装配式钢-薄层UHPC组合梁大直径短栓钉连接件抗剪性能有限元分析*

任 重 袁宇清 陈 阳,2

(1.上海大学力学与工程科学学院, 上海 200444; 2.绿色建筑全国重点实验室,西安建筑科技大学, 西安 710055)

0 引 言

钢-混凝土组合结构是在钢结构和钢筋混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构,可充分发挥钢材抗拉强度高、塑性好和混凝土抗压性能好的优点。抗剪连接件是钢-混凝土组合梁中保证钢梁与混凝土面板共同受力的关键部件[1]。栓钉连接件因为其强度高、变形性能好、受力各向同性、焊接施工便捷等优点而被广泛应用[2]。

目前,已有学者针对常规直径栓钉的静力性能和疲劳性能开展了大量研究。Viest等对栓钉抗剪连接件的力学性能进行了系统研究[3-4],结果表明,影响栓钉抗剪承载力的主要因素包括栓钉屈服强度和混凝土强度等级。丁发兴等通过试验研究和数值模拟相结合的方式对栓钉连接件进行了研究[5],结果表明,栓钉抗剪承载力随着栓钉直径、屈服强度和混凝土强度提高而增大,并提出了考虑上述影响因素的栓钉抗剪承载力和荷载-滑移曲线计算方法。文献[6-7]对栓钉疲劳性能进行了试验研究,并对其疲劳寿命进行了评估。近些年来,随着装配式建筑的广泛应用,学者们也开始对装配式组合构件中栓钉连接件进行研究。钟琼等通过静力推出试验对装配式栓钉连接件的力学性能进行了研究[8],结果表明,试件破坏模式主要为栓钉剪断和混凝土板开裂破坏,预制孔内填充材料对栓钉破坏模式有一定影响。Wang等对装配式集束式栓钉连接件进行了试验研究[9],结果表明,装配式集束式栓钉抗剪连接件与现浇栓钉连接件的抗剪承载力基本一致。

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,简称UHPC)因其高强度、耐久性以及抗拉强度好的特点被广泛应用到钢-UHPC组合桥面板结构中。考虑到为减轻结构自重,提高桥面结构耐久性,邵旭东等提出一种钢-薄层UHPC轻型组合桥面结构[10],其中UHPC薄板厚度通常为35～60 mm,由于面板高度受限,常规栓钉因其较大的长径比(GB 50017—2017《钢结构设计标准》[11]规定栓钉长径比大于4)已无法满足在UHPC薄板中的应用需求,因此,后续学者相继开展薄层UHPC板中短栓钉(长径比小于4的栓钉)的静力性能和疲劳性能研究。翁雪微对直径为13 mm的短栓钉和普通栓钉连接件进行有限元分析[12],研究结果表明,短栓钉的变形和应力分布与普通栓钉连接件基本一致,且抗剪承载力满足要求。Cao等对直径为13 mm的短栓钉连接件进行静力与疲劳试验[13],试验结果表明,试件的破坏模式均为栓钉剪断,UHPC层未发现明显损伤。但是,考虑到在钢-薄层UHPC组合结构体系的一些高剪力区段,需要焊接大量的栓钉来增强钢-UHPC之间的纵向抗剪能力,而过多的栓钉焊接数量会产生群钉效应,导致栓钉应力传递不均匀[14]。因此,本文提出将大直径短钉应用到装配式钢-薄层UHPC组合梁中,一方面可以减少栓钉的焊接数量,提高施工进度;另一方面,通过增大栓钉直径可以大幅提高栓钉的抗剪性能。此处提到的大直径栓钉是一个相对概念,本文定义22 mm以上直径的栓钉为大直径栓钉,22 mm直径以下为常规栓钉。

目前已有大直径栓钉在UHPC中的相关研究结果表明,大直径栓钉能在UHPC混凝土中充分发挥其抗剪强度[15-16],两者具有一定的适配性。但长径比小于4的大直径短栓钉在装配式钢-薄层UHPC组合梁中的抗剪性能研究鲜有报道。在装配式钢-薄层UHPC组合梁中,由于UHPC薄板高度受限,经栓杆高度降低且直径增大后的大直径短钉纵向抗剪性能和竖向抗掀起能力如何,是目前亟待解决的关键问题。

基于此,本文旨在通过有限元分析软件ABAQUS建立装配式钢-薄层UHPC大直径短栓钉连接件的推出试件有限元模型,通过9个有限元模型分析比较栓钉直径、孔洞大小、孔洞形状、栓钉数量对装配式钢-薄层UHPC大直径短栓钉连接件的抗剪承载力、抗剪刚度与荷载-滑移曲线的影响规律。参照已有的3种规范,对抗剪承载力结果进行分析评估,为大直径短栓钉在组合梁与组合桥面结构中的工程设计与应用提供参考。

1 有限元模型建立与验证

1.1 模型介绍

本次研究通过ABAQUS有限元软件共设计并建立9个1/4推出试件模型,主要分析栓钉直径、预制孔洞大小、栓制孔洞内栓钉数量对栓钉连接件抗剪性能的影响规律,具体参数如表1所示。本次建模参考文献[17]中的推出试件尺寸,在建立的9个试件中,T1试件为现浇试件,T2～T9为装配式试件,所有试件几何尺寸均相同,混凝土板长450 mm、宽60 mm、高500 mm,型钢为HW300×300×10×15。试件的具体截面尺寸如图1所示。

a—正视;b—侧视;c—俯视;d—栓钉尺寸。

表1 试件参数

1.2 本构关系

1.2.1混凝土本构

a—单轴拉伸应力-应变曲线; b—单轴压缩应力-应变曲线。

表2 混凝土塑性损伤参数

1.2.2钢材本构

模型中钢材包括栓钉、钢梁和钢筋3部分。钢材的基本材料属性见表3。

表3 钢材材料参数

栓钉本构采用文献[5]中的三折线本构模型,如图3所示,其中fy为钢材屈服强度,fu为钢材抗拉强度,fu=1.2fy;εy为钢材屈服应变,εu为钢材到达极限强度时的应变,εu=21εy。钢梁和钢材本构采用理想弹塑性模型。

图3 栓钉本构关系曲线

1.3 接触关系与边界条件

推出试验模型在钢梁和混凝土板之间采用面面接触的形式,采用法向硬接触,切向无摩擦的接触方式;钢筋和混凝土板之间采用嵌入约束;采用Tie接触定义栓钉与混凝土之间的接触关系。预制混凝土部分和钢梁之间采用法向硬接触和切向无摩擦的接触方式,预制混凝土板孔壁和后浇混凝土之间采用Tie连接;相对预制混凝土,后浇混凝土与钢梁之间具有更高的界面黏结力,故将后浇混凝土和钢梁之间接触采用法向硬接触和0.2的切向摩擦系数[21]。

混凝土部件底部采用固定约束,约束混凝土试块底面所有的平动自由度和转动自由度;在X和Z方向的对称边界面上施加的对称边界条件,与实际试验情况保持一致。加载方式为位移加载,在钢梁的上部表面施加竖直向下的位移荷载,具体如图4所示。

a—底部约束; b—Z面对称约束; c—X面对称约束; d—位移加载。

1.4 网格属性

预制混凝土板、钢梁、栓钉以及后浇混凝土部分网格采用C3D8R单元,在应力集中部位划分较小的网格。预制混凝土板网格尺寸取为12 mm,后浇部分网格取为8 mm,钢梁网格取为10 mm,栓钉网格取为8 mm,在钢梁与混凝土接触侧翼缘处采用局部种子布种。钢筋采用T3D2单元,单元网格尺寸取8 mm。

1.5 模型验证

为验证UHPC与大直径栓钉的本构关系,选取文献[17]中UHPC大直径栓钉推出试件进行模型验证,同时为验证装配式栓钉连接件的建模方法,选取文献[8]中现浇与预制装配式栓钉推出试件进行模型验证,试件参数信息如表4所示。

表4 已有文献试件参数

有限元计算结果与试验得到的荷载-滑移曲线对比如图5所示,查阅文献[17]与文献[8]中的试验现象,推出试件破坏模式均为栓钉根部被剪坏,混凝土板局部被压坏,有限元中试件破坏模式如图6所示。由图5和图6可知,上述建模方法在荷载-滑移曲线和破坏模式上与试验得到的数据和试验现象吻合良好,因此本文的推出试件建模分析方法是准确可靠的。

a—文献[17]中UHPC大直径栓钉试件; b—文献[8]中现浇试件; c—文献[8]中装配式试件。

a—文献[17]中UHPC大直径栓钉试件; b—文献[8]中现浇试件; c—文献[8]中装配式试件。

2 有限元计算结果及分析

2.1 荷载-滑移曲线

通过有限元软件对9个试件进行分析,并将数据整理得出结果,发现9个试件的荷载-滑移曲线趋势基本一致,典型的荷载-相对滑移曲线如图7所示。各个试件的抗剪承载力Pu如表5所示。

图7 典型荷载-滑移曲线

表5 试件抗剪承载力

由计算结果可知,9个试件的荷载-滑移曲线的趋势基本一致,故采用T4的荷载-滑移曲线作为典型曲线来分析。如图7所示,在曲线的初始阶段AB,试件处于线弹性阶段,试件所承受的荷载和相对滑移的大小呈线性关系,试件变形为弹性变形。当到达B点(约80%Pu,Pu为峰值荷载)时,曲线呈现明显的非线性,此时栓钉达到屈服强度,试件所承受的荷载和相对滑移之间不再呈线性关系。C点达到试件的峰值荷载Pu,C点之后为试件的破坏阶段,此时栓钉根部下方混凝土被局部压碎,随着滑移的不断增加,栓钉达到其极限抗拉强度,栓钉被剪断,混凝土板局部压坏。EC 4中规定抗剪连接件的特征滑移值大于6 mm为延性连接件,本文研究中的装配式钢-薄层UHPC中22,25,30 mm的大直径短栓钉连接件的最大滑移均不超过6 mm,因此装配式钢-薄层UHPC中大直径短栓钉连接件的抗剪延性问题尚需重点关注。

2.2 破坏模式

以试件T4为典型试件,利用有限元软件得到试件T4在弹性、非线性和破坏阶段的应力云图如图8所示,由图可知,在弹性阶段,栓钉整体应力较小,根部应力相对较大,混凝土板下孔壁部位开始出现应力集中现象,应力值相对较小;在非线性阶段时,栓钉根部应力明显增大,全截面到达屈服强度,混凝土板下孔壁部位应力值和压溃范围均增大;当到达破坏阶段时,栓钉根部全截面达到极限强度,混凝土板下孔壁部位压溃范围进一步增大,最终破坏模式为栓钉剪断和混凝土板局部压坏。

a—弹性阶段; b—非线性阶段; c—破坏阶段。

利用有限元软件分析得到试件T3、T6、T7、T9中栓钉和混凝土板破坏阶段的应力云图如图9所示。从试件钢梁栓钉应力云图可知,栓钉栓杆根部应力最大,且应力已经到达其极限抗拉强度,栓杆根部具有较大的变形,发生栓钉剪断,相对而言,钢梁和栓钉栓杆顶部的应力均很小;从试件混凝土板应力云图可知,混凝土板下孔壁由于栓钉根部的局部挤压,变形增大,出现混凝土板局部压坏的情况,而且从混凝土板应力云图可以看出,压溃区域相对较小,集中在栓钉根部断面下方,孔洞形状对破坏模式影响不大。所有试件破坏模式均为栓钉剪断,混凝土板局部压坏,未出现栓钉拔出破坏。

a—试件T3;b—试件T6;c—试件T7;d—试件T9。

2.3 参数分析

为了深入探究装配式钢-薄层UHPC大直径短栓钉连接件的抗剪机理,采用本文提出的精细化建模方法进行参数分析,主要研究参数有:栓钉直径、孔洞大小、孔洞形状、单个孔内配置栓钉个数。

2.3.1栓钉直径

建立22,25,28 mm三种不同直径的装配式栓钉有限元模型,其荷载-滑移曲线与抗剪承载力对比如图10所示。可以看出,栓钉直径对其抗剪承载力影响显著,栓钉直径增大,抗剪截面面积增大,抗剪承载力提升明显。当栓钉直径从22 mm增大到25 mm,从25 mm增大到28 mm时,试件的抗剪承载力分别提高了20.0%和14.9%。同时随着栓钉直径的增加,连接件抗剪刚度也有所增大,在图10a中表现为试件T3在弹性阶段的曲线斜率高于T4和T2。对比试件T1和T4的曲线可以发现,装配式栓钉连接件的抗剪承载力略大于现浇栓钉连接件,此外,T1和T4的破坏模式也基本一致,因此,装配式栓钉连接件的抗剪性能基本等同现浇。

a—荷载-滑移曲线; b—荷载-栓钉直径曲线。

2.3.2孔洞大小

建立70,90,120 mm的不同边长后浇部分的装配式栓钉有限元模型,其荷载-滑移曲线与抗剪承载力对比如图11所示。由图可以看出,当孔洞边长从70 mm增大到90 mm,从90 mm增大到120 mm时,试件的抗剪承载力分别提高了1.7%和0.3%,可以看出后浇部分孔洞大小对装配式栓钉的抗剪承载力影响较小,且当孔洞边长增大到90 mm以上时,试件的抗剪承载力基本不再增加。此外,试件T4、T5、T6的荷载-滑移曲线在弹性阶段斜率基本一致,证明了孔洞大小对试件的抗剪刚度也基本没有影响。

a—荷载-滑移曲线;b—荷载-孔洞边长曲线。

2.3.3孔洞形状

建立矩形、圆形、楔形的不同孔洞形状的装配式栓钉有限元模型,其荷载-滑移曲线与抗剪承载力对比如图12所示。可以看出,矩形孔洞的抗剪承载力分别高于圆形孔洞与楔形孔洞1.9%和3.1%,相对而言,矩形孔洞形状的试件抗剪承载力稍高,且孔洞形状对试件的抗剪刚度影响较小。

a—荷载-滑移曲线; b—荷载-孔洞形状曲线。

2.3.4栓钉个数

建立单个孔洞内一个25 mm直径(抗剪截面面积490.6 mm2)的试件T6和单个孔内2个16 mm直径(抗剪截面面积401.9 mm2)的试件T9,其荷载-滑移曲线与抗剪承载力对比如图13所示。由图可以看出,单孔内配置2个16 mm直径栓钉连接件的抗剪刚度略高,而单孔内配置1个25 mm直径栓钉连接件的抗剪承载力略高,综合两种布置方式的栓钉连接件抗剪性能,单孔内一个25 mm直径的大直径栓钉可代替2个16 mm直径的常规栓钉,这对于减少栓钉焊接数量、降低群钉效应和加快施工进度具有一定的有利作用。

a—荷载-滑移曲线;b—荷载-栓钉个数曲线。

3 抗剪承载力计算

关于栓钉的抗剪承载力计算方法,大多规范是针对直径为13～25 mm的栓钉提出的,典型的计算公式主要有下列三种:

第一种是我国GB 50017—2017[11]建议的抗剪承载力计算式,如式(1)所示:

(1)

式中:Pu为栓钉抗剪承载力;As为栓钉的截面面积;Ec为混凝土弹性模量;fc为混凝土抗压强度;fu为栓钉极限抗拉强度。

第二种是EC 4[22]中给出的计算式,如式(2)所示:

(2)

式中:Ecm为混凝土弹性模量;α为栓钉高度影响系数,α=0.2[(h/d+1)]≤1.0;h为栓钉高度;d为栓钉直径;fck为混凝土圆柱体标准抗压强度;Ad为栓钉的截面面积;γ为分项系数,取值为1.25;其余参数同上。

第三种是AASHTO LRFD规范[23]给出的栓钉抗剪承载力计算式,如式(3)所示:

(3)

将上述规范中的抗剪承载力计算结果与有限元模拟结果绘制于图14,由图14可以发现,我国钢结构规范和EC 4计算结果偏保守,约为有限元计算结果的80%和73%。AASHTO LRFD规范中的计算预测结果与本文研究得到的结果较为接近。

图14 抗剪承载力与各国规范对比

由于有限元数据有限,结果可能存在一定误差,为进一步验证AASHTO LRFD规范中的计算公式,根据本文除T9外的8个抗剪栓钉连接件分析结果和搜集到的国内外6个在UHPC中试验结果,与AASHTO LRFD规范计算值进行比较,并将其试验数据与计算结果列于表6,表中Pu为本文有限元得到的模拟值与已有文献试验抗剪承载力,Ps为AASHTO LRFD规范得到的计算抗剪承载力。由表6可以看出,Ps/Pu的平均值为0.92,变异系数为7.23%。故可利用AASHTO LRFD规范提供的算式来计算装配式钢-薄层UHPC组合梁中长径比小于4的大直径短钉抗剪承载力。

表6 抗剪承载力计算值对比

4 结束语

通过9个装配式钢-薄层UHPC大直径短栓钉推出试件的有限元模型,分析了栓钉直径、预制孔洞大小、预制孔洞形状以及单孔内配置栓钉数量对其抗剪性能的影响,研究了大直径短栓钉在装配式钢-薄层UHPC组合梁中的受力机理和破坏机制,建立了适用于装配式钢-薄层UHPC组合梁的大直径短栓钉抗剪承载力计算公式,具体结论如下:

1)装配式钢-薄层UHPC中大直径短栓钉推出试件主要破坏模式为栓钉剪断,UHPC板局部压坏,未出现拔出破坏,且装配式钢-薄层UHPC中大直径短栓钉较现浇式栓钉抗剪承载力有所提升,验证了大直径短钉在装配式钢-薄层UHPC组合梁中的适用性。

2)装配式钢-薄层UHPC中大直径短栓钉抗剪承载力受栓钉直径影响显著,受预制孔洞大小与预制孔洞形状影响较小。单个预制孔内配置1个25 mm直径的大直径短栓钉与配置2个16 mm直径的小直径短栓钉作用效果相当,因此,采用大直径短栓钉对解决高剪力区段群钉效应具有一定意义。

3)通过对比发现,EC 4和GB 50017—2017中的计算方法低估了装配式钢-薄层UHPC大直径短栓钉的抗剪承载力,通过AASHTO LRFD中计算式得到的抗剪承载力与本文以及国内外相关试验数据吻合较好。因此,建议采用AASHTO LRFD提供算式来计算装配式钢-薄层UHPC组合梁中大直径短钉的抗剪承载力。

4)本文研究中的装配式钢-薄层UHPC大直径短栓钉连接件滑移均不超过6 mm,不满足EC 4规范中规定的延性连接件要求。因此,对于此大直径短栓钉连接件,其抗剪延性提升机制还有待进一步深入研究。