钢—混组合梁剪力连接件抗剪性能研究.docx

钢—混组合梁剪力连接件抗剪性能研究工程实际，因此，本文根据某实际钢-混组合桥梁结构，以直径为10mm的剪力连接件为研究对象，设计完成钢-混组合梁剪力连接件试样。研究时分别采用以载荷为增量加载和以位移为增量加载这2种方式进行极限抗剪强度的试验，得到该连接件的破坏形式和极限抗剪强度，并拟合出荷载-滑移曲线，同时利用有限元分析软件建立试样的非线性有限元模型，计算仿真得到荷载-滑移曲线及应力分布，将试验结果与计算得到的剪力钉极限抗剪强度值进行比较分析[9-10]。1剪力件试样静载推出试验1.1试件构造本文根据实际桥梁结构，以1∶1的比例关系设计试样。试件采用C50混凝土，剪力连接件选用电弧螺柱焊用圆柱头焊钉。根据实际桥梁结构取混凝土层厚度为50mm。钢板采用Q345B，厚度为14mm。试件中纵向及横向钢筋均采用普通钢筋，直径为6mm。钢筋网网孔尺寸为100mm×150mm。两侧混凝土板的纵向钢筋采用1根不断开且穿过下部混凝土台座的普通钢筋。横向钢筋在上，纵向钢筋在下。试件构造如图1、2所示。1.2试验加载方案及破坏描述为使试件两侧受力均匀，加载时在混凝土底座下面铺设24mm的厚钢板。静载试验设备见图3。试件整体破坏情况见图4（a）。加载初期，试样未见明显变化，随着载荷的增加，工字型钢板和混凝土之间出现缝隙并逐渐加大，同时混凝土出现裂缝，当达到极限载荷值时，混凝土破碎，试样被破坏。其中，2个剪力钉被剪断（图4（b）），其余剪力钉均发生弯剪变形（图4（c））。试件在剪力钉周围出现宽约6mm的裂缝，剪力钉附近的混凝土均完全破碎（图4（d）），混凝土纵向裂缝沿焊钉的纵向延展贯穿整个试件（图4（e））。剪力钉在推出试件中处于弯剪受力状态，周围的混凝土被挤压破裂后，裂纹发展很快，以工字型钢板与混凝土脱离、剪力钉被剪断或者混凝土板的裂缝较大作为破坏的标志。1.3试验结果分析在竖向载荷的作用下，剪力钉变形导致混凝土和工字钢产生相对滑移，因此，载荷-滑移曲线是评价剪力钉连接件力学性能的重要指标。试验数据具体分析如下：加载初期，由于试样和工装存在制造和装配误差，载荷-滑移曲线出现一个小的非线性区；当滑移量达到约0.5mm时，载荷与滑移量进入线性区；随着载荷继续增加，试样抗滑移能力开始下降，当滑移量达到约2mm时，载荷与滑移量呈非线性关系；当载荷达到极限值（约为404kN）之后，载荷迅速减小而滑移量迅速增大，直至试件破坏。拟合得出载荷-滑移量计算公式为2剪力件有限元分析2.1有限元分析模型为了研究混凝土的开裂、压碎、塑性等复杂力学行为及试样的详细受力机理和破坏过程，本文采用有限元软件ANSYS建立三维实体模型，并用非线性有限元法进行了计算分析。2.1.1材料的本构关系混凝土的本构关系是表示在外载荷作用下的混凝土应力-应变的响应关系，塑性材料选项采用多线性等向强化[11]。该模型使用多线性来表示使用VonMises屈服准则的等向强化的应力-应变曲线，通过合理的参数设定能够比较真实地定义混凝土实际本构关系。研究混凝土的等效单轴受压应力-应变关系时，使用比较广泛的Hognestad公式本文中εu=0.0033，混凝土的弹性模量Ec=3.22×104MPa，泊松比为0.2。剪力钉塑性材料选项则采用经典双线性随动强化，即采用1个双线性来表示应力-应变关系曲线，所以有2个斜率，即弹性斜率和塑性斜率。本文取剪力钉的弹性模量E=2.06×105MPa，泊松比为0.3。2.1.2有限元模型的建立试样混凝土部分选用8节点六面体单元SOLID65进行模拟，设定了混凝土的三维强度准则及混凝土材料，用以反映混凝土压溃、开裂等复杂的力学行为。引入开裂传递系数βt及闭合裂缝传递系数βc表示裂缝对结构性能的影响。本文中取βt=0.5，βc=0.95。试件的钢腹板、钢翼缘板及剪力钉选用8节点空间实体单元SOLID45进行模拟。根据试样本身的结构对称性建立1/2模型并进行计算分析。为了与实际相符合，建立模型时做了如下的处理。（1）在钢板和混凝土、剪力钉和混凝土之间分别建立了接触对，模拟钢板表面和混凝土接触面之间、栓钉和混凝土之间的粘结力及相互作用力。（2）在对称面上施加对称边界约束条件，在混凝土底面约束X、Y、Z三个方向的移动自由度。有限元计算模型如图5所示。2.2有限元结果分析在竖向载荷的作用下，由于剪力钉变形导致混凝土块和工字钢产生相对滑移，可以仿真得到荷载-滑移曲线，然后与实际试验得到的荷载-滑移曲线对比，见图6。计算可知，在载荷未超过120kN时，载荷与滑移量呈线性关系，载荷超过120kN后，载荷与滑移量呈非线性关系。对比推出试验所得的载荷-滑移曲线与其仿真得到的载荷-滑移曲线可以发现，前半部分差异较大，后半部分比较一致，剪切强度极限值相当一致。当载荷值达到120kN时，混凝土已接近