組合橋面板中短栓釘抗剪性能影響因素分析

基金項目：

2022年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“FRP增強ECC橋面連接板優(yōu)化設(shè)計及力學(xué)性能研究”（編號：2022KY1400）；2023年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“基于拉索減震支座技術(shù)的鐵路連續(xù)梁橋抗震性能研究”（編號：2023KY1440）

作者簡介：

左海平（1990—），碩士，講師，研究方向：工程施工技術(shù)。

摘要：文章采用數(shù)值模擬研究了栓釘直徑、栓釘高度、ECC強度、界面粘結(jié)強度對鋼-ECC組合橋面板中短栓釘抗剪性能的影響。結(jié)果表明：栓釘直徑、ECC強度對短栓釘?shù)目辜舫休d力和抗剪剛度有顯著影響；栓釘高度對短栓釘?shù)目辜舫休d力和抗剪剛度的影響較?。讳?混凝土的界面粘結(jié)強度可以提高抗剪剛度，但對短栓釘?shù)目辜舫休d力的影響可忽略不計；現(xiàn)有規(guī)范評價ECC組合橋面板中短栓釘?shù)目辜舫休d力時過于保守。

關(guān)鍵詞：ECC；短栓釘；抗剪承載力；抗剪剛度

中圖分類號：U443.31文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 27 090 4

0 引言

鋼混組合結(jié)構(gòu)憑借著其可以發(fā)揮材料的力學(xué)性能而被廣泛地應(yīng)用于橋梁工程中。但在負(fù)彎矩區(qū)域容易產(chǎn)生混凝土的裂縫［1-2］。隨著高性能材料在橋梁工程中的不斷應(yīng)用，ECC（工程用水泥基復(fù)合材料）成為解決該問題的主要方法之一。ECC是以水泥、石英砂等為基體的纖維增強復(fù)合材料，與普通混凝土相比具有高強度、高韌性、高抗裂性能和高耐損傷能力［3-4］。在直接拉伸過程中，由于ECC中存在纖維，纖維的橋接作用使得ECC呈現(xiàn)出典型的應(yīng)變硬化特性，一般ECC的材料極限拉應(yīng)變gt;3%。

栓釘連接件是保證鋼-混凝土協(xié)同工作的主要受力構(gòu)件之一，在ECC組合橋面板中短栓釘?shù)玫搅藦V泛的應(yīng)用。短栓釘連接件是最近出現(xiàn)的一種栓釘連接件形式。主要應(yīng)用在組合橋面板中，一般規(guī)定其長徑比lt;4，直徑lt;16 mm，對應(yīng)的混凝土的薄層一般lt;8 cm。針對短栓釘?shù)目辜粜阅芊矫娴难芯浚蠲鹊龋?］開展了UHPC中短栓釘?shù)撵o力推出試驗，分析了栓釘直徑、焊縫對短栓釘抗剪承載力的影響，其研究結(jié)果指出短栓釘?shù)目辜粜阅?/p>

和常規(guī)栓釘存在一定的區(qū)別，并且現(xiàn)有的栓釘計算方法并不適合于短栓釘抗剪承載力的計算。田啟賢等［6］開展了高性能混凝土中短栓釘?shù)撵o力推出試驗，其指出焊縫對短栓釘?shù)某休d力有較大貢獻(xiàn)作用，并且指出我國現(xiàn)行規(guī)范在計算短栓釘抗剪承載力時過于保守。

綜上所述，目前關(guān)于ECC材料中關(guān)于短栓釘?shù)氖芰π阅苎芯枯^少。在此基礎(chǔ)上，本文采用有限元的方式對ECC組合橋面板中的短栓釘抗剪性能開展了參數(shù)分析，分析了短栓釘直徑、高度、ECC強度、界面粘結(jié)強度對短栓釘抗剪性能的影響。

1 試件設(shè)計

本文以歐洲規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)推出試驗設(shè)計圖為例，進行ECC中短栓釘連接件的受力性能分析。短栓釘規(guī)格為13×35 mm。鋼梁采用Q345等級鋼材，厚度均選擇16 mm，ECC板厚選用50 mm，豎向鋼筋和橫向鋼筋采用HRB400等級，直徑為12 mm。為加載方便，在鋼梁頂部制備一個尺寸為320 mm×320 mm×20 mm的加載端板。試件詳細(xì)尺寸如圖1所示。

2 有限元模型

2.1 模型介紹

ECC組合橋面板中短栓釘抗剪性能影響因素分析/

左海平，賴世錦，張 釗，鄧建新

采用ABAQUS軟件對ECC板中短栓釘連接件的靜力性能進行研究，由于推出試件為雙軸對稱試件，因此本文僅建立1/4模型進行分析。鋼梁、栓釘、混凝土、焊縫采用三維實體單元進行模擬，鋼筋采用桁架單元進行模擬。焊縫尺寸根據(jù)現(xiàn)行栓釘尺寸考慮。全部網(wǎng)格劃分為10 mm，在栓釘局部周圍細(xì)化網(wǎng)格為3 mm。在試件底部（混凝土界面）施加固結(jié)約束，在XOY方向和ZOY方向分別施加對應(yīng)的對稱界面約束，在鋼梁頂部形心處建立參考點，將參考點與頂面耦合。在參考點施加位移進行加載。鋼梁和混凝土、栓釘和混凝土之間的相互作用通過面面接觸來模擬，其中鋼-混凝土界面法向設(shè)置為硬接觸，切向設(shè)置為無摩擦接觸。栓釘和混凝界面法向設(shè)置為硬接觸，切向設(shè)置為摩擦接觸。摩擦系數(shù)根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)［7］取0.4。鋼筋直接嵌入混凝土內(nèi)部。試件的有限元模型如圖2所示。

2.2 材料本構(gòu)

ECC混凝土材料采用ABAQUS中的塑性損傷模型。本構(gòu)曲線及材料參數(shù)采用文獻(xiàn)［8］中提出的本構(gòu)曲線，其中受壓本構(gòu)曲線如式（1）所示，受拉本構(gòu)曲線如式（2）所示，損傷因子如式（3）所示。其中，立方體的抗壓強度取38.2 MPa，彈性模量取15.3 MPa，ECC的開裂強度取3.6 MPa，抗拉強度取4.5 MPa，混凝土的泊松比取0.2。

對應(yīng)的本構(gòu)曲線如圖3所示。

鋼材、鋼筋及栓釘采用理想彈塑性本構(gòu)模型，其彈性模量取206 000 MPa，屈服強度分別取345 MPa、400 MPa、350 MPa，極限拉伸強度分別取500 MPa、520 MPa、450 MPa。泊松比取0.3，焊縫參數(shù)和栓釘保持一致。

2.3 破壞模式

如下頁圖4所示展示了ECC中短栓釘?shù)钠茐男螒B(tài)。從圖4中可以明顯看出，在栓釘根部出現(xiàn)了應(yīng)力超限，最終破壞形態(tài)是栓釘及焊縫從根部發(fā)生破壞，ECC板的栓釘孔下側(cè)出現(xiàn)大面積壓潰，ECC板周圍出現(xiàn)較大壓應(yīng)力。如下頁圖5所示給出了對應(yīng)單個栓釘?shù)慕缑?滑移曲線。從圖5中可以看出，短栓釘界面的荷載-滑移量較小，本文模擬的最大荷載為67 kN，對應(yīng)的滑移量僅為3.87 mm。按照目前歐規(guī)規(guī)范要求，短栓釘不滿足塑性設(shè)計要求。因此，短栓釘需要按照彈性要求進行設(shè)計。

3 參數(shù)分析

3.1 栓釘直徑

為明確ECC組合橋面板中短栓釘?shù)氖芰π阅?，開展了不同直徑（10 mm、13 mm及16 mm）下ECC短栓釘抗剪承載力與抗剪剛度分析。不同直徑的短栓釘承載力和剛度如圖6所示。其中，短栓釘連接件的剛度采用荷載-滑移曲線中滑移量為0.2 mm對應(yīng)的割線模量為準(zhǔn)。

從圖6可以看出，隨著栓釘直徑的增加，短栓釘?shù)目辜舫休d力和剛度在不斷增大，當(dāng)栓釘直徑由10 mm增至16 mm時，其承載力增加了53 kN，增加約117%。而抗剪剛度增加了91 kN/mm，增加約32%。在有限元模擬中還發(fā)現(xiàn)，隨著栓釘直徑的增加，ECC混凝土的裂縫逐漸增多，其主要原因是隨著栓釘直徑的增加，混凝土所受壓力不斷增大，當(dāng)栓釘直徑過大時，可能會造成ECC混凝土材料的壓潰現(xiàn)象。

3.2 栓釘高度

為進一步研究栓釘高度對短栓釘?shù)目辜舫休d力的影響，以直徑13 mm的短栓釘為例，高度分別選擇30 mm、35 mm、40 mm、45 mm。不同高度下的短栓釘承載力和剛度如圖7所示。

從圖7可以看出，隨著短栓釘高度的增加，短栓釘抗剪承載力和抗剪剛度的增長趨勢呈現(xiàn)出先增大后減小的情況。當(dāng)短栓釘高度從30 mm（2.3d）增加到40 mm（3.1d）時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了12.7%和16.5%；而從40 mm（3.1d）增加到45 mm（3.5d）時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了2.9%和6.9%。這表明栓釘高度對承載力和剛度的提升作用存在一定的限制。按照目前規(guī)范要求的長徑比gt;4，但在短栓釘連接件中，常用的短栓釘?shù)拈L徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)lt;4，因此可以認(rèn)為隨著栓釘高度的增加，短栓釘?shù)目辜舫休d力和抗剪剛度逐漸增加。

3.3 ECC強度

為明確ECC混凝土強度對ECC中短栓釘抗剪性能的影響，分別選擇ECC的強度分別為30 MPa、40 MPa、50 MPa、60 MPa。不同強度下的短栓釘承載力和剛度如圖8所示。

從圖8可以看出，隨著ECC混凝土強度的增加，短栓釘抗剪承載力和抗剪剛度逐漸增加。但當(dāng)ECC混凝土強度為30 MPa時，其承載力和抗剪剛度出現(xiàn)了突降現(xiàn)象。其主要原因是由于ECC混凝土強度較低，在該工況下，ECC中短栓釘連接件的破壞模式為ECC混凝土板發(fā)生破壞。而在強度較高時，破壞模式為栓釘剪斷。針對栓釘破壞情況，當(dāng)ECC混凝土強度從40 MPa增加到60 MPa時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了7.7%和8.3%。這表明ECC混凝土的強度增加可以增加短栓釘連接件的抗剪承載力和抗剪剛度，但增長幅度明顯小于栓釘直徑的影響。

3.4 界面粘結(jié)強度

為研究界面粘結(jié)強度對ECC組合橋面板中短栓釘中抗剪性能的影響，在ABAQUS軟件中分別選擇鋼-混凝土界面的粘結(jié)強度分別為0.5 MPa/m2、1 MPa/m2、1.5 MPa/m2、2 MPa/m2等工況。不同粘結(jié)強度下的短栓釘承載力和剛度如圖9所示。

從圖9可以看出，隨著鋼-混凝土界面粘結(jié)強度的增加，短栓釘抗剪承載力變化不大，但抗剪剛度明顯增加。當(dāng)粘結(jié)強度由0.5 MPa/m2增加到2 MPa/m2時，其抗剪承載力和抗剪剛度分別增加了2.3%和9.8%。這表明界面粘結(jié)強度對ECC中短栓釘抗剪承載力的影響可以忽略不計，但可以提高短栓釘抗剪剛度。主要原因是在連接件承受荷載時，荷載首先傳遞給鋼梁，后傳遞給栓釘。在此過程中，加載初期需要克服鋼-混凝土界面的粘結(jié)力，但隨著界面粘結(jié)力的消除，最終栓釘?shù)目辜舫休d力并不受影響。但抗剪剛度取值為荷載-滑移曲線0.2 mm處的割線模量。初期界面的粘結(jié)力會造成滑移量偏小，因此，隨著粘結(jié)強度的增加，短栓釘?shù)目辜舫休d力變化不大，但抗剪剛度明顯增加。

4 短栓釘抗剪承載力計算方法分析

目前各國規(guī)范中并無特別針對短栓釘?shù)挠嬎惴椒ǎ瞧胀ㄋㄡ數(shù)某休d力計算方法。如表1所示總結(jié)了現(xiàn)行規(guī)范中的栓釘連接件的計算方法以及文獻(xiàn)［5］中提出的計算方法。

如表2所示，給出了不同計算公式下短栓釘承載力計算結(jié)果。從表2中可知，在現(xiàn)行規(guī)范中，采用日本規(guī)范計算短栓釘?shù)目辜舫休d力時，計算值與模擬值的比值僅為0.2～0.31，其結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實際值，嚴(yán)重低估了短栓釘?shù)目辜舫休d力。美國規(guī)范計算結(jié)果與模擬值較為接近，計算值與模擬值的比值介于0.71～0.8；歐洲規(guī)范和中國規(guī)范的計算值介于美國規(guī)范和日本規(guī)范之間，其計算值與模擬值的比值分別介于0.58～0.65和0.66～0.75。而文獻(xiàn)［5］中提出的計算方法最為可靠，其計算值與模擬值的比值介于0.78～0.88。目前現(xiàn)行規(guī)范在計算栓釘承載力時，均是針對常規(guī)栓釘，未考慮焊縫對栓釘承載力的貢獻(xiàn)作用。由于短栓釘單釘長徑比一般lt;4，焊縫對其抗剪承載力的影響較大，建議在計算短栓釘抗剪承載力時應(yīng)采用考慮焊縫的計算方法更為準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

本文采用數(shù)值方法開展了ECC組合橋面板中短栓釘受力性能的研究，分析了栓釘直徑、栓釘高度、ECC強度、界面粘結(jié)強度等對短栓釘抗剪承載力和剛度的影響。主要得到了以下結(jié)論：

（1）ECC中短栓釘連接件的破壞模式為短栓釘被剪斷，栓釘根部周圍的ECC混凝土被壓潰。

（2）栓釘直徑、ECC強度可以提高短栓釘?shù)目辜舫休d力和抗剪剛度；栓釘高度對短栓釘?shù)目辜舫休d力和抗剪剛度的影響有限；鋼-混凝土的界面粘結(jié)強度可以提高抗剪剛度，但對短栓釘?shù)目辜舫休d力的影響可忽略不計。

（3）采用現(xiàn)行規(guī)范對短栓釘?shù)目辜舫休d力進行了評估，其結(jié)果表明現(xiàn)有規(guī)范低估了ECC中短栓釘?shù)目辜舫休d力，而考慮栓釘焊縫作用的評估方法較為可靠。

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