不同锈蚀程度下栓钉连接件的抗剪性能分析

王亮， 魏欢博， 高亚杰， 任万敏， 卫星

1）中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031；2）焦作师范高等专科学校，河南焦作 454011；3）西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031

钢混组合结构能充分发挥混凝土和钢材的性能，近年来在中国公路和铁路桥梁中所占的比例逐步提高［1-3］.桥梁长期服役过程中，暴露在空气中的钢构件需要通过涂装防锈.外荷载长期作用下钢梁与混凝土板间的结合面会产生相对滑移，导致交界面产生间隙，使得腐蚀介质从间隙侵入.剪力连接件是钢-混组合结构能协同工作的关键构件［4］.腐蚀介质从混凝土与钢梁的交界面侵入后，可能导致栓钉产生锈蚀，使栓钉传递剪力的性能退化，从而减弱混凝土和钢梁的协作能力，影响钢混组合梁静力行为［5］、抗弯性能［6-7］、长期变形［8］及疲劳性能［9-10］.研究锈蚀影响下的钢混组合梁中栓钉剪力连接件抗剪性能退化规律，分析栓钉表面的锈蚀机理，保证钢混组合梁在设计基准使用期内的耐久性，具有重要的工程应用价值及理论意义［11-14］.国内外学者基于锈蚀栓钉连接件的推出试验及数值模拟方法，研究了锈蚀对栓钉连接件抗剪性能的影响，结果表明，栓钉直径会随着锈蚀率的增大而减小，栓钉抗剪承载力及抗剪刚度也会随锈蚀率增大而减小，栓钉锈蚀后会影响钢混组合梁疲劳性能，栓钉锈蚀率的增加使组合梁疲劳寿命下降，使负弯矩区组合梁在经历相同疲劳加载次数后的残余变形增加［15-21］.

锈蚀栓钉抗剪性能退化的主要原因是锈蚀引起栓钉体积的损失［22-23］.锈蚀分布范围和锈蚀深度是描述锈蚀程度的主要参数.为研探究锈蚀分布范围和锈蚀深度引起的栓钉连接件抗剪性能退化规律，本研究基于数值模拟方法，建立不同锈蚀程度的栓钉模型，分析了均匀圆环、受压区半环、受拉区半环及拉压区半环4种不同锈蚀形态下，不同锈蚀深度和锈蚀高度对栓钉连接件抗剪承载力和抗剪刚度的影响规律.

1 有限元建模及验证

1.1 有限元建模及验证

本研究采用ABAQUS 建立栓钉推出模型（图1）.为验证所建立有限元模型的有效性，采用与文献［14］试件相同的混凝土块尺寸、栓钉尺寸和钢板尺寸.为提高计算效率，利用对称性选取1/4 推出试件建立有限元分析模型，包括栓钉连接件、钢筋、1/2混凝土和1/2钢梁共4个部分.其中，栓钉直径为22 mm，高度为100 mm.

图1 栓钉推出试验有限元模型Fig.1 (Color online) Finite element model of stud push-out test.

本研究选用ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型（图2）.其中，Ec为混凝土弹性模量；σ0为单轴拉伸情况下的屈服应力；为单轴拉伸情况下的开裂应变；为单轴拉伸情况下的弹性应变；为单轴拉伸情况下的等效塑性应变；为单轴拉伸情况下的等效弹性应变；dt为单轴拉伸情况下的受拉损伤演化参数；σc0为单轴压缩情况下的屈服应力；σcu为单轴压缩情况下的极限应力；为单轴压缩情况下的非弹性应变；为单轴压缩情况下的弹性应变；为单轴压缩情况下的等效塑性应变；为单轴压缩情况下的等效弹性应变；dc为单轴压缩情况下的受压损伤演化参数.

图2 混凝土单轴应力-应变曲线 （a）受拉； （b）受压Fig.2 Stress-strain curve of concrete. (a) Tension, (b) compression.

栓钉连接件采用的材料为ML15，钢梁采用的材料为Q345qD，两者都选取三折线式的弹塑性本构模型，如图3（a）；钢筋材料是HRB400，选取双折线本构模型（图3（b））.其中，Es为钢材弹性模量；σy为屈服应力；σu为极限应力；εy为屈服应变；εu为极限应变.混凝土、栓钉连接件和钢梁均采用三维8节点实体线性减缩积分单元（C3D8R）进行模拟，钢筋单元采用三维两节点线性桁架单元（T3D2）.混凝土和钢筋之间的黏结滑移忽略不计，栓钉连接件与混凝土之间和混凝土和钢梁之间均采用表面-表面的接触关系.

图3 钢材应力-应变曲线 （a）Q345qD； （b）HRB335Fig.3 Stress-strain curve of steel. (a) Q345qD, (b) HRB335.

本研究计算得到的栓钉连接件的荷载-位移曲线与文献［14］获得的曲线结果如图4.由图4可见，数值模拟和文献［14］试验所得到的栓钉连接件荷载-滑移曲线的变化趋势基本一致，数值分析得到的栓钉连接件极限承载力约为143.9 kN，与文献［14］的试验值132.8 kN 的误差为8.3%.这说明本研究栓钉连接件建模开展数值分析方法有效，分析结果可靠.

图4 荷载-位移曲线数值分析和试验结果对比Fig.4 Comparison of load-slip curve from FEM data (square )and test data (circle, Ref [14]).

1.2 锈蚀栓钉的推出模型

为研究栓钉锈蚀后抗剪承载力和抗剪刚度的退化规律，采用Eurocode 4 标准推荐的推出试件模型，对直径为22 mm、高度为100 mm 的栓钉连接件进行数值分析.标准推出试件的尺寸如图5.实际结构中栓钉的锈蚀分布形式多样，且存在一定的随机性.本研究假定了4 类标准的锈蚀区域形态［13，24］，包括均匀圆环（A类）、受压区半环（B类）、受拉区半环（C类）和拉压区半环（D类），如图6.

图5 标准推出试件示意图（单位： mm） （a）立面图； （b）侧视图； （c）俯视图Fig.5 Push-out test specimen. (a) Elevation view, (b) side view, and (c) top view. (unit: mm)

栓钉锈蚀程度主要从不同的锈蚀深度Cd和不同的锈蚀高度Ch来加以分析，锈蚀深度Cd分别取栓钉直径的5%d、10%d、15%d、20%d和25%d（d为栓钉直径），锈蚀高度Ch分别取栓钉高度的5%h、10%h、20%h和30%h（h为栓钉高度），对20个不同组合的模型进行分析.

2 分析结果

荷载-滑移曲线能很好地反映栓钉连接件的力学性能，通常由弹性阶段和塑性发展阶段构成.栓钉抗剪刚度反映了推出试件在弹性阶段抗滑移性能，即栓钉连接件荷载-滑移曲线在弹性阶段的斜率.本研究利用荷载-滑移曲线的相对滑移值为0.2 mm 处对应的割线斜率计算得到栓钉的抗剪刚度.

2.1 均匀锈蚀

当栓钉锈蚀率较低时，栓钉锈蚀形态通常表现为均匀锈蚀.图7给出了锈蚀深度Cd分别为5%d和25%d时所对应的栓钉不同锈蚀高度的荷载-位移曲线.由图7可见，栓钉承载力随锈蚀深度的增加显著减小，而锈蚀高度对栓钉承载力影响不明显，极限承载力基本都是在栓钉锈蚀高度为10%h时降到最低，锈蚀高度继续增加时栓钉抗剪承载力无明显降低.锈蚀深度较小时，栓钉的抗剪刚度随锈蚀高度的增加变化不明显，锈蚀深度较大时，栓钉的抗剪刚度随锈蚀高度的增加而减小.

图7 不同锈蚀深度的荷载-位移曲线 （a）Cd = 5%d；（b）Cd = 25%dFig.7 Load-slip curve under different corrosion depth.(a) Cd = 5%d and (b) Cd = 25%d at Ch of 0 (solid circle), 5%h(solid square), 10%h (solid triangle), 20%h (square), and 30%h (triangle).

不同锈蚀高度（Ch）时栓钉连接件承载力随锈蚀深度的变化可扫描论文末页右下角二维码，查看补充材料图S1.图8给出了不同锈蚀深度Cd的栓钉连接件抗剪刚度随锈蚀高度的变化曲线.由补充材料图S1和图8可见，栓钉连接件的抗剪承载力和抗剪刚度随锈蚀深度（Cd）的增加，大致呈现线性下降趋势.锈蚀高度超过10%h后，栓钉连接件的抗剪刚度随锈蚀高度增加大致呈非线性降低.

图8 抗剪刚度随锈蚀高度变化Fig.8 Shear stiffness vs. corrosion height at Cd is 5%d (solid square), 10%d (solid circle), 15%d (solid triangle), 20%d(square), and 25%d (circle).

2.2 四种不同锈蚀形态对比

为分析锈蚀形态对栓钉连接件抗剪承载力和抗剪刚度的影响，图9和图10分别给出了不同锈蚀深度和锈蚀高度下A、B、C和D四类不同锈蚀形态下栓钉连接件荷载-位移曲线.

图9 不同锈蚀形式的荷载-位移曲线（Cd = 5%d） （a） Ch =5%h； （b）Ch = 30%hFig.9 Load-slip curve of different corrosion forms for Cd =5%d. (a) Ch = 5%h and (b) Ch = 30%h at corrosion types of none(solid circle), A (solid square), B (solid triangle), C (square), and D (triangle).

图10 不同锈蚀形式的荷载-位移曲线（Cd = 25%d）（a） Ch = 5%h； （b）Ch = 30%hFig.10 Load-slip curve of different corrosion forms for Cd =25%d. (a) Ch = 5%h and (b) Ch = 30%h at corrosion types of none (solid circle), A (solid square), B (solid triangle), C (square),and D (triangle).

由图9和图10可见，对于同一锈蚀深度和锈蚀高度，无论那种锈蚀形态都会导致栓钉的抗剪承载力和抗剪刚度降低.其中，A类均匀圆环锈蚀引起的承载力和刚度降低程度最大，B类受压区半圆环锈蚀引起的承载力和刚度降低程度最小，C 类和D类引起的承载力和刚度降低程度接近.相同的锈蚀深度和锈蚀高度，A类锈蚀对栓钉的截面面积和惯性矩削弱最严重，导致栓钉的抗剪、抗弯承载力和刚度显著降低.

2.3 锈蚀栓钉抗剪性能退化机理

钢混组合梁中栓钉连接件受力复杂，可能同时会受压、拉、弯和剪等作用力.在推出试件中，剪力通过栓钉根部混凝土的受压作用直接传到混凝土板中，栓钉后侧的混凝土与栓钉表面产生挤压，主要表现为压碎，栓钉前侧的混凝土在根部与栓钉脱开，刚度和约束作用减小，主要表现为钉帽部位受压而使栓钉受弯作用明显.栓钉连接件的受力机理见图11.

图11 栓钉连接件的受力机理Fig.11 Mechanical behavior of stud connectors.

栓钉受剪破坏和混凝土受压破坏是两种主要破坏形式.栓钉受剪破坏时，承载力主要来自于受剪面积.栓钉受力较大的位置出现在根部0～10 mm内，栓钉根部受到的剪应力和拉应力均最大，会先进入屈服.随着荷载增加，栓杆变形增加，杆身应力增大，最终栓钉根部发生剪断破坏.

《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》给出的栓钉剪断破坏的承载力为

其中，As为栓钉钉杆横截面面积；fsu为栓钉抗拉强度设计值.

栓钉抗剪刚度Kss为

其中，dss为栓钉杆部直径；fck为混凝土抗压强度标准值.

栓钉的锈蚀深度Cd越大，引起栓钉有效截面积As减小越多，抗剪承载力降低的越多.在式（1）基础上，按最不利的A类均匀锈蚀，经过数据拟合得出栓钉锈蚀后承载力为

弹性阶段栓钉与混凝土的相对滑移由混凝土压缩和栓钉杆身弯曲变形两部分组成，锈蚀发生时一方面引起栓钉直径减小，另一方面锈蚀物引起混凝土支撑刚度减小.锈蚀高度Ch会影响栓钉弯曲变形和剪切变形，进而影响栓钉抗剪刚度.按最不利的A类均匀锈蚀来看，经过数据拟合得出栓钉锈蚀抗剪刚度为

由式（4）可得到不同锈蚀深度和锈蚀高度下的栓钉抗剪刚度（表1）.由表1可见，式（4）计算结果与有限元分析结果很接近.

表1 抗剪刚度公式（4）计算值Table 1 Shear stiffness by equation 4

栓钉沿杆长的应力分布决定了锈蚀高度的影响范围是靠近根部0～10 mm.因此提高栓钉连接件耐久性的主要措施是阻断腐蚀介质从钢梁和混凝土的结合界面侵蚀路径，降低栓钉根部锈蚀风险.

3 结 论

1）通过合理建模，基于有限元方法开展栓钉连接件数值模拟与试验测试结果吻合较好，数值试验可用于锈蚀栓钉抗剪性能分析.

2）栓钉锈蚀深度Cd越大，引起栓钉有效截面积减小越多，抗剪承载力降低的越多.当栓钉锈蚀高度相同时，随着锈蚀深度的增加，抗剪承载力大致呈线性下降.

3）锈蚀高度Ch会影响栓钉弯曲变形和剪切变形，进而影响栓钉抗剪刚度.栓钉沿杆长的应力分布决定了锈蚀高度的影响范围是靠近根部0～10 mm.锈蚀高度为10 mm 时抗剪承载力降到最低，而抗剪刚度会随锈蚀高度Ch增加而降低.

4）均匀圆环锈蚀对栓钉抗剪性能影响程度最大，其次是受拉半圆环锈蚀，影响程度最低的是受压半圆环锈蚀.

5）提高钢混组合结构栓钉连接件耐久性的主要措施是阻断腐蚀介质从钢梁和混凝土的结合界面侵蚀路径，降低栓钉根部锈蚀风险.