剪力钉连接件参数有限元对比分析①

乔建刚，熊 刚，冯希训，王树来

(1.天津市市政工程设计研究院，天津300051;2.山东省日照市公路局，山东 日照276800)

1 概 述

组合梁桥是指采用剪力连接件将钢板梁、钢箱梁、钢桁梁等结构构件和钢筋混凝土桥面板结合成组合截面共同工作的一种复合式桥梁.充分发挥了各自的材料优势，取得更大的经济效益［1～2］.

较早出现的剪力连接件形式是弯筋剪力连接件(见图1(a)，(b))和型钢剪力连接件(见图1(c)).随着钢－混结构在桥梁建设中的广泛应用以及焊钉焊接技术的成熟，剪力钉连接件成为最常用的剪力连接件形式(见图1(d)).

图1 剪力连接件形式

本文对西南交通大学基于厦门马新大桥所做的剪力连接件推出试验建立有限元模型，并对模型调整各种对剪力连接件有影响的构造参数，分析其对连接件受力性能的影响程度及范围.

2 有限元模型的建立

2.1 试验方法

如图1 所示，试验时将两侧混凝土构件固定，对型钢上缘逐级施加竖直向下的轴向压力，考察剪力连接件的受力及变形情况.

图2 加载方法示意图

2.2 实例参数

试验模型设计及尺寸如图3 所示，在型钢上下翼缘分别焊接两个剪力钉连接件，两侧混凝土构件通过剪力钉与型钢结合为整体.

2.3 有限元模型

模型中混凝土单元类型选用Solid65 实体单元，以实现混凝土的开裂、压碎等一系列材料非线性力学行为.钢筋混凝土结构采用整体式模型建立.剪力钉和钢板单元类型采用实体单元Solid185［3～4］.型钢翼缘与混凝土间接触面采用接触单元，摩擦系数取0.15.

图3 试验模型尺寸(mm)

图4 有限元模型

图5 剪力钉及钢板的有限元模型

考虑到模型本身和加载情况均是对称分布，故采用半个试验试件进行有限元模型分析(见图4、图5).有限元模型将混凝土构件固结，在钢板顶缘分级施加平行于板平面的荷载.

图6 荷载－位移曲线对比

图7 荷载－位移曲线

图8 荷载－位移曲线

3 剪力钉连接件受力性能的影响参数分析

本文将对比构件参数按如下设置:混凝土强度:C50;钢筋标号:HRB335;箍筋直径16mm，纵筋直径12mm;钢板:Q345，钢板厚16mm;剪力钉:直径22mm，长度200mm.

将混凝土标号、剪力钉型号、剪力钉材料强度设置为构件参数，分别单独调整以上参数，分析其对构件受力性能的影响程度及范围.

3.1 混凝土标号的影响

把对比构件中混凝土标号分别按照C20，C50，C60 进行调整，其余各参数不变，对三种不同混凝土标号下有限元模型进行分析.

通过对荷载－位移曲线的对比，如图6 所示，混凝土标号由C20 提高到C50 时，模型承载力提高达71%;而C60 混凝土条件下较C50 混凝土条件下，剪力连接件极限承载力提高仅13%.可见，当混凝土强度较低时，剪力钉根部混凝土在极限承载力作用下压碎，构件破坏，通过提高混凝土强度可显著增加剪力连接件极限承载力及滑移量;当混凝土强度增加到一定程度后，剪力钉根部混凝土在极限承载力作用下不会被压碎，混凝土强度不再控制剪力连接件破坏.

3.2 剪力钉型号的影响

把对比构件中剪力钉直径分别按照19mm、22mm、25mm 进行调整，其余各参数不变，对三种不同剪力钉直径下有限元模型进行分析.

通过对荷载－位移曲线进行对比，如图7 所示，22mm 剪力钉直径条件下较19mm 剪力钉直径条件下，剪力连接件极限承载力提高81%，位移量增加82%;25mm 剪力钉直径条件下较22mm 剪力钉直径条件下，剪力连接件极限承载力提高24%，滑移量增加87.5%.可见，当剪力钉截面较小时，剪力钉根部在极限承载力作用下屈服，构件破坏，通过增加剪力钉截面可显著增加剪力连接件极限承载力及滑移量;当剪力钉截面积增加到一定程度后，剪力钉根部在极限承载力作用下不会屈服，剪力钉根部抗剪承载力不再控制剪力连接件破坏，这时靠单纯提高剪力钉截面积并不能有效提高剪力连接件极限承载力.

3.3 剪力钉的材料强度

将对比构件中剪力钉钢材型号分别按照Q345和Q400 进行调整，其余各参数不变，对两种不同剪力钉钢材型号下有限元模型进行分析.

通过对荷载－位移曲线进行对比，如图8 所示，钢材型号为Q400 时剪力钉连接件同钢材型号为Q345 时相比，剪力连接件极限承载力提高8%;其极限位移量相差微小.可见，在现有常用剪力钉钢材型号Q345 的基础上，剪力钉材料强度不控制构件抗剪性能，继续提高剪力钉材料强度而采用高强钢材不能有效提高剪力连接件的抗剪性能.

4 结 论

本文对厦门马新大桥剪力钉连接件推出试验进行有限元模拟，并通过对剪力钉连接件抗剪承载力的3 个主要影响参数进行对比分析.由分析结果可见:混凝土的强度等级、剪力钉的直径对剪力连接件抗剪性能影响显著;剪力钉材料强度的提高并不能有效改善剪力连接件抗剪性能.其中，混凝土强度等级和剪力钉直径需相互协调配置，单独增强某一项直至另外一项控制剪力连接件极限承载力后，继续单独增强该项并不能有效改善剪力连接件抗剪性能.

［1］ 吴冲.现代钢桥(上册)［M］.北京:人民交通出版社，2006.

［2］ 王连广.钢与混凝土组合结构［M］.北京:科学出版社，2005.

［3］ 王新敏，李义强，许宏伟.ANSYS 结构分析单元与应用［M］.北京:人民交通出版社，2011，220－235.

［4］ 江见鲸.钢筋混凝土结构非线性有限元分析［M］.陕西科学技术出版社，1994:5－33.