出试验的有限元计算结果对比。由图10可知，剪力钉附近混凝土浇筑不密实使剪力钉单钉抗剪承载力降低60%～70%。

3.2剪力钉布置边距不足

中国各规范对剪力钉距钢梁翼缘及混凝土边缘的最小距离都提出了要求，具体规定见表3。实际工程中经常会出现剪力钉布置边距不满足规范要求的情况，本文考虑以下3种情况进行有限元建模：①剪力钉距混凝土边缘50 mm；②剪力钉距混凝土边缘75 mm；③剪力钉距混凝土边缘100 mm。图11为相应的有限元模型。

表3中国规范对剪力钉边距的要求Tab.3Requirements of Chinese Standards for Edge Distances of Shear Studs

剪力钉距混凝土边缘的距离分别为50，75，100 mm时，试件的破坏形态相似，均为剪力钉根部屈服、根部混凝土压碎破坏，且边距较小一侧的混凝土开裂并出现外鼓。图12为有限元计算所得的试件破坏形态。

图13为考虑边距不足的有限元计算结果与正常单个剪力钉推出试验有限元计算结果对比。由图13可知，剪力钉距混凝土边缘距离不满足规范要求导致单钉抗剪承载力降低约27%，且边距越小承载力越低，但差别不明显。分析原因是由于剪力钉距混凝土边缘距离不足，降低了混凝土对剪力钉的约束作用，且距离越小，混凝土对剪力钉的约束作用越小，则剪力钉的抗剪承载力越小。

3.3剪力钉倾斜

剪力钉在焊接过程中可能存在焊接偏差或施工工程中机具与人员操作过程的“磕碰”损坏，即导致剪力钉与钢板不垂直，存在偏角。图14为某组合梁桥在施工过程中出现的剪力钉倾斜情况。针对这种情况建立有限元模型，考察剪力钉倾斜对其承载力的影响。有限元模拟考虑顺偏斜方向加载(顺推)和逆偏斜方向加载(逆推)2种受力情况，剪力钉倾斜角度选取10°，30°，50°。图15为相应的有限元模型。

根据有限元计算结果，所有试件顺推时及剪力钉倾斜10°的试件逆推时，试件的破坏形态均为剪力钉根部剪断破坏，剪力钉倾斜30°，50°的试件逆推时，试件的破坏形态为剪力钉根部混凝土开裂破坏。图16为考虑剪力钉倾斜的有限元计算结果与正常单个剪力钉推出试验的有限元计算结果对比。由图16可以看出：顺推时，剪力钉倾斜使单钉抗剪承载力平均下降约26%，3种倾斜角度的单钉抗剪承载力较接近；逆推时，剪力钉抗剪承载力随剪力钉倾斜角度增大而降低，其中当倾斜角度为50°时降低幅度较大，倾斜角度为10°，30°，50°时，抗剪承载能力分别降低26.8%，30.36%，41.3%。图17为逆推与顺推的抗剪承载力对比。由图17可以看出，剪力钉分别倾斜10°，30°，50°时，逆推承载力比顺推承载力分别低2%，7%，13%。剪力钉倾斜角度相同的情况下，逆推比顺推受力更为不利，且随着倾斜角度的增大，逆推承载力比顺推承载力降低更多。上述不同倾斜角度剪力钉破坏模式及抗剪承载能力计算结果汇总于表4。

表4剪力钉倾斜破坏形态及抗剪承载力Tab.4Failure Modes and Shear Capacities of Shear Stud Inclination

4结语

(1)本文通过对剪力钉推出试验结果与采用ABAQUS有限元分析计算结果进行对比，验证了本文有限元模拟方法的合理性与可靠性。可采用数值模拟的方法对剪力钉受力性能开展研究。

(2)各国规范计算所得的剪力钉抗剪承载力偏于保守，均小于剪力钉推出试验和有限元仿真计算得到的剪力钉抗剪承载力。

(3)由于剪力钉周围混凝土浇筑不密实、剪力钉布置边距不足和剪力钉倾斜3种施工误差的存在，使剪力钉的抗剪承载力有所降低，其中混凝土浇筑不密实的影响最大。因此，在施工过程中应严格控制施工质量，减小施工误差，从而保证剪力钉的工作性能。

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