摘要：栓钉连接件在实际应用的过程中经常是在用于混凝土板和钢梁之间的纵向剪力中，现在有关研究工作人员在这些方面有着相对深入的研究，文章就此进行性能分析研究。
关键字：混凝土受拉状态；组合梁；栓钉连接件
1、前言
混凝土受拉状态下栓钉的承载力会由于破坏控制问题而出现一些问题，在这样的情况下剪切强度会随着栓钉直径的增加而逐渐提高，与此同时配筋率却没有相当的提高。
2、相关背景概述
栓钉连接件是实现钢-混凝土组合梁共同工作,传递二者纵向剪力和掀起作用的关键部件。而承载力和刚度是栓钉连接件的重要指标。栓钉连接件的性能一般是通过推出试验或梁式试验结果得到的。有关研究人员通过分析比较认为:推出试验的结果是梁式试验的下限,组合梁中栓钉连接件的性能可以用推出试验结果来表述。各国规范均以推出试验结果作为确定栓钉承载力的依据。目前,国内外对栓钉承载力和刚度的研究主要集中在混凝土受压区,对于混凝土受拉状态下的研究较少。我国钢结构设计规范给出组合梁负弯矩区栓钉连接件承载力为正弯矩区的0.9倍,原因是负弯矩区混凝土受拉开裂,对栓钉的约束程度降低,导致栓钉承载力折减。通过5组18个试件的反向推出试验也得到类似的结论。对栓钉连接件刚度的研究,大部分学者认为比混凝土受压状态下略低,但均没有给出定量的说明。本文利用大型有限元分析软件ABAQUS6.5,在同时考虑栓钉直径、混凝土强度和配筋率的基础上,对12个试件进行了反向推出模拟,以比较各因素对栓钉连接件承载力和刚度的影响。
3、ABAQUS分析模型
为了比较栓钉直径、混凝土强度和配筋率对栓钉承载力和剪切刚度的影响,建立如图1所示的有限元模型来模拟反向推出试验。试验中将试件分为A,B,C,D四组,共11个,本文分析中,混凝土材料采用ABAQUS自带的损伤塑性模型(Concretedamagedplasticity),该模型使用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非线性行为。是一种基于连续介质的损伤模型。在反向推出试验中,混凝土应力分量以受拉为主。在理论分析中为简化起见,常将钢材的应力-应变曲线理想化,对于不同性能、不同用途的钢材选用合适的应力-应变曲线,常用的有:双直线模型、三折线模型、双斜线模型及双斜线加曲线模型。根据文献研究表明,在推出试验中,模型破坏时,混凝土达到极限强度,而钢材均处于弹性受力阶段。故钢材采用双直线模型,即理想弹塑性模型。当混凝土材料进入塑性状态后,其刚度降低,ABAQUS中用受拉损伤指标dt和受压损伤指标dc来描述。dt和dc由混凝土进入塑性状态的程度来决定,其值由混凝土本身的性质以及混凝土发生损伤后的应力水平确定。ABAQUS中,对于混凝土中钢筋有两种模拟方法:其一是在混凝土中定义REBAR,REBAR本身不是单元,其作用相当于基于一维应变理论的杆单元;其二是在主体单元中定义嵌入单元(EMBEDDEDELEMENT),它可以在模型中的某一/主体/单元定义单个的或成组的嵌入单元,也可以模拟混凝土中的加强筋。因此本文采用第二种模型中的桁架单元T3D2。另外,本文选用实体单元中缩减积分的三维八节点C3D8R,作为H型钢梁、混凝土板以及栓钉的单元类型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆近年来,设计中出现了用高配筋代替预应力、用裂纹宽度限值代替拉应力限值的转变,在连续结合梁的负弯矩区采用高配筋(3%以上),允许混凝土开裂,裂纹宽度控制在0.2mm以下.现有组合结构规范(如BS5400和ECCS等)在混凝土受压状态下对连接件的静、动承载力都有规定(尽管具体数值差别较大),而且还规定了测连接件承载力的试验方法.笔者也曾做过许多试验研究],成果已用于芜湖长江大桥等.但对于混凝土受拉状态下的连接件既没有规定承载力,也没有规定承载力测试方法.有些文献中建议混凝土受拉区的连接件承载力取受压状态下的80%,笔者认为缺乏依据.我国铁路结合梁中,钢构件大多采用14MnNbq,混凝土为C50,连接件为22栓钉.为研究铁路结合梁混凝土受拉状态下22栓钉的承载能力,作者采用反向推出法,做了多组对比试验,为设计提供依据.
4、数据分析
利用有限元分析软件ABAQUS,考虑混凝土强度、栓钉直径及配筋率的影响下,经有限元分析得出反向推出试验模型变形后切面和栓钉变形如图2所示,典型的栓钉连接件荷载-滑移关系曲线如图3所示。有限元分析表明,在混凝土强度小于C50时,反向推出试验模型的破坏形式均为混凝土压坏,栓钉连接件没有达到屈服强度,从而证实了钢材采用理想弹塑模型的正确性。混凝土强度和栓钉直径对混凝土受拉区栓钉抗剪承载力影响较为显著,而配筋率对其影响较小。随着混凝土强度、栓钉直径及配筋率的提高,栓钉连接件的剪切刚度逐渐增大,对于<13~<19的栓钉连接件,当混凝土强度等级小于C50时,剪切刚度在150kN/mm~250kN/mm之间。通过对比得出,有限元模拟的栓钉承载力比文献连接件承载力的影响较大,如图4和图5所示,随着栓钉直径和混凝土强度的增大,栓钉承载力近似线性增加。如图6所示,当栓钉直径和混凝土强度不变时,配筋率对栓钉连接件承载力也有影响,但相对较小。本次模拟结果比按现行规范计算值偏大,与文献和现行规范吻合较好。同时,由于目前仅有对4组11个试件的模拟,对比试验较少,无法进行回归分析,在使用时应慎重。试验时,每排栓钉所在的横向截面上都装上4个千分表.每个千分表底座固定在钢构件上,指针指在一个小钢片上,该小钢片固定在混凝土板上,以此测钢与混凝土之间的滑移u.还用机测测了每块混凝土板两侧内、外边缘的应变.但混凝土开裂后,该读数变得无意义.荷载分级施加.每级荷载施加半小时后读数.但最后达到极限状态时,荷载、滑移不再一一对应,荷载在减小,而滑移在增加.极限荷载是指加载过程中达到的最大荷载。实测所得的极限荷载和平均单钉的承载力列于表1.各试件的P2u曲线见图3～7.P2u曲线中P为总荷载,u为栓钉所在截面钢与混凝土的相对位移,即滑移值.u的取值,A试件为每个截面4个表的平均值,B、C试件为2个截面8个表的平均值.表2为各组试件的单钉荷载p与滑移u的关系,p与u都取各组试件的平均值.图8是各组试件的平均p2u曲线,p为单钉荷载,其中虚线为22栓钉单向推出试验(混凝土受压)的p2u曲线[5,6].由这些曲线可见,当荷载P在200KN(σc平均=1.75MPa)以下时,P2u大致成线性关系,200KN以后曲线逐渐变弯,300KN以后位移u的增加明显加速.当P=350KN(σc平均=3.07MPa)时,混凝土板表面已有可见横向裂纹.裂纹首先出现在栓钉所在截面内侧.随着荷载的增加,横向裂纹逐渐由混凝土板的内侧向外扩展,裂纹数量也不断增加,但裂纹宽度发展较缓慢.直至试验结束,A试件混凝土外侧表面始终无裂纹出现,而B、C试件混凝土外表面也有较多的横向裂纹.C试件横向裂纹最多,且内、外、左、右贯通。
5、结束语
混凝土在受拉的条件下栓钉极限压力由混凝土破坏控制，因而就会和混凝土当中的应力分布成都和水平有着直接相关的分析，但是受拉状态下栓钉强度会显著降低。
参考文献：
[1]张雷剑.大跨度波形钢腹板—粉末混凝土（RPC）组合梁栓钉抗剪连接研究[D].华南理工大学,2018.
[2]李志.钢筋混凝土梁-板子结构抗连续性倒塌性能研究[J].工程力学,2019,36(6).
论文作者:包俊伟 宋亚奇 李少博 潘会忠 刘烨
论文发表刊物:《建筑实践》2019年11期
论文发表时间:2019/10/30
标签：混凝土论文; 承载力论文; 荷载论文; 连接件论文; 模型论文; 裂纹论文; 强度论文; 《建筑实践》2019年11期论文;