新型钢板抗剪连接件的有限元研究

黄辉辉

【摘要】由于建筑层高的限制，传统的抗剪连接件所需的混凝土楼板厚度将受到影响，本文针对该问题设计了一种新型不连续钢板抗剪连接件，解决了界面抗剪和钢梁与混凝土掀起脱落的问题。在此基础上，采用有限元软件ABAQUS，对不同形式的抗剪连接件进行弹塑性分析，研究表明，本文提出的新型连接件原理简单，安全可靠，具有较大的工程应用价值。

【关键词】 抗剪连接件；不连续钢板；推出试验；数值模拟

引言

混凝土板和钢梁间的抗剪连接件在建筑中至关重要，它与整个梁板结构的承载能力息息相关。抗剪连接件的类型多种多样，其中运用最广的是带头栓钉、斜钢筋和角钢等柔性抗剪连接件和方钢连接件、T形连接件等刚性抗剪连接件。

这类抗剪连接件不仅要求抵抗混凝土板与钢梁界面上的剪力，使得两者不能自由滑移，而且要求能防止混凝土板与钢梁分离。目前关于抗剪连接件抗剪承载力的相关研究较多，但抗剪连接件均有个共同特点，就是混凝土板厚足够厚，这无疑给抗剪连接件的成功使用提供了基础。实际上，工程中也会遇到这样一种情况，由于建筑功能的限制，结构梁高较小，钢梁顶面的混凝土厚度也因此变薄，常规连接件所需的厚度将受到挑战，再者，变薄了的混凝土板厚尚须预留考虑承受楼板负弯矩钢筋的空间，混凝土的浇筑质量也因此受到影响。本文以此为研究背景，根据抗剪连接件的工作原理，通过研究改进，提出一种新型不连续钢板抗剪连接件，见图1。这种抗剪连接件有如下特点：

（1）利用钢梁翼缘嵌入混凝土板中的有利条件，巧妙的设计了翼缘水平处不连续钢板，利用不连续钢板与混凝土之间的局部受压提供界面抗剪承载力；

（2）利用不连续钢板嵌入混凝土形成的上下“阻挠”特点，防止钢梁与混凝土的掀起脱落；

（3）采用不连续钢板可节约钢材；

（4）不连续钢板布置于钢梁两侧，可确保钢梁表面混凝土的浇筑质量。

下面将重点对这一新型连接件进行弹塑性有限元分析研究，并与成熟的有代表性的带头栓钉的抗剪连接件进行对比分析，以进一步论证新型连接件的可行性。

1 抗剪连接件推出试验数值计算对比

1.1 基本假设

影响混凝土板与钢梁传力的因素很多，为了简化分析，采用如下基本假设：1）计算中结构进入弹塑性阶段；2）为了更好的考虑混凝土的局部受压，不考虑混凝土与钢梁之间的粘结作用，仅将其作为结构的安全储备；3）为节约计算成本，截取一半钢箱梁建立有限元模型进行分析，并在截断处设置轴对称模型边界条件，对钢梁采用逐渐增大荷载的方式进行加载，如图1所示；4）该计算模型的不连续钢板间距b取300mm，焊接钢筋的直径为25mm。

（a）组合构件横截面 （b）A-A剖面

图1 新型抗剪连接件

1.2 材料参数选取

计算过程中，钢材采用理想弹塑性模型，弹性模量为2×105N/mm2，泊松比为0.3，屈服应力为360N/mm2。

混凝土强度等级为C30，采用ABAQUS提供的混凝土损伤塑性模型（CDP模型），在弹性阶段，该模型采用线弹性模型对材料的力学性能进行描述，弹性模量为3×104N/mm2，泊松比为0.2，进入塑性损伤阶段后，CDP模型的屈服应力与非弹性应变关系，及其损伤因子采用《混凝土结构设计规范》附录C的相关参数。

1.3 有限元模型

利用有限元软件ABAQUS对钢筋-不连续钢板的抗剪连接件的抗剪性能进行研究。采用增强沙漏控制的线性减缩积分单元C3D8R模拟钢筋混凝土楼板、箱型钢梁、钢梁上的焊接钢筋及不连续钢板。混凝土板与钢梁之间的相互作用如下：1）混凝土板与钢梁、钢筋和不连续钢板之间的接触面，不考虑其切线方向的作用力。2）混凝土板与钢筋和不连续钢板之间的接触面在法向上采用硬接触。

1.4 参数分析

为研究新型不连续钢板抗剪连接件的抗剪性能，设计了4个抗剪连接件试件，采用ABAQUS进行推出试验数值模拟对比。其中第1个试件为传统的栓钉抗剪连接件的试件，第2个试件为仅含钢筋的抗剪连接件，第3个试件为仅含不连续钢板的抗剪连接件，第4个试件为钢筋+不连续钢板的抗剪连接件。

对试验数据进行分析，得出本次试验的如下结果：

（1）仅含钢筋的抗剪连接件与栓钉抗剪连接件的荷載～位移曲线接近，由此可见焊接钢筋与栓钉的界面抗剪作用几乎相当。

（2）仅含不连续钢板的抗剪连接件的界面抗滑移刚度明显低于其它形式的连接件，这是在不连续钢板间距为300mm的条件下计算求得的。不连续钢板间距b的变化对连接性能的刚度和抗剪承载力的影响将在下一节讨论。

（3）钢筋+不连续钢板抗剪连接件的抗剪承载力和界面抗滑移刚度均高于栓钉抗剪连接件。由此说明，在钢梁顶面设置适当的横向焊接钢筋将有效的提高界面抗剪承载力。

2 不连续钢板间距b对抗剪承载力的影响

为研究不连续钢板抗剪连接件中钢板间距b对抗剪承载力的影响，设计了6个抗剪连接件试件，采用ABAQUS进行推出试验数值模拟对比。前5个试件为仅含不连续钢板的抗剪连接件，不连续钢板间距b分别取100mm，150mm，200mm，250mm和300mm，第六个试件为钢筋+不连续钢板抗剪连接件，不连续钢板的间距b为300mm。钢梁加载端中心处A的荷载～位移曲线见图2。

图2 各抗剪连接件的荷载～位移曲线

由图2，对试验数据进行分析，得出本次试验的如下结果：

（1）通过比较5个仅含不连续钢板的试件可知，随着不连续钢板间距b的减小，连接件进入非线性就越滞后，界面抗滑移刚度就越大，钢梁与混凝土的相对位移就越小，界面抗剪承载力就越大。

（2）通过钢筋+不连续钢板的抗剪连接件与其他5个仅含不连续钢板的抗剪连接件比较，不难得出这样一个结论，随着不连续钢板b的进一步减少，其作用将钢筋+不连续钢板（b=300mm）相当，但考虑到当b更小的情况，焊接量就会大幅度增加，同时也可能会形成不连续钢板之间的混凝土劈裂“串通”不利局面，因此，合适的间距b和适量的焊接钢筋将是最佳组合，这有待下一步实验的论证。

3 结语

新型钢筋+不连续钢板抗剪连接件与传统栓钉抗剪连接件推出对比数值模拟试验表明：新型抗剪连接件在钢梁顶面较薄的不利情况下，其界面抗滑移刚度和抗剪承载力仍优于传统的抗剪连接件；该抗剪连接件中的焊接钢筋与不连续钢板能共同发挥作用，焊接钢筋提供了足够的界面抗剪能力，不连续钢板在提供界面抗剪承载力的同时，也起到防止钢梁与混凝土掀起脱落的作用。因此，该抗剪连接件有较大的工程应用价值。