可拆卸钢-混凝土组合梁抗剪性能有限元分析

孔繁韬 何 建

（重庆三峡学院土木工程学院，重庆 404120）

0 引言

钢-混凝土组合梁是一种通过抗剪连接件将钢梁和混凝土板连接在一起的组合结构［1］，其充分发挥了钢材和混凝土各自的优势，具有承载能力高、自重轻、延性好的优点［2］。传统的钢-混凝土组合梁大多采用焊接在钢梁上翼缘的栓钉作为抗剪连接件，并在施工现场浇筑混凝土板，然而大量研究与工程实例表明，现浇的钢-混凝土组合梁在施工过程中需要进行大量的现场湿作业，在拆除过程中又难以实现钢梁和混凝土板的分离，施工效率低、成本高，且会造成大量的施工扬尘和建筑垃圾。随着现阶段建筑工业化进程的加快和城市可持续发展的需求，有学者提出所有构件均在工厂预制生产，并采用螺栓作为抗剪连接件，现场进行拼装，实现组合梁在全生命周期的可装配、可拆卸，施工速度快、成本低，且减少了结构在建造和拆除过程中对环境的污染，实现了建筑与自然和谐共存［3］。基于此，本研究采用ABAQUS 软件，建立了螺栓连接件的推出试件有限元模型，对螺栓连接件的抗剪性能进行研究，分析混凝土板强度、螺栓强度和螺栓预紧力大小对抗剪性能的影响，为可拆卸钢-混凝土组合梁的应用提供一定的参考。

1 有限元模型的建立

1.1 试件设计

参照Eurocode 4［4］，设计了螺栓连接件的静力推出试件。试件由混凝土板、H 型钢梁和螺栓连接件组成，混凝土板采用C50 普通混凝土；螺栓连接件采用强度等级为10.9 级的M16 高强螺栓；钢梁选用Q345 级的H 型钢，型钢尺寸为H250 mm×250 mm×9 mm×14 mm；钢筋笼采用直径为10 mm的HRB335 级热轧钢筋。具体试件及钢筋布置如图1所示。

图1 推出试件尺寸图（单位：mm）

1.2 材料参数

混凝土采用ABAQUS 自带的损伤塑性模型模拟，膨胀角φ=30°，偏心率λ=0.1，fb0/fc0=1.16，K=0.667，黏性系数为0.001，本构曲线参照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［5］定义。钢筋的本构采用理想弹塑性模型来进行表征，钢梁、螺栓连接件采用应力强化模型进行表征，钢材的弹性模量均为206×103MPa，泊松比μ均为0.3，钢材的应力应变曲线如图2所示。

图2 钢材应力-应变曲线图

1.3 单元选取与边界条件

由于结构、荷载及边界条件的对称性，取整体模型的1/4 建模。混凝土板、钢梁和螺栓连接件采用实体单元C3D8R 模拟，钢筋采用桁架单元T3D2模拟，网格划分时将应力情况复杂的部位，如螺栓与钢梁接触部位、螺栓与混凝土接触部位进行了网格细化。钢筋采用Embedded 的方式嵌入混凝土板中，其余部件之间均采用表面与表面接触，接触属性切向采用“罚”函数，摩擦系数μ＝0.5，法向采用“硬”接触。

对两个对称面施加对称边界条件，将混凝土板底面与参考点RP1 耦合，并约束住x、y、z方向的所有自由度。将钢梁顶面与参考点RP2耦合，并对参考点施加沿z负方向50 mm 的位移荷载，直至破坏，有限元计算模型如图3所示。

图3 有限元计算模型

2 抗剪性能有限元分析

2.1 破坏模式

试件的最终破坏模式为钢-混凝土交界面处螺栓剪断，如图4（a）所示，螺栓全截面达到抗拉强度，表明在钢-混凝土交界面处螺栓发生剪断破坏，同时螺栓下方混凝土出现受压损伤，由图4（b）可见，螺栓下方混凝土的受压损伤因子已达0.9，可以认为混凝土发生受压损伤。

图4 破坏模式

2.2 荷载-滑移曲线

试件的荷载-滑移曲线如图5 所示，螺栓连接件的抗剪过程大致可以分为3个阶段。

图5 荷载-滑移曲线

2.2.1 摩擦抗剪阶段。此阶段为螺栓预紧力所产生的摩擦力抗剪，此时钢-混凝土界面滑移量较小，可以忽略不计，曲线呈线性上升，钢-混凝土界面摩擦力被克服时的荷载即为抗滑移荷载P0。

2.2.2 螺杆承压抗剪阶段。外荷载克服钢-混凝土界面摩擦后，钢-混凝土之间滑移量增大，螺栓在螺孔内承压抗剪，曲线呈近似直线上升。

2.2.3 塑性阶段。随着外荷载的持续增大，螺栓发生屈服，曲线斜率减小，最终螺栓剪断，试件破坏，单个螺栓连接件所承担的最大荷载即为极限抗剪承载力Pu。

3 参数分析

3.1 混凝土板强度的影响

为研究混凝土板强度对可拆卸钢-混凝土组合梁中螺栓连接件抗剪性能的影响，选取C30、C40、C50、C60 和C70 五种强度的混凝土进行模拟分析。荷载-滑移曲线对比如图6 所示，抗滑移荷载P0和极限抗剪承载力Pu对比如图7 所示。可以发现不同混凝土板强度对应的荷载-滑移曲线基本重合，混凝土板强度对螺栓连接件的抗滑移荷载P0和极限抗剪承载力Pu几乎没有影响，究其原因在于所施加的螺栓预紧力相同，克服钢-混凝土界面摩擦力所需的荷载相同，故抗滑移荷载P0变化不大，在发生螺杆剪断破坏时，抗剪承载力主要取决于螺栓连接件自身性能，故极限抗剪承载力Pu变化不大。

图6 不同混凝土强度荷载-滑移曲线对比

图7 混凝土强度对抗滑移荷载和极限抗剪承载力的影响

3.2 螺栓强度的影响

为研究螺栓强度对可拆卸钢-混凝土组合梁中螺栓连接件抗剪性能的影响，选取5.6 级、6.8 级、8.8 级、10.9 级和12.9 级的螺栓连接件进行模拟分析。荷载-滑移曲线对比如图8 所示，抗滑移荷载P0和极限抗剪承载力Pu对比如图9所示。由图9可知，螺栓强度的改变对抗滑移荷载P0几乎没有影响，这是因为施加了相同的预紧力。极限抗剪承载力Pu与螺栓强度大致上呈线性关系，采用12.9 级、10.9 级、8.8 级、6.8 级的螺栓相较于采用5.6 级的螺栓，极限抗剪承载力Pu分别增长了68.5%、53.3%、34.6%和14.8%，极限抗剪承载力随螺栓强度的增加而显著增加。

图8 不同螺栓强度荷载-滑移曲线对比

图9 螺栓强度对抗滑移荷载和极限抗剪承载力的影响

3.3 螺栓预紧力的影响

为研究螺栓预紧力大小对可拆卸钢-混凝土组合梁中螺栓连接件抗剪性能的影响，分别对螺栓连接件施加了40 kN、60 kN、80 kN、100 kN 和120 kN的预紧力。荷载-滑移曲线对比如图10 所示，抗滑移荷载P0和极限抗剪承载力Pu对比如图11 所示。可以发现，抗滑移荷载P0随施加的预紧力的增长呈线性增长，施加120 kN、100 kN、80 kN和60 kN的预紧力相较于施加40kN 的预紧力，抗滑移荷载P0分别增长了60.7%、46.4%、28.6%和14.3%，这是因为施加的预紧力越大，钢-混凝土界面的摩擦力越大。极限抗剪承载力Pu变化较小，螺栓预紧力对极限抗剪承载力影响较小。

图10 不同螺栓预紧力荷载-滑移曲线对比

图11 螺栓预紧力对抗滑移荷载和极限抗剪承载力的影响

4 结语

采用ABAQUS 有限元软件，对可拆卸钢-混凝土组合梁中螺栓连接件的抗剪性能进行研究，分析混凝土板强度、螺栓强度和螺栓预紧力大小对抗剪性能的影响，结果表明：推出试件的最终破坏模式为螺栓剪断，同时螺栓下方混凝土出现受压损伤；螺栓连接件的抗剪过程可以分为摩擦抗剪阶段、螺杆承压抗剪阶段和塑性阶段；当发生螺杆剪断破坏时，混凝土板强度的改变对抗剪性能影响较小；螺栓的极限抗剪承载力随螺栓强度的增加而增加，且增加显著；施加更大的螺栓预紧力可以在钢-混凝土界面获得更大的摩擦力，从而获得更大的抗滑移荷载。