集簇式栓钉连接件群钉效应研究

刘成章，洪兆远，柏 湘，史剑飞

（中机中联工程有限公司，重庆 400039）

钢混组合桥梁的建造目前朝着标准化、工业化、快速化的方向不断发展，装配式组合桥梁凭借其优势得到的广泛应用[1-2]。装配式组合桥梁目前主要是通过在钢梁上面设置集簇式栓钉与混凝土桥面板紧密连接。但是由于集簇式栓钉连接件中栓钉的布置密度较高，各排栓钉之间的群钉效应相当明显，这导致其与单钉连接件的受力性能存在很大的差异。目前各国规范仅给出了单钉承载力相关计算方法，并未对集簇式栓钉连接件中群钉效应的影响给出对应计算方法，针对于此点，国内外学者对集簇式栓钉连接件的群钉效应开展了一系列研究。

目前，GB50917-2013《钢-混组合桥梁设计规范》考虑混凝土强度（C30-C60）和群钉间距的影响，提出了普通混凝土中的集簇式栓钉连接件的群钉效应的计算方法[3]。Okada 等通过群钉推出试验研究发现当栓钉的纵向间距大于13d（d为栓钉的直径）时，栓钉之间的群钉效应可不予考虑。并且提出了考虑混凝土强度及栓钉间距的栓钉连接件抗剪承载力计算方法[4]。刘沐宇等针对长短型的集簇式剪力钉的布置特点，通过对应的集簇式栓钉连接件的推出试验，重点研究该类连接件的抗剪承载力的相关性能[5]。其研究表明短栓钉的直径和抗拉强度对该类连接件的力学性能影响较为显著。随后，大量学者对集簇式栓钉连接件的群钉效应开展了一系列研究。

本文以某文献中的集簇式栓钉连接件为设计依据，采用ABAQUS 建立其有限元模型，与文献中试件的承载力进行校核，进而对该类连接件的破坏形态、破坏机理进行分析，后对群钉效应的影响参数开展了分析，得到了相关参数的影响规律。

1 试件设计

参考文献[6]中的集簇式栓钉连接件GS1 的实验，其试件尺寸如图1 所示。钢梁采用Q345，其尺寸为600mm×190mm×20mm；混凝土采用C50，其尺寸为600mm×500mm×350mm。栓钉的规格为∅16mm×150mm（直径×高度）。钢筋采用热轧带肋钢筋，强度等级为HRB335，竖向钢筋和箍筋的直径分别为16mm 和8mm。其余材料的力学性能参数详细见表1 所示。混凝土的抗压强度和弹性模量分别为52.5MPa 和34.5GPa，混凝土层的保护层厚度选为60mm，栓钉间距选择为64mm（4d），横向间距为180mm，布置为2 列×3 排。

表1 材料参数

图1 试件尺寸示意图（mm）

2 有限元模型建立

2.1 模型概述

采用ABAQUS 建立集簇式栓钉连接件的有限元模型，其中混凝土板、栓钉以及工字钢梁部件采用三维实体单位进行模拟，混凝土板中的钢筋网采用桁架单元模拟。建模时直接将栓钉与工字钢板合并为同一部件，仅赋予不同的材料参数。钢筋直接嵌入到混凝土板内部。钢梁和混凝土、栓钉与混凝土孔壁之间采用面面接触关系。其法向均采用硬接触，切向采用罚函数。由于试件的钢混界面进行了涂油处理，因此钢混界面摩擦系数取成0，而栓钉和混凝土孔壁之间的摩擦系数取0.4。

由于试件关于双平面对称，为节省计算成本的考虑，此处仅建立1/4 模型进行有限元分析。分别在XOY平面和YOZ平面设置对称边界条件。在混凝土板的底部设置固结约束，在钢梁顶面形心处设置参考点，将参考点与钢梁平面耦合，在参考点施加位移荷载进行加载。全局的整体有限元网格模型如图2 所示。

图2 有限元模型

2.2 材料本构

栓钉、钢梁与钢筋均采用双折线本构模型，混凝土采用损伤塑性本构模型。根据损伤塑性本构要求，混凝土的单轴拉伸与单轴压缩的本构应力应变曲线按照规范GB50010-2010《混凝土结构设计规范》中选取。

2.3 模型验证

试件的破坏形态为栓钉被剪断，栓钉周围的混凝土出现压溃现象，破坏示意图见图3 所示。从图中可以明显看出，栓钉周围的混凝土应力已经超限（混凝土被压溃），栓钉根部出现破坏（栓钉被剪断）。试件的破坏形态与文献[6]的推出试验的破坏形态相一致。本文模拟的集簇式栓钉连接件的抗剪极限承载力为1 432kN，文献[6]的实测结果为1 451.6kN。两者的抗剪极限承载力相差仅1.3%，这说明本文的数值模型可以反映集簇式栓钉连接件的破坏过程和极限承载力。

图3 破坏模式

3 群钉效应机理分析

当开始加载时，栓钉周围的混凝土受到的压应力较小，其混凝土板的横向变形也比较小；但随着顶部荷载的进一步增大，栓钉底部的混凝土承受的压应力逐渐增大，混凝土内部开始出现裂缝。但栓钉周围的局部混凝土会提高约束作用，该区域的受压混凝土的强度和延性得到提高。在栓钉的弹性受力阶段，可以将其视为弹性地基梁结构，如图4 所示。

图4 单个栓钉受力示意图

当在钢梁上部承载竖向荷载F时，此时，栓钉根部A 端会随着钢板的下移产生比较大的竖向位移，而远离钢板端的B 端（栓钉头部）会阻碍A端的下移。随着荷载的不断加大，栓钉根部A 端下侧的混凝土最先进入到塑性状态，该区域的混凝土提供的反力不再增加。但是附件区域的混凝土仍然可以承载一定的荷载，随着竖向荷载F的进一步增加，混凝土的塑性区域很快地会从栓钉根部区域A 端向栓钉头部区域B 端扩展，直至栓钉被剪断或者混凝土整体不能承载压力时，栓钉连接件的承载力达到极限状态。

群钉连接件与单个栓钉的主要区别在于单个栓钉试件周围的混凝土区域较大，混凝土所能提供的反力较大，而集簇式栓钉连接件由于栓钉排列比较紧密，导致混凝土提供的反力较小，因此，和单钉试件相比较，在破坏过程中出现极限滑移较大和承载力下降的现象。

4 群钉效应参数研究

在集簇式栓钉连接件中，群钉效应的存在会导致连接件的抗剪承载力有所降低。目前一般认为影响群钉效应的参数主要有栓钉间距离、混凝土板的强度等。因此，针对群钉效应的影响参数开展有限元分析，分析其对集簇式栓钉连接件抗剪承载力的影响。

4.1 间距影响

以文中的试件为基准模型（栓钉的排数选取为3 排，混凝土强度等级为C50），分别调整栓钉的间距为4～11d，所有试件的单钉平均承载力如图5 所示。

图5 间距影响

从图5 中看出，当栓钉间距由4d 增加至11d的过程中，试件的单钉平均承载力在不断增加，从最开始的119.3kN 增加至137.2kN，单钉的平均承载力增加了15.1%。承载力的增量与栓钉间距呈现出线性增长趋势。但试件的极限滑移量变化不大，由4d 增加至11d 时，极限滑移量变化仅3%。这说明栓钉间距对平均承载力的影响比较明显，对极限滑移量的影响较小。并且滑移量也满足欧洲规范中关于连接件的延性要求（极限滑移量大于6mm）。

对于集簇式栓钉连接件，当混凝土强度和尺寸确定之后，间距对其的影响主要是两排栓钉之间的混凝土对栓钉的约束作用，当间距过小时，栓钉上部的混凝土会处于该栓钉对其的拉应力和前排栓钉对其的压应力相互作用过程中。两者之间的拉压应力相互重叠，削弱了混凝土对栓钉的约束作用，引起栓钉的抗剪承载力的下降。但当间距达到一定间距之后，当栓钉周围混凝土不再处于应力重叠状态下，此时群钉效应便不再存在，一般规范规定在普通混凝土中，当栓钉间距达到13d 时，集簇式栓钉连接件的承载力计算时不再考虑群钉效应的影响。

4.2 混凝土强度影响

为研究混凝土强度对集簇式栓钉连接件群钉效应的影响。以文中的试件为基准模型（栓钉的间距选择为4d，排数选择为3 排），混凝土强度分别为C50、C60、C70、C80、C120。对应工况下的试件极限承载力和极限滑移量见图6 所示。

图6 混凝土强度影响

从图6 中可以看出，单钉的平均极限承载力随混凝土强度的增加而逐渐增加。当强度由C50增加至C120 过程中，单钉平均极限承载力由119.3kN 增加143.8kN，平均极限承载力增加了20.5%。并且当混凝土为UHPC（120MPa），单钉承载力超过材料极限承载力（抗拉强度与截面面积之积）。这表明UHPC 材料对栓钉的抗剪承载力存在一定的增强作用，在进行UHPC 中的集簇式栓钉连接件抗剪承载力计算过程中，应考虑UHPC 的增强作用。极限滑移量随混凝土强度的增加呈现出逐渐减小的趋势，当强度由C50 增加至C120 过程中，极限滑移量由6.7mm 降至5.76mm，极限滑移量降低了14%。并且当混凝土材料为UHPC 时，极限滑移量不满足6mm 的要求，主要是由于UHPC 材料具有较高强度，导致栓钉难以发生变形。总体而言，集簇式栓钉连接件的群钉效应随混凝土强度的增加而逐渐减小。

5 结论

本文针对集簇式栓钉连接件的群钉效应开展了机理分析和影响参数分析，主要有以下结论。

1）集簇式栓钉连接件的群钉效应存在的主要原因是两排栓钉之间的混凝土板存在应力重叠现象，导致该区域混凝土出现裂缝，进而造成了栓钉的承载力出现下降。

2）栓钉的间距对群钉效应的影响最为明显，当栓钉间距不断增大的过程中，试件的单钉平均承载力不断增加，但滑移量变化不是很大，这表明群钉效应随栓钉间距增加而不断减小，当间距达到一定值时，群钉效应消失。

3）混凝土强度对群钉效应的影响最低，随着混凝土强度的增加，群钉效应逐渐减弱，单钉的平均承载力逐渐增加，极限滑移量逐渐降低。此外，在UHPC 材料中，UHPC 会对栓钉的抗剪承载力起到一定的增强作用，在计算抗剪承载力应该考虑。