波形钢组合桥面板中组合销剪力连接件的力学性能

黄平明 孔凡磊 彭首冲 梅葵花

(长安大学公路学院， 西安 710064)

压型钢-混凝土组合板已广泛应用于工业与民用建筑中.然而，在建筑结构中，压型钢板仅作为永久性模板，使用阶段结构的承载及变形只考虑钢筋混凝土板的作用，并未考虑压型钢板与钢筋混凝土的组合作用.如果能使压型钢板与混凝土板组合为一个整体，共同参与受力，则会使承载能力大大提高.此外，压型钢板还能代替钢筋承受拉力，从而节约钢筋用量，减少了钢筋的制作、安装等施工费用.文献[1-2]借鉴了建筑中的压型钢-混凝土组合板，在桥梁中提出波形钢组合桥面板的结构形式，即将波形钢、混凝土和钢筋通过剪力连接件使他们共同组合成一个整体.国内外采用的剪力连接件主要为栓钉和PBL剪力连接件[3-6].组合销剪力连接件是在PBL剪力连接件基础上提出的一种新型剪力连接件，主要分为MCL形和PZ形2种[7-8].研究发现，组合销剪力连接件具有良好的抗疲劳性能，可以解决栓钉剪力连接件的疲劳问题[9].与PBL剪力件相比，组合销剪力连接件同样具有良好的抗剪性能[10-12]，且由于组合销剪力连接件是半开口结构，施工时只需将贯穿钢筋放入并固定在指定位置即可，有效解决了PBL剪力连接件施工时贯穿钢筋困难的问题.目前，组合销剪力连接件主要应用于欧洲部分国家的预制组合梁中，相关研究也只针对预制组合梁中的受力性能[13-15]，国内还未见相关研究及工程实际应用.

本文在原有MCL形和PZ形组合销剪力连接件下端开设椭圆孔，进行推出试验.对比分析了2类组合销剪力连接件的破坏形态和承载力.采用有限元方法分析了材料强度、组合销剪力连接件厚度、开孔位置及形状、贯穿钢筋等参数对承载力的影响.

1 推出试验

1.1 试件设计

组合销剪力连接件及推出试件构造分别见图1和图2.图中，a、b分别为椭圆的长半轴和短半轴;P为荷载.试件中波形钢底板厚度为6 mm，组合销剪力连接件厚度为14 mm，贯穿钢筋直径为16 mm.在距离混凝土上表面30 mm位置处设置单层钢筋网，纵向和横向钢筋直径为12 mm，间距为100 mm.推出试件尺寸为460 mm×366 mm×700 mm.为消除端部承压影响，在组合销剪力连接件下端垫长度为5 cm的泡沫板.

(a) MCL形

(a) 示意图

组合销剪力连接件的具体参数见表1.试件M1、M2和M3为MCL形组合销剪力连接件；试件P1、P2和P3为PZ形组合销剪力连接件.6个试件采用的混凝土均养护28 d，等级均达到C50.试件中波形钢板和组合销剪力连接件钢材型号均为Q345qE.贯穿钢筋和构造钢筋型号均为HRB400.

表1 组合销剪力连接件试件参数

1.2 试验装置

试验加载装置采用200 t微机控制的电液伺服压力机，试件加载布置如图3所示.为消除非弹性变形，试验正式加载前进行3次预加载，预加载值为设计抗剪承载力的0.3倍.正式加载分为荷载控制和位移控制加载2个阶段，前者的加载速率为2 kN/s，后者的加载速率为0.2 mm/min.滑移量通过位移计配合动静态静力采集系统获得，加载荷载值可通过计算机直接读出.

图3 试件加载装置图

1.3 破坏形态

试件加载初期，2类组合销剪力连接件均无明显滑移.随着荷载的增加，通过位移计观察到钢板和混凝土开始出现滑移，但是试件本身并无明显变化.荷载继续增加时，在试件的底部中间位置及底部侧面出现微小的竖向裂缝，并且此裂缝是从试件内部延伸而来.裂缝继续扩展，试件顶部混凝土也出现裂缝，并与底部裂缝上下贯通(见图4).试件最终展示出混凝土的竖向劈裂破坏，底部混凝土出现不同程度的剥落，破坏过程中伴随着混凝土开裂的声音.

(a) 底部裂缝

砸开后的试件如图5所示.由图可知，MCL形组合销剪力连接件的钢销发生一定程度的变形，但椭圆开孔并无明显变化；PZ形组合销剪力连接件的钢销及椭圆开孔均无明显变形和破坏.2类组合销剪力连接件贯穿钢筋均出现变形，但并未被剪断，这是因为钢销附近混凝土被压碎后，试件出现较大的滑移，贯穿钢筋被挤到一边，与混凝土榫共同承受剪力.2类组合销剪力连接件的破坏形式均为延性破坏.

1.4 承载力分析

各试件的推出试验结果见表2.表中，Pu为组合销剪力连接件的承载力最大值；PRk=0.9Pu为承载力特征值；PRd=PRk/γv为承载力设计值，其中γv=1.25为安全系数；δd为设计滑移量，即PRd对应的滑移量；δu为极限滑移量，即PRk对应的滑移量最大值.

(a) MCL形

表2 试件承载力和滑移量

由表2可知，试件M1的极限承载力较试件M3提高29.3%；试件P1的极限承载力较试件P3提高27.2%.由此可见，在组合销剪力连接件中开椭圆孔可以明显提高极限承载力.

试件M1的极限承载力较试件M2提高了51.3%；试件P1的极限承载力较试件P2提高了56.8%.试件M1与M2及试件P1与P2的唯一区别在于是否贯穿钢筋，因此，组合销剪力连接件中贯穿钢筋可以明显提高极限承载力.

试件M1的极限承载力较试件P1提高了16.0%；试件M2的极限承载力较试件P2提高了20.2%；试件M3的极限承载力较试件P3提高14.2%.由此可见，在相同条件下，MCL形组合销剪力连接件的承载力高于PZ形组合销剪力连接件.究其原因在于，构造上MCL形组合销剪力连接件的2个钢销之间的混凝土榫面积大于PZ形组合销剪力连接件.钢销构造上的不同会造成抗剪刚度的变化，因此设计时应综合考虑承载力和抗剪刚度.

2 有限元模型

为分析MCL形组合销剪力连接件各参数对承载力的影响，利用有限元软件ANSYS对波形钢组合桥面板中的组合销剪力连接件进行非线性分析.有限元模型如图6所示.

图6 剪力连接件的有限元模型

2.1 单元类型

混凝土结构采用抗拉能力远小于抗压能力的非线性材料8节点Solid65单元，其中包含的针对混凝土性能参数和组合式钢筋模型可以准确模拟含钢筋和不含钢筋的三维实体单元.波形钢板和组合销剪力连接件采用具有空间各向异性的20节点Solid186单元，它可以有效模拟材料的塑性、超弹性、蠕变、大变形和大应变能力等特点.

2.2 网格划分

为提高模型的计算效率，在保证计算精度的前提下，仅对贯穿钢筋、混凝土榫和剪力连接件钢销部位进行精密网格划分.整体模型单元尺寸为50 mm，局部单元尺寸为15 mm.混凝土、组合销剪力连接件和波形钢板网格划分方法选择多区域扫描(Multizon)，贯穿钢筋采用扫略(Sweep)方法.为保证结构在划分过程中划分的单元形状尽量为六面体，将混凝土结构层进行分块处理.

2.3 边界条件

边界条件均采用接触单元进行模拟.其中，钢筋和混凝土之间的接触类型采用bonded接触，接触法向刚度取为10，穿透公差取缺省值.波形钢底板和混凝土、组合销剪力连接件侧面和混凝土之间的接触类型为frictional接触，摩擦系数取0.2.混凝土与组合销剪力件钢销之间的接触类型为frictionless接触，穿透公差系数取0.01，法向刚度取1.

2.4 材料本构关系和破坏准则

2.4.1 混凝土

混凝土的应力-应变曲线采用多线性等向强化模型(MISO).本文主要研究组合销剪力连接件的极限承载力.文献[16]指出在推出试验中，混凝土开裂后应力下降曲线的形式和速率对计算结果影响不大.因此，为避免计算不收敛，不设置下降段，将水平直线段与上升段相接.混凝土应力-应变曲线如图7(a)所示.图中，εc、σc分别为混凝土应变和应力；fc为混凝土单轴抗压强度；ε0为混凝土压应力达到fc时的混凝土压应变；εcu为正截面的混凝土极限压应变.

(a) 混凝土本构

根据规范GB 50010—2010[17]，混凝土的应力-应变曲线公式为[18]

(1)

式中，n为系数，且n=2-1/60(fcu,k-50)，其中fcu,k为混凝土立方体抗压强度标准值，当n的计算值大于2.0时，取n=2.0.

混凝土的破坏准则采用适合Solid65单元的W-W五参数破坏准则.混凝土单元张开裂缝的剪力传递系数和闭合裂缝剪力传递系数分别取值为0.50和0.95.

2.4.2 钢材

模型中波形钢板、组合销剪力连接件和钢筋均采用双线性等向强化模型(BISO)进行模拟.钢筋应力-应变曲线如图7(b)所示.图中，fst,r为钢筋极限强度；fy,t为钢筋的屈服强度；εy为钢筋的屈服应变；εu为钢筋的峰值应变；k为钢筋硬化段斜率.

根据规范GB 50010—2010[17]，钢材的应力-应变曲线公式为[18]

(2)

式中，Es为钢材的弹性模量；εs为钢筋应变.

波形钢板、组合销剪力连接件和贯穿钢筋均采用Mises屈服准则.

有限元模型中，C50和C60混凝土抗压强度分别取53.0和63.5 MPa，弹性模量为34.5 GPa，其余各材料的具体参数见表3.

2.5 模型验证

有限元分析结果与试验结果对比见图8.由图可知，荷载-滑移曲线分为线性荷载增加阶段和非线性荷载增加阶段[16]，有限元分析结果与推出试验结果的上升段和极限值吻合良好.由此说明，本文建立的有限元模型能够准确模拟试件整体的力学行为.

表3 有限元模型材料参数

图8 试验和有限元曲线比较

3 承载力影响因素分析

波形钢组合桥面板中MCL形组合销剪力连接件的荷载-滑移曲线可以直观反应其承载能力和变形性能.在有限元的基础上，通过调整组合销连接件钢板厚度、混凝土强度、开孔位置、开孔形状和贯穿钢筋直径等影响参数，绘制出荷载-滑移曲线，分析参数变化对MCL形组合销剪力连接件极限承载能力的影响.

3.1 混凝土强度

混凝土强度等级分别取C50、C60和C70，其余参数固定不变，得到的荷载-滑移曲线见图9.由图可知，随着混凝土强度的增加，组合销剪力连接件的承载能力呈明显上升趋势，但是其增加速度随混凝土强度增加而减缓.究其原因在于，该模型状态下结构主要表现为混凝土剪切破坏，钢销仅出现轻微变形，增加混凝土强度可以有效增加组合销剪力连接件的承载能力，但是当混凝土强度的增加到一定程度时，组合销钢销的变形开始增加，导致承载能力增加的速度明显减小.

图9 混凝土强度的影响曲线

3.2 钢板厚度

组合销剪力连接件钢板厚度分别取8、14、20 mm，其余参数保持不变，得到的荷载-滑移曲线见图10.由图可知，连接件钢板厚度由14 mm增加至20 mm时，组合销连接件的抗剪承载能力提高约13.6%，即承载力未出现显著增加；这是因为组合销剪力连接件厚度较大时，组合销处于混凝土剪切破坏的失效模式，混凝土强度对承载能力的影响更为敏感.当连接件钢板厚度由14 mm减小至8 mm时，承载力变化幅度较大；这是由于板厚较小，失效模式从混凝土剪切破坏变为钢板失效破坏.因此，在选择组合销剪力连接件板厚时，宜综合考虑，避免因板厚较小而出现钢板破坏失效模式，同时也避免因板厚较大造成钢材浪费.

图10 钢板厚度的影响曲线

3.3 开孔形状及位置

开孔形状分别为椭圆形和圆形.对于椭圆形孔(a=30 mm，b=15 mm)，其开孔位置分别为钢销正下方、钢销正下方水平偏移50 mm以及钢销正下方水平偏移100 mm；对于圆形孔，其开孔位置固定在钢销正下方，仅改变直径为60和30 mm，其余参数保持不变.所得的荷载-滑移曲线见图11.由图可知，椭圆形孔位于钢销正下方、偏移50 mm和偏移100 mm时，组合销剪力连接件的承载能力仅出现较小变化，说明开孔位置的改变对组合销抗剪承载能力基本无影响.虽然不同开孔位置时连接件的荷载-滑移曲线基本相似，但是连接件基座部分的应力分布存在一定的差异.

开孔为圆形且其直径为30和60 mm时，承载力较椭圆形孔分别降低21.9%和提高14.7%，说明开孔形式对承载力有着显著的影响.然而，由于受组合销底座高度的限制，即在销座高度方向上开孔长度一定时，选用椭圆形开孔可以增加混凝土榫的抗剪面积，提高抗剪承载力.因此，组合销剪力连接件中宜优先选用椭圆形孔.

图11 椭圆形孔和圆形孔的影响曲线

3.4 贯穿钢筋直径

有、无贯穿钢筋时的荷载-滑移曲线见图12.有贯穿钢筋的试验中，贯穿钢筋直径分别为14、16、18 mm.由图可知，相对于无贯穿钢筋的组合销剪力连接件，设置了贯穿钢筋后组合销承载能力出现大幅提升.但是当贯穿钢筋直径从14 mm增加至16或18 mm时，组合销剪力连接件的承载力提升并不显著.

图12 贯穿钢筋直径的影响曲线

无贯穿钢筋时，仅依靠钢销之间的素混凝土榫抵抗剪力；设置贯穿钢筋后，贯穿钢筋、钢销以及周围混凝土的共同作用使钢销之间混凝土处于三轴受压状态，从而提高了钢销之间混凝土的抗压强度，当贯穿钢筋被挤到钢销边上时，可以与混凝土共同抵抗剪力.因此，设置贯穿钢筋可以明显提高组合销剪力连接件的承载力.

4 结论

1) 推出试验结果表明，2类组合销剪力连接件均为延性破坏.破坏前MCL形组合销剪力连接件钢销出现较大变形，PZ形组合销剪力连接件钢销并无明显变化，2类组合销剪力连接件中椭圆开孔均无明显变化.贯穿钢筋在破坏前参与受力，出现明显变形，破坏时混凝土出现贯通裂缝.

2) MCL形组合销剪力连接件承载力大于相同尺寸的PZ形组合销.在组合销剪力连接件中，开椭圆形孔和采用贯穿钢筋可以明显提高极限承载力.

3) 有限元分析结果表明，混凝土强度、钢板厚度、开孔形式、贯穿钢筋都是影响承载力的主要因素，其中混凝土强度对承载力影响最为显著，而开孔位置对承载力基本无影响.组合销剪力连接件的失效模式与其板厚有关，因此设计时宜综合考虑板厚，避免因板厚较小而出现钢失效破坏模式，或因板厚较大而造成钢材浪费.