剪力钉推出实验受力机理研究

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1、剪力钉推出实验受力机理研究郑舟军陈开利童猶洋中恢大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司摘要：剪力钉在钢混组合结构中传递剪力，调节钢与混凝土结构受力分布，广泛应用与桥梁、高层建筑领域。由于计算和测试手段不足，以往对剪力钉受力机理的分析还仅限于对推出试验结果中的滑移量和破坏形式的分析，规范中对剪力钉承载力的规定基本以推出试验结果为主的经验公式。本文利用有限元软件通过合理的构模，对推出试件中剪力钉的细观应力场进行分析，结合推出试验结果，对剪力钉的受力机理进行细致的分析。同时，通过变化参数对影响剪力钉性能的因素进行分析

2、。关键词：剪力钉受力机理细观应力推出试验1引言剪力钉是钢-混凝十-组合结构屮起重要作用的连接构件。Id前国内外对剪力钉受力机理的研究主要通过推出试验结果获取单钉的极限承载力和疲劳承载力等和关信息口”，与剪力钉和关规范的制定都是以大量的推出试验结果为基础，也有通过局部节段模型试验对群钉受力性能进行研究⑶。但由于测试和计算手段的不足，对剪力钉复杂受力机理的研究还相对较少。目前对剪力钉受力机理的研究主要通过以下几个方面：其一，通过剪力钉推出试验的荷载-滑移量曲线、破坏形态等分别对剪力钉及组合结构的受力机理利破坏机理

3、进行分析研究,获得剪力钉的宏观整体受力性能W⑵；其二，通过对少量剪力钉进行有限元仿真分析，能够部分再现剪力钉受力的全过程，但还无法提供剪力钉的细观应力场⑷。本文在进行①22X200mm剪力钉推出试验的基础上，采用合理的建模方式对剪力钉的受力性能、细观应力及影响剪力钉的因素进行分析研究，对剪力钊的受力机理进行了较深入的分析。2有限元建模剪力钉推出试件由一个高416mm、厚度为16mm的工字型钢，2块400mmx300mmx250mm的混凝土板和22X200mm剪力钉组成。模型的设计主要参照《Eurocode-4

4、:Designofcompositesteelandconcretestructures》和《铁路结合梁设计规定》(TBJ24-89)屮相关规定。混凝土采用与实桥一致的C50混凝土，钢板采用Q345D,焊接制作工艺与实桥一致。本次计算采用Marc软件对剪力钉推出试件进行分析。为了获取剪力钉完整的细观应力场，全部采用体单元进行细致建模，根据对称性取1/4试件建模并计算。在剪力钉位置及附近区域网格划分细化，以提高计算精度，计算模型如图1所示。图1剪力钉推出试验有限元模剪力钉推出试件的粹确建模计算存在以下两个难点：

5、钢-混凝土界而模拟；材料的真实M力-应变曲线，尤其是缺乏实际材料的非线性阶段的和关参数。钢-混凝土界面模拟实际组合结构中，钢-混凝土界面受压时相互抵触，受拉时允许张开。传统冇限元中对节点的约束只能自由或者约束（也可以约束到其它节点），很难模拟实际钢-混凝土现有这种关系。钢-混凝土的关系属于典型的接触关系。在本次有限元仿真分析中，对■钢与混凝土之间的关系定义为相互接触关系，不考虑摩擦和粘结。剪力钉与混凝土之间关系也定义为相互接触关系，考虑摩擦，摩擦系数为0.2。剪力钉与钢板的焊接位置，采用节点耦合，并考虑焊接形

6、成的焊接倒角。材料特性模拟剪力钉的材料特性对模型计算结果影响最人，除需要精确定义材料的弹性模呈和泊松比外，还应准确定义材料的应力-应变曲线。文献1对剪力钉的应力-应变曲线进行了实测，如图2所示。考虑到材料都是冷墩和冷挤压钢，英材质和机械性能应该相差不人，木次计算利拟介成双线性弹教性木构模拟，切线模竝取0.06Eo用该材料应力-应变曲线,100020003000400050006000450400350(ed三)SSO.BS300250200150100500strain图2剪力钉应力•应变关系曲线混凝土的材料

7、特性对木计算结果影响也非常人，混凝土弹性模量取3.58X10'MPa,通过实验宗进行实测得到。屈服阶段应力-应变曲线参照一般混凝土木构关系按多线性拟合得到。钢板的应力-皿变曲线则采用双线性木构关系，屈服强度为400MPa,极限强度SOOMPa,切线模量取0.lEo3有限元分析结果应力场分析根据有限元分析结果，剪力钉在焊点位置及附近有较强的剪应力。现按单个剪力钉承受100kN的剪力作用，分析得到剪力钉沿钉柱长度上剪应力的分布情况，如图3所示，靠近钢板的焊点位置为0点。由图可知，位于靠近焊点位置剪应力最大为272

8、.6MPa,同时沿钉柱往钉冒方向逐渐减小。同时可知，在靠近焊点附近应力变化相对平缓，分析其原因是一是剪力钉建模时考虑了炸接倒角，部分位置增加了抗剪截面积；二是剪力钉与混凝土接触，由于混凝土较早进入非线性阶段，使混凝土提供支撑反力相对滞后。在离钢板距离8mm左右至30mni处，剪应力剧烈下降。另外，在离钢板35mm附近剪应力减小至0,之示往负剪应力增加，离钢板约60mm处剪应力在反方向上开始减小至0。