剪力釘力學(xué)性能試驗(yàn)研究與數(shù)值分析＊

黃彩萍 馬 強(qiáng) 鄭舟軍 譚 燕

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院1） 武漢 430068）（中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司2） 武漢 430034）

國內(nèi)外針對剪力釘?shù)难芯抗ぷ魇且越M合結(jié)構(gòu)中剪力釘?shù)囊?guī)格和間距為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并制造設(shè)置了單枚或多枚剪力釘試件，并對這類剪力釘試件進(jìn)行推出試驗(yàn)，來得到剪力釘?shù)臉O限承載力及各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)的［1］.但應(yīng)用于實(shí)際工程中的剪力釘規(guī)格有多種，不可能對每一種規(guī)格的剪力釘都進(jìn)行推出試驗(yàn)，而且推出試驗(yàn)不僅需要經(jīng)費(fèi)，還費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以通過剪力釘推出試驗(yàn)和數(shù)值分析相互驗(yàn)證的方式，找出合理的鋼－混凝土界面及剪力釘?shù)哪M方法，通過準(zhǔn)確的數(shù)值分析方法來模擬推出試驗(yàn)，研究分析各種規(guī)格剪力釘?shù)臉O限承載力及各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)十分必要.

1 模型設(shè)計(jì)

剪力釘推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶礆W洲規(guī)范4［2］中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)（standard push test），其目的是為了測出剪力釘在混凝土中的荷載－滑移量曲線和極限承載力.本文針對組合結(jié)構(gòu)中常用的直徑22mm剪力釘設(shè)計(jì)并制作了6個(gè)推出試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑦M(jìn)行了推出試驗(yàn)［3－4］.

本次試驗(yàn)的6個(gè)剪力釘推出試件中，每個(gè)試件主要由一個(gè)工字型鋼394mm×200mm×16 mm，2塊400mm×300mm×250mm混凝土塊和4枚直徑22mm、長200mm剪力釘組成，混凝土塊按構(gòu)造配置豎向鋼筋和橫向箍筋.試件制作時(shí)，鋼板和混凝土板間通過涂油來防止它們的自然粘接.混凝土采用C50，鋼板材質(zhì)為Q345D鋼材，剪力釘材質(zhì)為 ML15.試件構(gòu)造如圖1所示.雖然試件中有4枚剪力釘，但在荷載加載的方向只有一枚剪力釘存在，所以下文的分析主要是針對單枚剪力釘.

2 試驗(yàn)測點(diǎn)布置及加載方案

2.1 測點(diǎn)布置

本次剪力釘推出試驗(yàn)，以測試鋼－混凝土界面滑移量為主，因此在鋼－混凝土界面的四邊分別布置1個(gè)電子百分表，測點(diǎn)布置如圖1所示.

2.2 加載方案

推出試驗(yàn)在MTS－6 000kN試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)保證試驗(yàn)機(jī)加載中心與試件中心在同一垂線上.試驗(yàn)前首先進(jìn)行反復(fù)預(yù)壓3次，預(yù)壓荷載為100kN，大約為承載力的10%.試驗(yàn)采用分級(jí)加載，每50kN為一級(jí)，達(dá)到600kN后每10kN為一級(jí)，每級(jí)荷載加載持續(xù)時(shí)間為3～5min，每級(jí)采集一次滑移量.

圖1 試件構(gòu)造及測點(diǎn)布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 剪力釘極限抗剪承載力和破壞情況

3.1.1 剪力釘極限抗剪承載力

推出試驗(yàn)得到6個(gè)試件加載破壞時(shí)的極限荷載，見表1，其中試件4剪力釘焊接有缺陷，從而引起試件的整體承載力較其他試件的小，本次試驗(yàn)予以剔除.其他5個(gè)試件中極限加載最大為880kN，最小荷載為750kN，平均值為822kN，六個(gè)試件的極限加載誤差范圍為0%～7%.按相關(guān)規(guī)范對剪力釘極限承載力的規(guī)定，本次試驗(yàn)剪力釘?shù)某休d力取5組中的最小值，換算成單枚剪力釘承載力為187.5kN.

表1 試件極限荷載表

表2列出各國規(guī)范給出的直徑×長度＝22 mm×200mm剪力釘?shù)臉O限承載力，均較本次試驗(yàn)得出的極限承載力（187.5kN）小，其原因主要是規(guī)范考慮了群釘?shù)氖芰Σ痪鶆蛐?，而本次推出試?yàn)得到的是單枚剪力釘?shù)目辜舫休d力.

表2 規(guī)范及本次實(shí)驗(yàn)試件極限承載荷載表

3.1.2 剪力釘破壞機(jī)理分析

剪力釘推出試件的破壞形式主要有以下4種［5－6］：（1）剪力釘剪斷；（2）剪力釘處混凝土破碎；（3）混凝土開裂；（4）混凝土剪切破壞.本次試驗(yàn)中，6個(gè)剪力釘推出試件均是剪力釘被剪斷，其中試件1和3混凝土塊底部有破損，試件4剪力釘焊接質(zhì)量有缺陷，其余試件混凝土基本完好.從剪力釘破壞斷面的特征來看，剪力釘破壞時(shí)產(chǎn)生較大的剪切變形和彎曲變形，本次試驗(yàn)剪力釘剪切破壞時(shí)具有一定的延性.

3.2 荷載－滑移測試結(jié)果

本次試驗(yàn)對每個(gè)推出試件在每級(jí)荷載作用下所測試得到的滑移量取平均值，分別得到6個(gè)試件的電子百分表平均滑移量隨荷載的變化曲線，如圖2所示.為保護(hù)百分表，在鋼－混界面滑移量持續(xù)增加而承載力增加很少時(shí)將百分表撤出，所以圖2所示的滑移量并非試件的最終滑移量.

由圖2可見，6個(gè)試件滑移量曲線變化規(guī)律基本一致.在彈性階段，試件的荷載與滑移量接近于線性關(guān)系，彈性階段的滑移量很小，當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的1／3時(shí)，剪力釘?shù)氖芰顟B(tài)開始進(jìn)入塑性階段.單個(gè)剪力釘在承受荷載50～75kN時(shí)，荷載－滑移曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)進(jìn)入塑性階段；之后滑移量增長很快，荷載－滑移曲線表現(xiàn)出明顯的非線性；隨著荷載的增大，荷載－滑移曲線的斜率越來越??；之后滑移量迅速增加直至試件破壞.6個(gè)試件破壞前均有較大的滑移，有明顯的破壞征兆，總體上屬于延性破壞.

3.3 應(yīng)變測試結(jié)果分析

試驗(yàn)前，在6個(gè)試件中選擇了3個(gè)試件在其中的剪力釘?shù)纳舷戮壊贾昧藨?yīng)變片，試件1的應(yīng)變片布置在剪力釘焊腳位置處（A截面），試件2布置距剪力釘根部30mm的位置處（B截面），試件3布置在剪力釘沿軸向的中部（C截面）.3個(gè)試件的剪力釘應(yīng)變與荷載的關(guān)系曲線如圖3所示．

圖2 荷載－滑移關(guān)系曲線對比圖

圖3 剪力釘應(yīng)變－荷載關(guān)系曲線

由圖2a）可知，當(dāng)荷載在0～120kN之間時(shí)，試件A截面剪力釘上緣測點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)樨?fù)數(shù)，且數(shù)值較小，即對應(yīng)的應(yīng)力為壓應(yīng)力；當(dāng)荷載加載至120kN時(shí)，該處應(yīng)變轉(zhuǎn)變成正數(shù)，且數(shù)值加劇上升至破壞，即對應(yīng)的應(yīng)力為拉應(yīng)力．試件破壞時(shí)，A截面剪力釘上緣測點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到3 000×10－6．

由圖3b）可知，試件2B截面剪力釘上緣測點(diǎn)的應(yīng)變在加載過程中一直為正應(yīng)變，即處于受拉狀態(tài)，在加載前期數(shù)值較小，且保持線性增加，當(dāng)荷載加載至150kN時(shí)，應(yīng)變開始劇烈增加直至破壞．試件破壞時(shí)，B截面剪力釘上緣測點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到5 000×10－6．

由圖3c）可知，試件3C截面剪力釘上緣測點(diǎn)的應(yīng)變在加載過程中一直為正應(yīng)變，即處于受拉狀態(tài)，其應(yīng)變變化相對A，B截面較為平緩．試件破壞時(shí)，C截面剪力釘上緣測點(diǎn)的應(yīng)變達(dá)到5 000×10－6．圖3中，A，B，C3個(gè)截面剪力釘上下緣測點(diǎn)的應(yīng)變數(shù)值相反，變化規(guī)律基本相同．

4 剪力釘承載力的數(shù)值模擬分析

4.1 有限元建模

1）材料本構(gòu)關(guān)系 由于剪力釘推出試件在破壞前要經(jīng)歷較大的塑性變形，所以有限元仿真分析時(shí)混凝土、鋼板、剪力釘均采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系．混凝土單軸受壓應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系采用德國Rush建議的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系模型，如圖4所示，

圖4 混凝土本構(gòu)關(guān)系

其中混凝土的斷裂能為［7］

α取0．03，其他相關(guān)參數(shù)按C50混凝土取值．

2）有限元計(jì)算模型 鋼筋在試件中只是構(gòu)造作用，有限元建模時(shí)不予考慮．鋼板、剪力釘、鋼筋混凝土三者在有限元計(jì)算中的模擬如下：（1）剪力釘推出試驗(yàn)試件在加工時(shí)，鋼板和混凝土板間通過涂油來防止它們的自然粘接，試驗(yàn)前又進(jìn)行反復(fù)預(yù)壓以消除鋼板和混凝土之間的作用力，所以鋼板與混凝土之間的作用力忽略不計(jì)，即鋼板與混凝土處于分離狀態(tài)；（2）剪力釘與鋼板焊接在一起，所以鋼板和剪力釘在焊接處共節(jié)點(diǎn)；（3）采用接觸單元來模擬鋼－混凝土界面；（4）對稱的選取模型的一半進(jìn)行建模；（5）有限元模型中鋼板采用板單元，剪力釘和混凝土采用實(shí)體單元；混凝土底部豎向約束，鋼板端施加豎向荷載，計(jì)算模型如圖6所示．在試件鋼混界面滑移量持續(xù)增加而承載力增加很少時(shí)將停止計(jì)算．

圖5 鋼材本構(gòu)關(guān)系

圖6 有限元計(jì)算模型

4.2 試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果對比分析［8－］

1）滑移量 圖2中列出了有限元仿真計(jì)算和推出試驗(yàn)得到的荷載－滑移曲線對比圖，從圖中可以看出，有限元仿真計(jì)算得到的荷載與滑移量在彈性階段呈線性關(guān)系，彈性極限荷載約為85 kN，比試驗(yàn)所得的彈性極限荷載略大；推出試驗(yàn)有限元仿真計(jì)算得到的單個(gè)剪力釘?shù)臉O限承載力約為190kN，略大于推出試驗(yàn)得到的187．5kN．在圖2中有限元仿真計(jì)算得到的荷載－滑移曲線位于6個(gè)試件試驗(yàn)得到的荷載－滑移曲線之間．由此可見，有限元計(jì)算結(jié)果在彈性階段承載力、極限承載力、荷載－滑移規(guī)律上均與推出試驗(yàn)結(jié)果較為接近．

2）應(yīng)變 圖3為有限元仿真計(jì)算和推出試驗(yàn)得到的剪力釘荷載－應(yīng)變曲線對比圖，在彈性階段以及部分非線性階段與試驗(yàn)結(jié)果較吻合；當(dāng)在剪力釘根部的混凝土破壞后，由于混凝土單元大量失效，迭代過程中出現(xiàn)了不平衡力，造成了有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值在塑性階段的后期出現(xiàn)偏差．但變化規(guī)律基本相同，如A截面剪力釘上緣測點(diǎn)應(yīng)變的計(jì)算值也是開始加載時(shí)為負(fù)數(shù)，當(dāng)荷載加載至120kN時(shí)，該處應(yīng)變轉(zhuǎn)變成正數(shù)．

5 剪力釘受力機(jī)理分析

圖7a）為試驗(yàn)完后對試件剖解后剪力釘?shù)淖冃握掌坝邢拊?jì)算得到的變形圖，兩者變形都顯示，在剪力釘焊點(diǎn)附近變形比較大，遠(yuǎn)離焊點(diǎn)的部位幾乎沒有變形．

現(xiàn)對單個(gè)剪力釘施加100kN的豎向荷載（此時(shí)剪力釘受力處于彈性階段），圖7b）為有限元計(jì)算得到的剪力釘上緣剪應(yīng)力沿釘軸向的分布圖，圖7c）為有限元計(jì)算得到的剪力釘上緣軸應(yīng)力沿釘軸向的分布圖，橫向坐標(biāo)軸原點(diǎn)為剪力釘焊接根部．圖7b）中，在剪力釘焊點(diǎn)附近的剪應(yīng)力比較大，距根部0～30mm的范圍內(nèi)剪應(yīng)力急劇下降，遠(yuǎn)離焊點(diǎn)的部位剪應(yīng)力幾乎為零．由圖7c）可知，在剪力釘焊點(diǎn)附近的軸向應(yīng)力比較大，距根部90～180mm的范圍內(nèi)軸向應(yīng)力幾乎為零，且軸向應(yīng)力的方向沿釘軸向發(fā)生了改變，在距根部18mm處，上緣由壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，下緣由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，這與3中實(shí)測的剪力釘應(yīng)變變化規(guī)律相符．

圖7 剪力釘變形及應(yīng)力分布圖

從剪力釘?shù)淖冃魏蛻?yīng)力沿軸向的變化規(guī)律可 以總結(jié)出，剪力釘與混凝土的相互作用機(jī)理是：剪力釘在混凝土的支撐作用下，呈多跨彈性支承的連續(xù)梁受力，處于剪力釘根部位置的混凝土由于彈性變形較大或者已進(jìn)入塑性狀態(tài)，造成對剪力釘?shù)膹椥灾蝿偠茸冃。约袅︶敻康淖冃魏蛻?yīng)力均較大且受力較為復(fù)雜；而遠(yuǎn)離根部位置的混凝土彈性變形較小，對剪力釘?shù)闹蝿偠容^大，此處的剪力釘變形和應(yīng)力均較小.

6 結(jié)束語

本文所進(jìn)行直徑22剪力釘?shù)耐瞥鲈囼?yàn)得到的直徑22剪力釘?shù)母黜?xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，可以為直徑22剪力釘在組合結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)和參考.本文所采用的數(shù)值分析方法較準(zhǔn)確的模擬了剪力釘推出試驗(yàn).

［1］聶建國，沈聚敏，袁彥聲.鋼－混凝土組合梁中剪力連接件實(shí)際承載力研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1996（2）：26－33.

［2］胡廈閩.歐洲規(guī)范4：鋼－混凝土組合梁設(shè)計(jì)方法（7）：剪力連接件設(shè)計(jì)［J］.工業(yè)建筑，1996（3）：57－63.

［3］黃彩萍.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段受力性能的試驗(yàn)研究與理論分析［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2012.

［4］鄭舟軍，陳開利.混合梁斜拉橋結(jié)合段剪力釘受力機(jī)理研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，32（4）：767－770.

［5］鄭舟軍.濟(jì)南黃河大橋剪力釘靜力與疲勞模型試驗(yàn)研究［R］.武漢：中鐵大橋局集團(tuán)武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司，2007.

［6］鄭舟軍，陳開利，童智洋.剪力釘推出試驗(yàn)受力機(jī)理研究［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009，9（24）：28－32.

［7］OEHERS D J，JOHNSON R P.The strength of stud shear connections in composite beams ［J］.Structural Engineer，1987，65B（2）：44－48.

［8］趙 潔，聶建國.鋼板－混凝土組合梁的非線性有限元分析［J］.工程力學(xué)，2009，26（4）：105－112.

［9］張仲先，黃彩萍，黨志杰.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段靜力試驗(yàn)研究［J］.華中科技大學(xué)：自然科學(xué)版，2010，38（4）：121－124.

［10］張仲先，黃彩萍，徐海鷹.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段傳力機(jī)理研究［J］.華中科技大學(xué)：自然科學(xué)版，2010，38（5）：117－120.

［11］黃彩萍，張仲先，陳開利.混合梁斜拉橋鋼混結(jié)合段試驗(yàn)與傳力機(jī)理研究［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（1）：67－70.