橡膠對(duì)剪力釘群的力學(xué)性能影響研究

黃彩萍 游文峰 翟凱凱 楊艷霜

（湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院, 武漢 430068）

鋼-混凝土組合梁由于自重輕、截面尺寸小、節(jié)省模板和支模工序、用鋼量小、剛度大、穩(wěn)定性和整體性好等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于橋梁和建筑結(jié)構(gòu).此種組合梁主要通過(guò)在鋼梁和混凝土翼緣板之間設(shè)置剪力連接件(栓釘、槽鋼、彎筋等),抵抗兩者在交界面處的掀起及相對(duì)滑移,使之成為一個(gè)整體共同工作.剪力釘是目前應(yīng)用最為廣泛的一種剪力連接件,所以剪力釘?shù)牧W(xué)性能十分重要[1-2].

在組合結(jié)構(gòu)中剪力釘是以群釘?shù)男问降挚辜袅Φ?相關(guān)研究結(jié)果[3]表明,剪力釘群的受力呈馬鞍型,即兩頭大中間小,受力較為不均勻.群釘中任意一枚剪力釘破壞意味著整個(gè)抗剪連接件即將失效,目前已有大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)如何改善剪力釘群受力不均勻的特性進(jìn)行了相關(guān)研究[4-7].研究結(jié)果顯示有多種可行方法能夠改善剪力釘群的受力不均勻性,一是直接降低剪力釘?shù)目辜魟偠?；二是通過(guò)改善混凝土延性和抗裂性,間接提高剪力釘?shù)目辜舫休d力等.

韓慶華等[6]在混凝土中摻入不同含量的橡膠來(lái)提高混凝土的延性,對(duì)預(yù)埋在橡膠混凝土中的剪力釘連接件進(jìn)行了18次推出試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明摻入橡膠后的混凝土剛度降低,使得剪力釘?shù)钠茐母哐有?劉玉擎等[7-12]將橡膠套和剪力釘組合在一起代替普通剪力釘,并對(duì)其力學(xué)行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬,研究結(jié)果顯示調(diào)整橡膠套的長(zhǎng)度可顯著降低剪力釘?shù)膭偠?以上研究對(duì)象一般為單枚剪力釘,而實(shí)際工程中剪力釘往往是以群釘?shù)男问皆O(shè)置于鋼-混結(jié)合面上,橡膠套對(duì)群釘受力性能的影響尚不得而知.黃彩萍等[13]選取不同厚度和長(zhǎng)度的橡膠材料對(duì)剪力釘根部進(jìn)行外包,形成橡膠套-剪力釘群組合抗剪連接件,通過(guò)推出試驗(yàn)分析了橡膠套-剪力釘群試件的破環(huán)形態(tài)、極限承載力、荷載-滑移規(guī)律和剪切剛度等受力性能.研究發(fā)現(xiàn),橡膠套-剪力釘群的極限抗剪承載力均大于普通剪力釘群的極限抗剪承載力；橡膠的設(shè)置降低了剪力釘群的抗剪剛度,使得每個(gè)剪力釘?shù)氖芰呌诰鶆?

上述研究大部分為試驗(yàn)研究,文獻(xiàn)[6-12]的研究對(duì)象為單枚剪力釘試件,文獻(xiàn)[13]中的連接件為橡膠套剪力釘群連接件,由于測(cè)點(diǎn)布置和測(cè)試手段的局限性,且文獻(xiàn)[13]并未進(jìn)行數(shù)值分析,所以橡膠對(duì)剪力釘群受力不均勻性的改善效果并沒(méi)有量化.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,有限元數(shù)值仿真計(jì)算在工程領(lǐng)域中的使用越來(lái)越廣泛.本文采用有限元計(jì)算軟件Abaqus分別對(duì)橡膠套剪力釘群組合剪力連接件和橡膠混凝土中的剪力釘群進(jìn)行數(shù)值分析,對(duì)比研究橡膠套和橡膠混凝土對(duì)剪力釘群受力性能的影響.

1 試驗(yàn)概況與研究對(duì)象

文獻(xiàn)[13]選取不同尺寸的橡膠材料對(duì)剪力釘根部進(jìn)行外包,形成橡膠套剪力釘組合剪力連接件,并進(jìn)行了推出試驗(yàn),試件中橡膠的長(zhǎng)度分別為50、100、150 mm,厚度為4 m,鋼結(jié)構(gòu)材料為Q235B,混凝土材料為C50,剪力釘直徑為22 mm,材料為ML15,試件具體尺寸如圖1(a)所示.文獻(xiàn)[6]將橡膠摻入混凝土來(lái)形成橡膠混凝土,對(duì)不同橡膠摻量的試件進(jìn)行了推出試驗(yàn),試件中橡膠的摻量分別為5%、10%、15%,鋼結(jié)構(gòu)材料為Q235B,混凝土材料為C30,剪力釘直徑為16 mm,試件具體尺寸如圖1(b)所示.

圖1 推出試件構(gòu)造圖(單位:mm)

2 剪力釘極限承載力和破壞機(jī)理分析

2.1 極限承載力

1)橡膠套-剪力釘

文獻(xiàn)[13]以推出試驗(yàn)所得荷載-滑移曲線中的最大剪力定義為試件的極限承載力,見(jiàn)表1.橡膠套-剪力釘群的抗剪承載力較普通剪力釘均有不同程度的提高,特別是當(dāng)橡膠套長(zhǎng)度為剪力釘高度的1/2時(shí),提高效果最佳,提高幅度達(dá)到19%.由此可見(jiàn),在剪力釘根部外包橡膠套是一種能夠有效提高其抗剪承載力的方法.

表1 橡膠套試件的抗剪承載力

2)橡膠混凝土

文獻(xiàn)[6]推出試驗(yàn)所得剪力釘抗剪承載力見(jiàn)表2.橡膠混凝土中的單釘抗剪承載力較普通剪力釘均有不同程度的降低.當(dāng)橡膠摻量為15%時(shí),剪力釘?shù)目辜舫休d力大幅下降,僅為普通混凝土剪力釘試件的80%.由此可見(jiàn),在混凝土中摻入橡膠會(huì)降低剪力釘?shù)目辜舫休d力.

表2 橡膠混凝土試件的抗剪承載力

2.2 荷載-滑移曲線及抗剪剛度

圖2為文獻(xiàn)[13]推出試驗(yàn)中不同長(zhǎng)度橡膠套的剪力釘群荷載-滑移曲線；圖3為文獻(xiàn)[6]推出試驗(yàn)中不同摻量橡膠混凝土的單釘荷載-滑移曲線；有限元對(duì)比分析見(jiàn)下節(jié).

圖2 橡膠套-剪力釘荷載-滑移曲線

圖3 橡膠混凝土荷載-滑移曲線

本文以鋼-混結(jié)合面荷載-滑移曲線在滑移量為0.2 mm 處的割線斜率作為剪力釘?shù)目辜魟偠?橡膠套-剪力釘群和橡膠混凝土單釘?shù)目辜魟偠纫?jiàn)表3～4.從表3和表4可以看出,橡膠套的設(shè)置和在混凝土中摻入橡膠都使得剪力釘?shù)目辜魟偠冉档?橡膠套對(duì)剪力釘群抗剪剛度的降低幅度約為20%～30%,在混凝土中摻入橡膠使得橡膠混凝土中的單釘抗剪剛度有很大程度的降低,當(dāng)橡膠摻量為15%時(shí),單釘?shù)目辜魟偠葍H為普通混凝土中剪力釘?shù)?6%.

表3 橡膠套試件的抗剪剛度

表4 橡膠混凝土試件的抗剪剛度

2.3 破壞機(jī)理

在文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[6]中,所有試件均是以剪力釘被剪斷宣告破壞的,但橡膠套-剪力釘群試件中的混凝土出現(xiàn)了大面積的開(kāi)裂,而橡膠混凝土剪力釘試件中混凝土較為完好.

圖4分別為橡膠套-剪力釘群試件和橡膠混凝土試件的剪切斷面.如圖4(a)所示,所有橡膠套剪力釘均從根部被剪斷,其上邊緣的混凝土留有大小不同的凹槽,下邊緣的混凝土由于受到較大壓力出現(xiàn)局部破損,呈松散的白色粉末狀,剪力釘?shù)闹饕茐奶卣鳛閺澕羝茐?橡膠混凝土單釘試件的剪切斷面如圖4(b)所示,剪力釘上邊緣的混凝土無(wú)明顯破壞現(xiàn)象,下邊緣的混凝土同樣呈松散的白色粉末狀,試件主要破壞特征為剪力釘被剪斷.

圖4 試驗(yàn)所得剪力釘?shù)募羟袛嗝?/p>

3 數(shù)值分析

3.1 有限元建模

本文為詳細(xì)研究橡膠對(duì)群釘和單釘組合連接件受力性能的影響,使用有限元軟件ABAQUS/standard模塊分別建立了兩個(gè)不同的有限元計(jì)算模型:①橡膠套-剪力釘群釘模型；②橡膠混凝土單釘模型.

1)所有剪力釘、混凝土、鋼板均采用體單元.根據(jù)橡膠的本構(gòu)關(guān)系,在彈性階段采用體單元模擬橡膠套,在塑性階段,由于橡膠套已受力破壞,參考文獻(xiàn)[9]將橡膠套簡(jiǎn)化為剪力釘和混凝土之間的縫隙.

2)兩種模型中混凝土與剪力釘?shù)慕佑|部位、鋼板與混凝土的接觸部位均設(shè)置接觸單元.

3)鋼構(gòu)件采用圖5所示的雙折線本構(gòu)模型.混凝土采用彈塑性模型進(jìn)行模擬,其單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖6(a)所示,其中混凝土的斷裂能如圖6(b)所示,并按以下公式計(jì)算[14]:

圖5 鋼材本構(gòu)關(guān)系

式中:α取0.03,其它參數(shù)按各自混凝土強(qiáng)度取值.

4)為了準(zhǔn)確模擬橡膠混凝土的受力情況,根據(jù)文獻(xiàn)[6]試驗(yàn)所得不同摻量橡膠混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,摻量為5%、10%、15%的橡膠混凝土初始彈性模量分別為27.9、21.83、14.45 GPa,所有橡膠混凝土的泊松比均為0.3.

橡膠套-剪力釘模型如圖7(a)所示,橡膠混凝土剪力釘模型如圖7(b)所示.

圖7 有限元計(jì)算模型

3.2 試驗(yàn)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

由圖2和圖3可知(有限元計(jì)算值為FEM):1)在橡膠混凝土單釘有限元計(jì)算中,沒(méi)有加入橡膠單元,以改變混凝土的彈性模量來(lái)模擬不同的橡膠摻量,且橡膠混凝土的彈性模量為該試驗(yàn)所得,所以計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測(cè)較為接近.

2)在橡膠套-剪力釘群有限元計(jì)算中,普通剪力釘群的荷載-滑移曲線呈平緩上升狀,設(shè)置橡膠套后,所有橡膠套-剪力釘群的有限元計(jì)算荷載-滑移曲線均出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),在70～80 k N 范圍內(nèi),曲線向上凸起,在80～100 k N 范圍內(nèi),曲線向下內(nèi)凹,當(dāng)荷載超過(guò)100 k N 后,曲線開(kāi)始平緩上升,這與推出試驗(yàn)所得實(shí)測(cè)荷載-滑移曲線的特征相符.

從整體上看,有限元所得橡膠混凝土單釘和橡膠套-剪力釘群的極限抗剪承載力及荷載-滑移規(guī)律與試驗(yàn)較為吻合,說(shuō)明本文采取的有限元建模方法合理,能準(zhǔn)確分析橡膠套及橡膠混凝土對(duì)剪力釘受力性能的影響,為下節(jié)有限元計(jì)算提供了參考方法.

4 橡膠對(duì)剪力釘群力學(xué)性能的影響

4.1 橡膠混凝土群釘有限元計(jì)算模型

文獻(xiàn)[6]和上節(jié)有限元計(jì)算分析了橡膠混凝土中單釘?shù)牧W(xué)性能,但摻入混凝土中的橡膠對(duì)剪力釘群的受力影響尚不明確,本節(jié)按照上節(jié)有限元計(jì)算方法,根據(jù)模型①的構(gòu)件尺寸,取消剪力釘根部的橡膠套,改變混凝土的彈性模量來(lái)模擬不同摻量的橡膠混凝土,建立橡膠混凝土剪力釘群有限元計(jì)算模型③,如圖8所示.對(duì)比模型①和模型③,研究分析橡膠的設(shè)置方式對(duì)剪力釘群力學(xué)性能的影響.

圖8 橡膠混凝土群釘計(jì)算模型(單位:mm)

4.2 橡膠對(duì)荷載-滑移曲線的影響

橡膠套-剪力釘群和橡膠混凝土剪力釘群有限元計(jì)算荷載-滑移曲線如圖9所示.

圖9 不同形式的橡膠剪力釘群荷載-滑移曲線

由圖9可知:

1)對(duì)于橡膠混凝土剪力釘群,當(dāng)橡膠摻量為5%和10%時(shí),群釘中單個(gè)剪力釘?shù)目辜舫休d力較普通剪力釘略有降低；當(dāng)橡膠摻量為15%時(shí),群釘中單個(gè)剪力釘?shù)某休d力出現(xiàn)大幅度的降低；隨著橡膠摻量的增加,鋼-混結(jié)合面最終的滑移量逐漸增大,提高了橡膠混凝土剪力釘群的破壞延性.

2)對(duì)于橡膠套-剪力釘群,橡膠套的設(shè)置使得試件的極限承載力增加,剪力釘群的破壞更具延性.但橡膠套的長(zhǎng)度并非越長(zhǎng)越好,橡膠套過(guò)短會(huì)降低其改善群釘受力不均勻的功效,過(guò)長(zhǎng)則會(huì)影響剪力釘與混凝土之間的粘結(jié).結(jié)合本文的試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果,當(dāng)橡膠套的長(zhǎng)度為剪力釘高度的1/2(h＝100 mm)時(shí),對(duì)剪力釘群的極限抗剪承載力提高效果最佳.

4.3 橡膠對(duì)群釘受力不均勻的改善效果

綜合分析表5和圖10可知:

表5 不同形式橡膠的剪力釘群各層釘剪力匯總

圖10 各類(lèi)剪力釘?shù)暮奢d分配系數(shù)

1)對(duì)于橡膠混凝土剪力釘群,群釘內(nèi)部各層釘分配到的剪力始終呈馬鞍狀,與普通混凝土中剪力釘群的受力狀態(tài)較為相似,說(shuō)明橡膠以摻入混凝土的形式對(duì)剪力釘群受力不均的改善效果不明顯.

2)對(duì)于橡膠套-剪力釘群:在加載前期(0～100 k N):50 mm(剪力釘高度的1/4)和100 mm(剪力釘高度的1/2)的橡膠套能較好地改善剪力釘群的受力不均,150 mm(剪力釘高度的3/4)橡膠套的改善效果次于其他兩種.在加載中期(100～200 k N):50 mm 橡膠套的改善效果開(kāi)始減弱；100 mm 的橡膠套對(duì)剪力釘群受力不均的改善效果依然較好,150 mm 橡膠套的改善效果較加載前期略有提高.在加載后期(300～400 k N):50 mm 和150 mm 的橡膠套已經(jīng)失效,100 mm 橡膠套的剪力釘群各層釘仍保持受力均勻,由此可見(jiàn),橡膠套的長(zhǎng)度取剪力釘高度的1/2(本文為100 mm)對(duì)剪力釘群受力不均的改善效果最佳.

5 結(jié) 論

本文通過(guò)剪力釘群外包橡膠套試件和在混凝土中摻入橡膠形成橡膠混凝土剪力釘試件的推出試驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)值分析,所得結(jié)論如下:

1)在群釘根部設(shè)置橡膠套和在混凝土中摻入橡膠均能降低剪力釘?shù)目辜魟偠?使剪力釘更具延性；外包橡膠套的方式能使群釘內(nèi)部各層剪力釘?shù)氖芰呌诰鶆?有效改善群釘?shù)氖芰Σ痪鶆蛐?從而提高了剪力釘群的抗剪承載力；在混凝土中摻入橡膠使得混凝土強(qiáng)度下降反而降低了剪力釘群的抗剪承載力,且對(duì)群釘?shù)氖芰Σ痪鶆驘o(wú)明顯改善.

2)橡膠套的長(zhǎng)度為剪力釘高度的1/4或3/4時(shí),橡膠套對(duì)剪力釘群受力不均勻的改善只在加載前期有效,當(dāng)荷載超過(guò)一定范圍后,剪力釘群再次出現(xiàn)馬鞍狀的受力狀態(tài),其原因是1/4釘高的橡膠套長(zhǎng)度過(guò)短,橡膠套在加載中期就已完全被破壞,而3/4釘高的橡膠套長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng),降低了剪力釘與混凝土之間的粘結(jié).當(dāng)橡膠套的長(zhǎng)度為剪力釘?shù)?/2時(shí),各層剪力釘?shù)暮奢d分配系數(shù)始終相同,改善效果最為良好,因此在實(shí)際使用中,建議橡膠套的長(zhǎng)度取剪力釘高度的一半最為合適.

3)本文所建立的有限元計(jì)算模型可以較好地模擬推出試驗(yàn)下外包橡膠套的剪力釘群和橡膠混凝土中剪力釘?shù)墓ぷ鳡顟B(tài),為分析橡膠對(duì)剪力釘受力性能的影響提供了一種參考方法.