钢混梁剪力键在日照作用下温度应力有限元分析

张永贵

（重庆市城市建设发展有限公司，重庆 400010 ）

0 前言

钢混组合梁通过剪力键将混凝土构件和钢结构连接在一起，一方面能充分发挥钢结构优良的抗拉性能以及混凝土良好的抗压性能，另一方面钢混组合梁具有较轻的结构自重、较低的梁高、施工高效、便捷等优点，近年来被广泛运用在桥梁领域[1]。

因此，作为“承上启下”的剪力连接件荷载-滑移特性以及抗疲劳性能备受关注。不少文献表明，采用PBL 剪力键作为钢混组合梁的连接件，可解决传统剪力钉存在的单个抗剪强度低、加工困难、群钉对钢梁损伤较大、应力集中等诟病，能进一步提高剪力键的承载能力和抗疲劳性能[2]。

但目前对PBL剪力键的研究大多基于力学行为、构件间的相对滑移量等。而自然环境中的钢-混凝土组合结构往往受大气温度变化以及太阳辐射等循环作用[3][4]。混凝土导系数较差，往往存在温度滞后的现象，从而导致剪力键出现温度应力分布[5]。基于此本文建立有限元分析，模拟在日照作用下，瞬态温度场下钢混组合梁连接件的受力性能，进一步说明PBL 剪力键的优势。

1 有限元模型

本文钢混组合梁截面尺寸采用某20 米人行天桥，断面示意图如下，其中，剪力钉采用Φ22，顺桥向间距300mm，横桥向间距200mm，BPL 剪力键厚度采用10mm，开孔孔径为50mm。简化计算，分别建立BPL 剪力键和剪力钉缩尺模型，如图2.2 所示。

图2.1 横断面示意图

图2.2 有限元模型

有限元所选取的材料具体参数如下表所示，混凝土、工字钢、PBL 剪力键分别采用C3D8T 六面体单元划分，剪力钉采用C3D4T 四面体单元划分。工字钢与剪力钉、PBL 剪力键的连接采用tie 约束，混凝土与剪力钉、PBL剪力键的连接采用e mbedded 约束连接。

表2.1 材料参数表

为准确模拟日照作用下，钢混组合梁剪力键的应力状况，将有限元模型初始预定义场温度设为20℃，终止温度设为50℃，分析步设为温度-位移耦合（瞬态），时长设置为4 小时（早上九点至下午1 点），选取混凝土顶面以及工字钢一侧腹板通过表面热交换条件对构件进行加热，空气膜散热系数取15 W/m·K。

2 结果分析

研究表明，剪力键的破坏形式主要分为两种，一种是栓钉的剪切破坏，一种是剪力键附近混凝土的破坏。本文针对这两种情况，分别提取剪力钉与PBL 剪力键的切应力值以及剪力键边缘混凝土的最大主应力值[6][7]。

2.1 剪力键切应力分析

剪力键作为保证钢梁与混凝土协同工作的关键构件，其抗剪承载能力将直接决定混凝土与钢梁的工作性能[8]。经计算后的剪力键切应力云图如下图所示，提取各瞬态PBL 剪力键、剪力钉与工字钢连接处的单元温度值、单元应力值以及混凝土截面中心单元温度值和单元应力值，分别绘制单元应力-时间、单元温度-时间曲线图。

图2.1 PBL 剪力键切应力云图

图2.2 剪力钉切应力云图

图2.3 单元切应力-时间变化图

图2.4 单元温度-时间变化图

由上图可以清晰的看出，在模拟日照升温的4 小时内，PBL 剪力键的剪切应力均小于剪力钉，且均在6000 秒左右达到最大峰值应力，PBL 剪力键最大切应力为3.65Mpa，剪力钉最大切应力为9.11 Mpa，随后切应力开始减小，PBL 剪力键最终切应力为2.6 Mpa，剪力钉最终切应力为6.24 Mpa。对比单元温度-时间变化图可以发现，在6000 秒时剪力键的温度就已达到45℃，而混凝土温度仅为28℃，混凝土出现温度滞后的现象，此时的温度差最大，达17℃。随后，切应力随温差逐渐缩小，最终温差达10℃。

2.2 混凝土应力分析

有限元模拟温度场升温过程中，混凝土与连接件边缘最大主应力计算结果云图如下图所示。提取各瞬时状态下剪力钉处混凝土最大主应力和PBL 剪力键处混凝土最大主应力值，绘制单元应力-时间曲线图如图3.7 所示。

图2.5 剪力钉处混凝土最大主应力云图

图2.6 PBL 处混凝土最大主应力云图

由上图可以清晰的看出，在升温的4 个小时内，PBL 剪力键边缘混凝土的最大主应力小于剪力钉边缘处混凝土的最大主应力，且均在6000 秒左右达到最大值，最大主应力分别为16.35Mpa、20.35 Mpa，相差4 Mpa。随着混凝土温度升高，最大主应力逐渐减小，最终达到11.83 Mpa、14.02 Mpa，差值逐渐缩小为2.19 Mpa。

综上所述，钢混组合梁在日照过程中，外界温度场发生变化，采用PBL剪力键作为连接件的钢混梁剪力键处的切向应力以及剪力键边缘处混凝土的最大主应力均小于采用剪力钉作为连接件的钢混梁。

3 结论

（1）本文采用有限元分别模拟PBL 剪力键和剪力钉作为连接件的钢混梁，在日照过程中，应对外界温度场变化时，构件中各单元应力、温度随时间变化的瞬态模型。

（2）计算结果表明，采用PBL 剪力键作为连接件的钢混梁剪力键处的切向应力以及剪力键边缘处混凝土的最大主应力均小于采用剪力钉作为连接件的钢混梁，因此在温度场变化下，BPL 剪力键力学性能优于剪力钉。

（3）本文所建模型为缩尺模型，仅考虑温度荷载作用下，构件自由变形所产生的温度应力，未考虑桥梁结构自重等其他荷载。