裝配式組合鋼板梁橋螺栓連接件受剪性能研究

鄭智文 郝天之 梁金福

摘要：文章提出了一種預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu)以提升裝配式組合鋼板梁橋中混凝土板的開孔精度和質(zhì)量，并通過ABAQUS有限元軟件對該結(jié)構(gòu)螺栓連接件進(jìn)行了三維實體建模，以預(yù)緊力大小、界面摩擦系數(shù)、螺栓強(qiáng)度等級、螺栓直徑和混凝土強(qiáng)度作為參數(shù)對螺栓連接件的抗剪承載力進(jìn)行了研究。分析結(jié)果表明，螺栓連接件抗剪承載力主要與螺栓的強(qiáng)度等級和直徑有關(guān)，所提出的預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮螺栓連接件的抗剪性能。

關(guān)鍵詞：裝配式，螺栓連接件，有限元分析，抗剪承載力

中圖分類號：U448.21⁺6文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.031

文章編號：1673-4874（2021）01-0110-03

0引言

裝配式組合鋼板梁橋結(jié)構(gòu)中，通常由鋼板梁和混凝土橋面板組合而成。鋼板梁處于拉伸區(qū)域，在該區(qū)域可充分發(fā)揮鋼材延性好和強(qiáng)度高的特點，混凝土橋面板處于受拉區(qū)，在此區(qū)域可發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高的特點。兩種材料通常由剪力連接件進(jìn)行連接，剪力連接件的連接形式和力學(xué)性能會直接影響工程整體質(zhì)量。因此，對剪力連接件的受剪性能研究具有重要意義。

1研究背景

剪力連接件作為連接裝配式組合鋼板梁橋中的重要部件，其主要作用是承擔(dān)兩種不同材料之間的縱向水平力，限制相互滑移以保證梁橋中的各材料能在指定受力位置承擔(dān)荷載，以便充分發(fā)揮材料力學(xué)性能。按照連接效果的強(qiáng)弱進(jìn)行區(qū)分，剪力連接件一般可分為剛性抗剪連接件和柔性抗剪連接件兩種。前者在荷載作用下完全不允許有相對滑移，后者在荷載作用下則允許有一定的滑移值[1]。

栓釘作為最常見的剪力連接件，在現(xiàn)澆式組合鋼板梁橋中得到了大量的應(yīng)用。但在裝配式組合鋼板梁橋中，使用螺栓代替栓釘作為剪力連接件可大大簡化梁橋的安裝過程，減少現(xiàn)場濕作業(yè)，提高作業(yè)效率，不過螺栓連接件在實際工程中依舊存在一定的不足之處。在傳統(tǒng)裝配式組合鋼板梁橋?qū)嶋H裝配過程中，由于各部件在生產(chǎn)時可能存在尺寸誤差，可能會出現(xiàn)混凝土橋面板與鋼梁孔位對中精度較低、孔道質(zhì)量較差等問題，導(dǎo)致螺栓連接件安裝困難，結(jié)構(gòu)剛度下降?；谏鲜鰡栴}，本文提出一種預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu)，通過ABAQUS有限元軟件建立了11個推出試件并進(jìn)行模擬靜力加載。模型主要考慮了預(yù)緊力大小、界面摩擦系數(shù)、螺栓強(qiáng)度等級、螺栓直徑和混凝土強(qiáng)度等參數(shù)對螺栓抗剪性能的影響，明確了螺栓的受力機(jī)理，為后續(xù)工程設(shè)計提供參考依據(jù)。

2有限元模型介紹

2.1推出試件模型尺寸

本模型參考?xì)W洲規(guī)范EC4[8]中給出的推出試件參考尺寸，模型設(shè)計見圖1所示，圖中預(yù)埋鋼板所在位置已用文字標(biāo)明。

2.2本構(gòu)關(guān)系

混凝土本構(gòu)關(guān)系采用軟件內(nèi)提供的塑性損傷模型（CDP），膨脹角為30°，偏心率為0.1，雙單軸抗壓強(qiáng)度比為1.16，形狀參數(shù)為0.667，黏性系數(shù)為0.0005?；炷潦軌汉褪芾袨榫鶇⒖肌痘炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010）[2]。

為簡化模型，鋼梁、預(yù)埋鋼板和鋼筋在本模型中均采用相同本構(gòu)關(guān)系。考慮到螺栓受到0.15斷裂應(yīng)變的限制，因此認(rèn)為當(dāng)螺栓所受應(yīng)力超出最大彈性應(yīng)力后，材料進(jìn)入完全塑性階段，使用雙線性本構(gòu)關(guān)系能更好地體現(xiàn)其受力特性[3]。其中螺栓強(qiáng)度等級參照《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB50017-2017）[4]，取名義屈服強(qiáng)度作為其抗拉強(qiáng)度。

2.3單元類型及網(wǎng)格劃分

由于試件為對稱結(jié)構(gòu)，為節(jié)約計算成本僅對推出試件以H型鋼中線為對稱軸建立半結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析。除鋼筋籠采用三維二節(jié)點桁架線性單元T3D2以外，其余所有部件均采用三維八節(jié)點實體線性減縮積分單元C3D8R。為保證計算精度，模型在各部件螺栓孔洞附近采用約5mm網(wǎng)格進(jìn)行加密，模型網(wǎng)格劃分見圖2。

2.4分析步設(shè)置及加載方式

本模型共設(shè)置3個分析步，lnitial、Step 1和Step 2。Initial為初始分析步，主要完成各接觸與約束的建立，Step 1分析步中通過螺栓荷載（Bolt load）選項施加指定預(yù)緊力，在Step 2分析步，將螺栓長度固定（Fix at current position），并對鋼梁頂端施加Y軸位移荷載。

2.5破壞準(zhǔn)則

由于模型本構(gòu)中未設(shè)置下降段，需對模型建立統(tǒng)一的破壞準(zhǔn)則以便進(jìn)行結(jié)果分析。Oehlers[5]通過試驗指出栓釘破壞時的最大滑移與直徑成正比例，結(jié)合有限元模型計算結(jié)果，本文定義螺栓滑移達(dá)到直徑的0.25倍時，認(rèn)為螺栓發(fā)生破壞。

2.6模型參數(shù)設(shè)計

模型以預(yù)緊力大小、界面摩擦系數(shù)、螺栓強(qiáng)度等級、螺栓直徑和混凝土強(qiáng)度等級共5個參數(shù)進(jìn)行分析，各模型詳細(xì)參數(shù)設(shè)計見表1。

3模型計算結(jié)果與分析

各試件荷載-滑移曲線（P-S曲線）見圖3。由圖3可知，各對照組曲線變化趨勢基本一致，可大致分為以下4個階段：

（1）豎直段：在加載過程初期，由于外部荷載未能突破界面摩擦力，因此鋼梁與混凝土板幾乎沒有相對滑移。

（2）平臺段：當(dāng)荷載突破界面摩擦力后，鋼梁開始進(jìn)入荷載平臺段。該段曲線主要是由于鋼梁孔洞與螺栓之間存在的空隙，以及螺栓和預(yù)埋鋼板之間存在的空隙造成。

（3）彈性段：在該階段螺栓開始承載，相對滑移與荷載呈線性增加的趨勢。

（4）塑性段：當(dāng)荷載增加至約0.8倍試件極限承載力時，進(jìn)入塑性階段。該階段荷載增量開始降低，曲線逐漸趨向于平直，試件整體剛度不斷退化，直至試件破壞。

下面分別對各組參數(shù)進(jìn)行分析：

（1）預(yù)緊力大小

預(yù)緊力大小對照組見圖3（a）。由圖可知，對螺栓施加較大的預(yù)緊力時，鋼梁突破界面摩擦?xí)r的荷載也隨之增大。但當(dāng)螺栓開始承載階段后，該對照組各試件變化基本一致，其抗剪承載力未出現(xiàn)明顯區(qū)別。

（2）界面摩擦系數(shù)

界面摩擦系數(shù)對照組見圖3（b）。由圖可知，當(dāng)界面摩擦系數(shù)增加時，鋼梁突破界面摩擦力時的荷載也隨之增大。但當(dāng)螺栓開始承載后，其抗剪極限承載力未出現(xiàn)明顯區(qū)別。

（3）螺栓強(qiáng)度等級

螺栓強(qiáng)度等級對照組見圖3（c）。由圖可知，在S2試件高強(qiáng)螺栓抗拉強(qiáng)度較S1、P2試件大25.00%和40.63%的基礎(chǔ)上，S2試件極限強(qiáng)度較S1和P2分別提升20.79%和33.97%。說明試件抗剪極限承載力與螺栓抗拉強(qiáng)度呈正比關(guān)系。

（4）螺栓直徑

螺栓直徑對照組見圖3（d）。由圖可知，在D2試件所用螺栓截面面積較D1、S1試件大23.46%和56.25%的基礎(chǔ)上，其極限承載力分別較D1、S1試件提升了23.03%和47.33%，極限承載力增幅與螺栓截面面積增幅基本一致。另外，根據(jù)本章節(jié)所定義的破壞準(zhǔn)則，直徑較大的螺栓破壞時相對滑移也相對較大，因此D2試件極限滑移較D1、S1增加了7.69%和429%。

（5）混凝土強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度等級對照組見圖3（e）。由圖可見，采用不同混凝土強(qiáng)度的試件P-S曲線變化趨勢和極限抗剪承載力基本一致。分析其原因是由于預(yù)埋鋼板的作用，在加載過程中并未直接作用在混凝土橋面板上受到螺栓傳遞的荷載，混凝土橋面板所受集中應(yīng)力較小，故混凝土強(qiáng)度對試件抗剪性能無明顯影響。

4結(jié)語

（1）螺栓連接件的抗剪強(qiáng)度主要受螺栓強(qiáng)度和螺栓直徑的影響，螺栓極限抗剪承載力主要與螺栓的抗拉強(qiáng)度和截面面積成正比關(guān)系。

（2）界面摩擦系數(shù)和螺栓預(yù)緊力主要影響試件摩擦力階段，鋼梁突破摩擦力時的荷載大小隨界面摩擦系數(shù)和螺栓預(yù)緊力增大而增大。

（3）由于試件中預(yù)埋鋼板的存在，使得混凝土在承載過程中未出現(xiàn)損壞現(xiàn)象。本文所提出的預(yù)埋鋼板式橋面板結(jié)構(gòu)在提高了裝配式組合鋼板梁橋面板開孔精度和質(zhì)量的同時，亦可充分發(fā)揮螺栓連接件的抗剪性能，減少材料浪費。

參考文獻(xiàn)

[1]李建軍，王碩.組合梁中剪力連接件概述[J].浙江建筑，2008（4）：10-11，19.

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[3]Liu X，Bradford M A，Lee M SS. Behavior of High- Strength Friction-Grip Bolted Shear Connectors in Sustainable Composite Beams[J].Journal of Structural Engneeing，2014，141（6）：04014149.

[4]GB50017-2017，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)[S].

[5]Oehlers D J，Coughlan C G. The shear stiffness of stud shear connections in composite beams[J]. Journal of Constructional Steel Research，1986，6（4）：273-284.