可拆卸鋼-混凝土組合梁抗剪性能有限元分析

孔繁韜 何 建

（重慶三峽學(xué)院土木工程學(xué)院，重慶 404120）

0 引言

鋼-混凝土組合梁是一種通過抗剪連接件將鋼梁和混凝土板連接在一起的組合結(jié)構(gòu)［1］，其充分發(fā)揮了鋼材和混凝土各自的優(yōu)勢，具有承載能力高、自重輕、延性好的優(yōu)點(diǎn)［2］。傳統(tǒng)的鋼-混凝土組合梁大多采用焊接在鋼梁上翼緣的栓釘作為抗剪連接件，并在施工現(xiàn)場澆筑混凝土板，然而大量研究與工程實(shí)例表明，現(xiàn)澆的鋼-混凝土組合梁在施工過程中需要進(jìn)行大量的現(xiàn)場濕作業(yè)，在拆除過程中又難以實(shí)現(xiàn)鋼梁和混凝土板的分離，施工效率低、成本高，且會(huì)造成大量的施工揚(yáng)塵和建筑垃圾。隨著現(xiàn)階段建筑工業(yè)化進(jìn)程的加快和城市可持續(xù)發(fā)展的需求，有學(xué)者提出所有構(gòu)件均在工廠預(yù)制生產(chǎn)，并采用螺栓作為抗剪連接件，現(xiàn)場進(jìn)行拼裝，實(shí)現(xiàn)組合梁在全生命周期的可裝配、可拆卸，施工速度快、成本低，且減少了結(jié)構(gòu)在建造和拆除過程中對環(huán)境的污染，實(shí)現(xiàn)了建筑與自然和諧共存［3］?；诖?，本研究采用ABAQUS 軟件，建立了螺栓連接件的推出試件有限元模型，對螺栓連接件的抗剪性能進(jìn)行研究，分析混凝土板強(qiáng)度、螺栓強(qiáng)度和螺栓預(yù)緊力大小對抗剪性能的影響，為可拆卸鋼-混凝土組合梁的應(yīng)用提供一定的參考。

1 有限元模型的建立

1.1 試件設(shè)計(jì)

參照Eurocode 4［4］，設(shè)計(jì)了螺栓連接件的靜力推出試件。試件由混凝土板、H 型鋼梁和螺栓連接件組成，混凝土板采用C50 普通混凝土；螺栓連接件采用強(qiáng)度等級為10.9 級的M16 高強(qiáng)螺栓；鋼梁選用Q345 級的H 型鋼，型鋼尺寸為H250 mm×250 mm×9 mm×14 mm；鋼筋籠采用直徑為10 mm的HRB335 級熱軋鋼筋。具體試件及鋼筋布置如圖1所示。

圖1 推出試件尺寸圖（單位：mm）

1.2 材料參數(shù)

混凝土采用ABAQUS 自帶的損傷塑性模型模擬，膨脹角φ=30°，偏心率λ=0.1，fb0/fc0=1.16，K=0.667，黏性系數(shù)為0.001，本構(gòu)曲線參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）［5］定義。鋼筋的本構(gòu)采用理想彈塑性模型來進(jìn)行表征，鋼梁、螺栓連接件采用應(yīng)力強(qiáng)化模型進(jìn)行表征，鋼材的彈性模量均為206×103MPa，泊松比μ均為0.3，鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 鋼材應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

1.3 單元選取與邊界條件

由于結(jié)構(gòu)、荷載及邊界條件的對稱性，取整體模型的1/4 建模。混凝土板、鋼梁和螺栓連接件采用實(shí)體單元C3D8R 模擬，鋼筋采用桁架單元T3D2模擬，網(wǎng)格劃分時(shí)將應(yīng)力情況復(fù)雜的部位，如螺栓與鋼梁接觸部位、螺栓與混凝土接觸部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。鋼筋采用Embedded 的方式嵌入混凝土板中，其余部件之間均采用表面與表面接觸，接觸屬性切向采用“罰”函數(shù)，摩擦系數(shù)μ＝0.5，法向采用“硬”接觸。

對兩個(gè)對稱面施加對稱邊界條件，將混凝土板底面與參考點(diǎn)RP1 耦合，并約束住x、y、z方向的所有自由度。將鋼梁頂面與參考點(diǎn)RP2耦合，并對參考點(diǎn)施加沿z負(fù)方向50 mm 的位移荷載，直至破壞，有限元計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 有限元計(jì)算模型

2 抗剪性能有限元分析

2.1 破壞模式

試件的最終破壞模式為鋼-混凝土交界面處螺栓剪斷，如圖4（a）所示，螺栓全截面達(dá)到抗拉強(qiáng)度，表明在鋼-混凝土交界面處螺栓發(fā)生剪斷破壞，同時(shí)螺栓下方混凝土出現(xiàn)受壓損傷，由圖4（b）可見，螺栓下方混凝土的受壓損傷因子已達(dá)0.9，可以認(rèn)為混凝土發(fā)生受壓損傷。

圖4 破壞模式

2.2 荷載-滑移曲線

試件的荷載-滑移曲線如圖5 所示，螺栓連接件的抗剪過程大致可以分為3個(gè)階段。

圖5 荷載-滑移曲線

2.2.1 摩擦抗剪階段。此階段為螺栓預(yù)緊力所產(chǎn)生的摩擦力抗剪，此時(shí)鋼-混凝土界面滑移量較小，可以忽略不計(jì)，曲線呈線性上升，鋼-混凝土界面摩擦力被克服時(shí)的荷載即為抗滑移荷載P0。

2.2.2 螺桿承壓抗剪階段。外荷載克服鋼-混凝土界面摩擦后，鋼-混凝土之間滑移量增大，螺栓在螺孔內(nèi)承壓抗剪，曲線呈近似直線上升。

2.2.3 塑性階段。隨著外荷載的持續(xù)增大，螺栓發(fā)生屈服，曲線斜率減小，最終螺栓剪斷，試件破壞，單個(gè)螺栓連接件所承擔(dān)的最大荷載即為極限抗剪承載力Pu。

3 參數(shù)分析

3.1 混凝土板強(qiáng)度的影響

為研究混凝土板強(qiáng)度對可拆卸鋼-混凝土組合梁中螺栓連接件抗剪性能的影響，選取C30、C40、C50、C60 和C70 五種強(qiáng)度的混凝土進(jìn)行模擬分析。荷載-滑移曲線對比如圖6 所示，抗滑移荷載P0和極限抗剪承載力Pu對比如圖7 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)不同混凝土板強(qiáng)度對應(yīng)的荷載-滑移曲線基本重合，混凝土板強(qiáng)度對螺栓連接件的抗滑移荷載P0和極限抗剪承載力Pu幾乎沒有影響，究其原因在于所施加的螺栓預(yù)緊力相同，克服鋼-混凝土界面摩擦力所需的荷載相同，故抗滑移荷載P0變化不大，在發(fā)生螺桿剪斷破壞時(shí)，抗剪承載力主要取決于螺栓連接件自身性能，故極限抗剪承載力Pu變化不大。

圖6 不同混凝土強(qiáng)度荷載-滑移曲線對比

圖7 混凝土強(qiáng)度對抗滑移荷載和極限抗剪承載力的影響

3.2 螺栓強(qiáng)度的影響

為研究螺栓強(qiáng)度對可拆卸鋼-混凝土組合梁中螺栓連接件抗剪性能的影響，選取5.6 級、6.8 級、8.8 級、10.9 級和12.9 級的螺栓連接件進(jìn)行模擬分析。荷載-滑移曲線對比如圖8 所示，抗滑移荷載P0和極限抗剪承載力Pu對比如圖9所示。由圖9可知，螺栓強(qiáng)度的改變對抗滑移荷載P0幾乎沒有影響，這是因?yàn)槭┘恿讼嗤念A(yù)緊力。極限抗剪承載力Pu與螺栓強(qiáng)度大致上呈線性關(guān)系，采用12.9 級、10.9 級、8.8 級、6.8 級的螺栓相較于采用5.6 級的螺栓，極限抗剪承載力Pu分別增長了68.5%、53.3%、34.6%和14.8%，極限抗剪承載力隨螺栓強(qiáng)度的增加而顯著增加。

圖8 不同螺栓強(qiáng)度荷載-滑移曲線對比

圖9 螺栓強(qiáng)度對抗滑移荷載和極限抗剪承載力的影響

3.3 螺栓預(yù)緊力的影響

為研究螺栓預(yù)緊力大小對可拆卸鋼-混凝土組合梁中螺栓連接件抗剪性能的影響，分別對螺栓連接件施加了40 kN、60 kN、80 kN、100 kN 和120 kN的預(yù)緊力。荷載-滑移曲線對比如圖10 所示，抗滑移荷載P0和極限抗剪承載力Pu對比如圖11 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，抗滑移荷載P0隨施加的預(yù)緊力的增長呈線性增長，施加120 kN、100 kN、80 kN和60 kN的預(yù)緊力相較于施加40kN 的預(yù)緊力，抗滑移荷載P0分別增長了60.7%、46.4%、28.6%和14.3%，這是因?yàn)槭┘拥念A(yù)緊力越大，鋼-混凝土界面的摩擦力越大。極限抗剪承載力Pu變化較小，螺栓預(yù)緊力對極限抗剪承載力影響較小。

圖10 不同螺栓預(yù)緊力荷載-滑移曲線對比

圖11 螺栓預(yù)緊力對抗滑移荷載和極限抗剪承載力的影響

4 結(jié)語

采用ABAQUS 有限元軟件，對可拆卸鋼-混凝土組合梁中螺栓連接件的抗剪性能進(jìn)行研究，分析混凝土板強(qiáng)度、螺栓強(qiáng)度和螺栓預(yù)緊力大小對抗剪性能的影響，結(jié)果表明：推出試件的最終破壞模式為螺栓剪斷，同時(shí)螺栓下方混凝土出現(xiàn)受壓損傷；螺栓連接件的抗剪過程可以分為摩擦抗剪階段、螺桿承壓抗剪階段和塑性階段；當(dāng)發(fā)生螺桿剪斷破壞時(shí)，混凝土板強(qiáng)度的改變對抗剪性能影響較小；螺栓的極限抗剪承載力隨螺栓強(qiáng)度的增加而增加，且增加顯著；施加更大的螺栓預(yù)緊力可以在鋼-混凝土界面獲得更大的摩擦力，從而獲得更大的抗滑移荷載。