剪力釘連接件參數(shù)有限元對比分析①

喬建剛，熊 剛，馮希訓(xùn)，王樹來

(1.天津市市政工程設(shè)計研究院，天津300051;2.山東省日照市公路局，山東 日照276800)

1 概 述

組合梁橋是指采用剪力連接件將鋼板梁、鋼箱梁、鋼桁梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件和鋼筋混凝土橋面板結(jié)合成組合截面共同工作的一種復(fù)合式橋梁.充分發(fā)揮了各自的材料優(yōu)勢，取得更大的經(jīng)濟效益［1～2］.

較早出現(xiàn)的剪力連接件形式是彎筋剪力連接件(見圖1(a)，(b))和型鋼剪力連接件(見圖1(c)).隨著鋼－混結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)中的廣泛應(yīng)用以及焊釘焊接技術(shù)的成熟，剪力釘連接件成為最常用的剪力連接件形式(見圖1(d)).

圖1 剪力連接件形式

本文對西南交通大學(xué)基于廈門馬新大橋所做的剪力連接件推出試驗建立有限元模型，并對模型調(diào)整各種對剪力連接件有影響的構(gòu)造參數(shù)，分析其對連接件受力性能的影響程度及范圍.

2 有限元模型的建立

2.1 試驗方法

如圖1 所示，試驗時將兩側(cè)混凝土構(gòu)件固定，對型鋼上緣逐級施加豎直向下的軸向壓力，考察剪力連接件的受力及變形情況.

圖2 加載方法示意圖

2.2 實例參數(shù)

試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計及尺寸如圖3 所示，在型鋼上下翼緣分別焊接兩個剪力釘連接件，兩側(cè)混凝土構(gòu)件通過剪力釘與型鋼結(jié)合為整體.

2.3 有限元模型

模型中混凝土單元類型選用Solid65 實體單元，以實現(xiàn)混凝土的開裂、壓碎等一系列材料非線性力學(xué)行為.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用整體式模型建立.剪力釘和鋼板單元類型采用實體單元Solid185［3～4］.型鋼翼緣與混凝土間接觸面采用接觸單元，摩擦系數(shù)取0.15.

圖3 試驗?zāi)Ｐ统叽?mm)

圖4 有限元模型

圖5 剪力釘及鋼板的有限元模型

考慮到模型本身和加載情況均是對稱分布，故采用半個試驗試件進行有限元模型分析(見圖4、圖5).有限元模型將混凝土構(gòu)件固結(jié)，在鋼板頂緣分級施加平行于板平面的荷載.

圖6 荷載－位移曲線對比

圖7 荷載－位移曲線

圖8 荷載－位移曲線

3 剪力釘連接件受力性能的影響參數(shù)分析

本文將對比構(gòu)件參數(shù)按如下設(shè)置:混凝土強度:C50;鋼筋標號:HRB335;箍筋直徑16mm，縱筋直徑12mm;鋼板:Q345，鋼板厚16mm;剪力釘:直徑22mm，長度200mm.

將混凝土標號、剪力釘型號、剪力釘材料強度設(shè)置為構(gòu)件參數(shù)，分別單獨調(diào)整以上參數(shù)，分析其對構(gòu)件受力性能的影響程度及范圍.

3.1 混凝土標號的影響

把對比構(gòu)件中混凝土標號分別按照C20，C50，C60 進行調(diào)整，其余各參數(shù)不變，對三種不同混凝土標號下有限元模型進行分析.

通過對荷載－位移曲線的對比，如圖6 所示，混凝土標號由C20 提高到C50 時，模型承載力提高達71%;而C60 混凝土條件下較C50 混凝土條件下，剪力連接件極限承載力提高僅13%.可見，當混凝土強度較低時，剪力釘根部混凝土在極限承載力作用下壓碎，構(gòu)件破壞，通過提高混凝土強度可顯著增加剪力連接件極限承載力及滑移量;當混凝土強度增加到一定程度后，剪力釘根部混凝土在極限承載力作用下不會被壓碎，混凝土強度不再控制剪力連接件破壞.

3.2 剪力釘型號的影響

把對比構(gòu)件中剪力釘直徑分別按照19mm、22mm、25mm 進行調(diào)整，其余各參數(shù)不變，對三種不同剪力釘直徑下有限元模型進行分析.

通過對荷載－位移曲線進行對比，如圖7 所示，22mm 剪力釘直徑條件下較19mm 剪力釘直徑條件下，剪力連接件極限承載力提高81%，位移量增加82%;25mm 剪力釘直徑條件下較22mm 剪力釘直徑條件下，剪力連接件極限承載力提高24%，滑移量增加87.5%.可見，當剪力釘截面較小時，剪力釘根部在極限承載力作用下屈服，構(gòu)件破壞，通過增加剪力釘截面可顯著增加剪力連接件極限承載力及滑移量;當剪力釘截面積增加到一定程度后，剪力釘根部在極限承載力作用下不會屈服，剪力釘根部抗剪承載力不再控制剪力連接件破壞，這時靠單純提高剪力釘截面積并不能有效提高剪力連接件極限承載力.

3.3 剪力釘?shù)牟牧蠌姸?/h3>

將對比構(gòu)件中剪力釘鋼材型號分別按照Q345和Q400 進行調(diào)整，其余各參數(shù)不變，對兩種不同剪力釘鋼材型號下有限元模型進行分析.

通過對荷載－位移曲線進行對比，如圖8 所示，鋼材型號為Q400 時剪力釘連接件同鋼材型號為Q345 時相比，剪力連接件極限承載力提高8%;其極限位移量相差微小.可見，在現(xiàn)有常用剪力釘鋼材型號Q345 的基礎(chǔ)上，剪力釘材料強度不控制構(gòu)件抗剪性能，繼續(xù)提高剪力釘材料強度而采用高強鋼材不能有效提高剪力連接件的抗剪性能.

4 結(jié) 論

本文對廈門馬新大橋剪力釘連接件推出試驗進行有限元模擬，并通過對剪力釘連接件抗剪承載力的3 個主要影響參數(shù)進行對比分析.由分析結(jié)果可見:混凝土的強度等級、剪力釘?shù)闹睆綄袅B接件抗剪性能影響顯著;剪力釘材料強度的提高并不能有效改善剪力連接件抗剪性能.其中，混凝土強度等級和剪力釘直徑需相互協(xié)調(diào)配置，單獨增強某一項直至另外一項控制剪力連接件極限承載力后，繼續(xù)單獨增強該項并不能有效改善剪力連接件抗剪性能.

［1］ 吳沖.現(xiàn)代鋼橋(上冊)［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 王連廣.鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)［M］.北京:科學(xué)出版社，2005.

［3］ 王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS 結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用［M］.北京:人民交通出版社，2011，220－235.

［4］ 江見鯨.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性有限元分析［M］.陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1994:5－33.