组合箱梁的栓钉剪力连接件的受力性能分析

冯剑平，黄平明，王树来，朱 郑

(1.长安大学公路学院，陕西西安710054;2.山东省日照市公路管理局工程处，山东日照276800;3.山东高速京台分公司枣庄养护所，山东枣庄277000)

在波纹钢腹板组合箱梁桥结构中，剪力连接件的选择和设计非常关键，它将钢材与混凝土2种材料组合并使其共同工作［1-4］.其中，栓钉剪力连接件的应用非常广泛，除了应用在波纹钢腹板组合箱梁桥中，还应用于混合梁、桥塔、混合拱肋和锚碇锚固等多种结构中［5-7］.其具有如下特点:受力性能良好，各方向受力均匀且抗剪刚度相同;设计布置时不需要考虑受力的方向性［8-11］;栓钉便于就地取材;对焊接工艺要求质量较高.栓钉剪力连接件是通过在钢翼缘板上焊接栓钉并与波纹钢腹板结合在一起而形成.栓钉剪力连接件形式如图1所示.

图1 栓钉剪力连接件

文中通过建立有限元模型，对栓钉剪力连接件的相关参数进行模拟分析，并将结果与经验公式进行对比.

1 连接件的受力机理和破坏状态

1.1 栓钉剪力连接件的受力机理

国内外学者通过研究表明，栓钉剪力连接件底部承受的压力最大，沿着高度方向逐渐减小，在其顶部出现拉应力［12-13］，压应力沿栓钉高度的变化规律如图2所示.在实际的组合梁结构中，栓钉承受双向压应力，受力形式如同一根弹性地基梁，在钢-混组合界面处传递剪力，能够提高剪力连接件的抗剪强度.弹性地基梁模型如图3所示.

图2 推出试验栓钉受力示意图

图3 弹性地基梁模型示意图

1.2 栓钉剪力连接件的破坏状态

栓钉剪力连接件的破坏形态主要有2类［14］:栓钉拉剪破坏和混凝土的承压破坏.栓钉拉剪破坏主要在混凝土强度等级较高，抗剪栓钉材质强度小、焊接质量差的情况下发生，属于脆性破坏.通常采取的预防措施是严格控制栓钉的焊接质量，避免产生焊接裂缝;控制栓钉长细比的下限值，防止混凝土板掀起等.混凝土的承压破坏主要是由于剪力连接件的剪力传递是通过栓钉根部附近混凝土的承压实现的，当该区域的混凝土强度等级较低并且承受较大压应力时，会导致混凝土发生局部承压破坏、劈裂或者压碎破坏.通常采取的措施是提高混凝土的强度等级.

2 栓钉剪力连接件的有限元模型

利用有限元软件ANSYS建立了某大桥组合箱梁的栓钉剪力连接件的有限元模型，钢筋混凝土结构采用整体式模型.混凝土选用Solid65实体单元进行模拟［15］，Solid65 实体单元的实常数中设置x，y，z的各个方向钢筋的配筋率分别为0.12%，0.25%和0.98%.栓钉和钢板采用Solid185实体单元进行模拟.钢板选用多线性等向硬化模型(Miso)，钢材的屈服强度根据钢板厚度按《桥梁用结构钢》(GB/T 714—2008)取用;钉柱的材料屈服强度取为345 MPa，极限强度取为510 MPa;混凝土选用多线性等向硬化模型(Miso);材料本构关系选用Hongestad公式.剪力钉与混凝土，混凝土与钢板之间均为面面接触，采用面接触单元targe170和conta174来模拟材料的非线性:定义targe170单元生成在钢结构表面，定义conta174单元生成在混凝土表面.摩擦系数取为0.15.模型的边界条件和加载方式为约束混凝土底面节点y方向位移，任意拾取混凝土底面的2条垂直于x轴和z轴的线，分别约束Ux和Uz;钢板侧面仅约束Uz方向，允许在y方向发生位移;钢板顶面施加均布荷载，采用荷载步逐级加载，直至破坏.结构有限元模型如图4所示.

图4 结构有限元模型

3 栓钉剪力连接件的相关参数分析

基于某大桥组合箱梁的有限元模型，通过对混凝土强度等级、栓钉直径、栓钉长度、栓钉的材料强度和是否设置箍筋等5个影响参数进行调整，分析各个参数对栓钉剪力连接件受力性能的影响，并为设计提供依据.

3.1 混凝土强度等级

基本模型中的混凝土强度等级为C50，现将混凝土强度等级分别调整为C60和C20，计算并绘制混凝土强度等级分别为C20，C50和C60的栓钉剪力连接件的荷载-滑移曲线，如图5所示.

图5 不同混凝土强度等级下的荷载-滑移曲线

由图5可知:对比C20混凝土，C50和C60混凝土的极限承载力分别提高了70.6%和99.8%，极限滑移量分别提高了10.8%和24.7%.因此提高混凝土强度等级能够提高剪力连接件的极限承载力和极限滑移量.

3.2 栓钉的直径

基本模型中的栓钉直径为22 mm，现将栓钉直径分别调整为25 mm和19 mm，计算并绘制栓钉直径分别为19，22和25 mm的栓钉剪力连接件的荷载-滑移曲线，如图6所示.

图6 不同栓钉直径下的荷载-滑移曲线

由图6可知:直径25和22 mm的栓钉承载力与直径19 mm的栓钉相比分别提高了81.3%和125.0%，说明增大栓钉直径能够较大地提高剪力连接件的抗剪承载力.直径25和22 mm的栓钉极限滑移量与直径19 mm的栓钉相比分别提高了78.3%和159.1%，说明增大栓钉直径也能够增大极限滑移量.因此，增大栓钉直径能够显著提高剪力连接件的整体抗剪性能.

3.3 栓钉的长度

基本模型中的栓钉长度为200 mm，现将栓钉长度分别调整为90和240 mm，计算并绘制栓钉长度分别为90，200和240 mm的栓钉剪力连接件的荷载-滑移曲线，如图7所示.

图7 不同栓钉长度下的荷载-滑移曲线

由图7可知:与栓钉长度为90 mm剪力连接件相比，栓钉长度为200和240 mm的剪力连接件的极限承载力分别提高了54.2%和66.3%，极限滑移量分别提高了66.7%和83.6%.说明提高栓钉长度能够提高栓钉剪力连接件的极限承载力和极限滑移量.

另外，栓钉长度为90 mm的剪力连接件的承载力较低，荷载-滑移曲线只在弹性阶段存在.因此在设计时，要限制栓钉的最小长度.当栓钉长度提高至240 mm时，承载力和极限滑移量增幅有限.

3.4 栓钉的材料强度

基本模型中的栓钉材料屈服强度为345 MPa，现将其调整为400 MPa，计算并绘制栓钉材料屈服强度分别为345和400 MPa的栓钉剪力连接件的荷载-滑移曲线，如图8所示.

图8 不同栓钉材料强度下的荷载-滑移曲线

由图8可知:与屈服强度为345 MPa的栓钉剪力连接件相比，屈服强度为400 MPa的栓钉剪力连接件的极限承载力与极限滑移量分别提高了6.1%和4.5%.增大栓钉材料的屈服强度，能够提高连接件的极限承载力和极限滑移量，但是增幅很小.因此，依靠提高栓钉材料强度来较大幅度改善剪力连接件抗剪性能的效果不明显.

3.5 有无箍筋

基本模型中的箍筋直径为16 mm，现将其除去，即在不考虑箍筋的影响下分析栓钉剪力连接件的受力性能，绘制这2种情况下的栓钉剪力连接件的荷载-滑移曲线，如图9所示.

图9 有、无箍筋时的荷载-滑移曲线

由图9可知:设置有箍筋的剪力连接件与没有设置箍筋的剪力连接件相比，极限承载和滑移量分别提高了73.5%和99.8%.因此，可见箍筋的配置对于栓钉剪力连接件的抗剪性能影响很大.这是由于箍筋对钢筋混凝土构件具有“套箍”作用，增强了整体结构的承载力，对栓钉剪力连接件抗剪性能的提高也有很大帮助.

4 结果对比分析

将有限元各参数模型的计算结果与国内外常用的经验公式进行计算对比，得出栓钉剪力连接件的抗剪承载力推荐公式，为设计提供参考.

首先对不同参数的各个模型进行编号，方便后续的数据对比和分析.编号规则:①编号由Stu+字母+数字组成，其中Stu代表有限元模型，字母代表影响参数，数字代表影响参数数值;②“C”表示混凝土强度等级，“Q”表示栓钉的材料强度等级，“Z”表示栓钉的直径，“L”表示栓钉的长度;③ Stu 0代表不设置箍筋的有限元模型.栓钉剪力连接件的各个模型编号如表1所示.

表1 栓钉剪力连接件参数模型编号

然后对公式的计算结果进行对比.其中，公式1-6分别代表:J.W.Fisher公式、美国AISC规范、加拿大《钢结构设计规范》、美国AASHTO公式、欧洲建筑规范4和英国BS5400规范.对比结果与误差结果如表2和表3所示，误差按下式计算:

表2 栓钉剪力连接件极限承载力经验公式计算对比 kN

续表

表3 栓钉剪力连接件极限承载力经验公式计算误差 %

由表2和表3可知:对于剪力连接件的极限承载力计算结果，ANSYS软件计算结果跟各国经验公式的计算结果相一致;加拿大《钢结构设计规范》、美国AASHTO公式、英国BS5400规范三者的计算结果与理论值更接近;J.W.Fisher公式、欧洲建筑规范4和美国AISC规范计算的极限承载力偏大，偏差值在40%左右，偏不安全;由于美国AASHTO公式计算的结果与有限元计算结果能很好地吻合，因此，建议在设计计算单个栓钉极限抗剪承载力时，使用AASHTO公式进行计算.

5 结论

1)通过对栓钉剪力连接件抗剪承载力的主要影响参数进行对比分析，绘制了荷载-滑移曲线;汇总5组影响参数的计算结果，分析得出影响栓钉剪力连接件承载力的主要因素为混凝土的强度等级、栓钉的直径和有无箍筋配置.

2)将各参数模型的有限元计算结果与国内外经验公式的计算值进行对比，得到各个计算公式的误差范围;通过比较得出，将美国AASHTO公式作为栓钉剪力连接件极限抗剪承载力的建议公式，供设计参考.

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