新型超短栓釘連接件試驗及有限元分析研究

章世祥，李 萌，邵旭東，曹君輝，陸永泉，鄭清剛，張建強

(1.中設設計集團股份有限公司，江蘇 南京 210005； 2.廣東省建筑設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010； 3.湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082; 4.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056)

0 引言

為解決正交異性鋼橋面板易出現的疲勞開裂和鋪裝層破損難題，邵旭東[1]提出了鋼-UHPC輕型組合橋面結構，為了保證該結構適用于對自重或厚度敏感的橋梁，進行了結構優化，研發了自重更輕的鋼-超薄UHPC輕型組合橋面結構(簡稱：超薄體系)[2]。

輕型組合橋面結構中，為保證鋼板與UHPC層形成整體，共同受力，需要可靠的連接件將二者緊密連接在一起。但在超薄體系中，超薄UHPC層的厚度僅有35 mm，常用的連接件，如常規栓釘(最小高度為35 mm)，PBL鍵等[3-4]，顯然無法滿足其構造要求。為此，邵旭東、張瀚文等[5-6]提出了焊接鋼筋網和焊接短鋼筋兩種新型連接件，并對其抗剪性能進行了研究。與兩種新型連接件相比，栓釘的焊接工藝更加簡便，焊接質量更加可靠，并且隨著栓釘生產工藝的不斷提升，更小尺寸栓釘的制造成為了可能。在此基礎上，本文提出采用超短栓釘作為超薄體系的連接件。與常規栓釘相比，新型連接件的焊后高度僅為24 mm，滿足超薄UHPC層(35 mm)的構造要求，但超短栓釘的長徑比僅有1.8左右，小于常規栓釘(h/d≥4)，因此有必要對該種超短栓釘的力學性能進行深入研究。本文通過靜力推出試驗和有限元分析，對所提出的超短栓釘的抗剪性能進行探究，并采用有限元對其進行參數分析，研究了栓釘直徑、UHPC強度等參數對其抗剪性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

參考歐洲規范[7]，本試驗的推出試件尺寸如圖 1所示。試件由加載頂板、鋼腹板和鋼面板組成，單側布置4個栓釘，橫、縱向間距150 mm×200 mm。UHPC板厚為35 mm，內部橫縱向分別布置間距50 mm×46.7 mm的10鋼筋，本文制作了兩個完全相同的試件，以消除試驗誤差，分別記為DT-1和DT-2。

1.2 材料力學性能

澆筑推出試件時，按照《活性粉末混凝土》規范[8]的相關規定在同等條件下制作了標準的UHPC試塊,對UHPC材料的力學性能進行測試。超短栓釘力學性能參考出廠報告,其他材料(鋼筋、工字鋼等)的基本性能按照規范進行取值，各材料參數見表1。推出試件幾何尺寸見圖1。

表1 材料基本性能Table 1 Parameters of materials類別材料屈服/抗壓強度/MPa彈性模量/GPaUHPC板UHPC17049超短栓釘ML15400206鋼筋HRB400400206工字鋼Q345345206

圖1 推出試件幾何尺寸(單位：mm)

1.3 試驗加載和測試方案

試驗選用150 t油壓千斤頂施加荷載，壓力值則采用150 t壓力傳感器進行測量，每個栓釘位置布置千分表讀取UHPC板和鋼面板的相對滑移，并隨時關注界面情況?，F場裝加載置如圖 2所示。

圖2 現場加載照片

試驗以每級25 kN預加載至100 kN消除偏心，然后卸載；正式加載時先每級30 kN單調加載至破壞荷載附近，然后減速加載，每級25 kN加至試件破壞。推出試件破壞模式見圖3。

圖3 推出試件破壞模式

1.4 試驗結果

觀察破壞后的試件發現，DT-1試件單側4個超短栓釘、DT-2試件兩側8個超短栓釘同時發生斷裂，并且破壞模式均為超短栓釘釘桿剪斷，而UHPC局部在栓釘根部形成壓碎區域，其余部分均無任何損傷，受損范圍有限，如圖 3所示。DT-1和DT-2的破壞荷載分別為590 kN和730 kN，單個超短栓釘的平均抗剪承載力為82.5 kN。

試驗中還發現，同一側布置的4個測點的滑移值基本一致，因此先對同側滑移取平均，之后再對兩側滑移取平均值，繪制出荷載-滑移曲線，如圖 4所示。由圖可知，兩個試件的荷載-滑移曲線形狀可大致分為3個階段：線性段Ⅰ、局部損傷段Ⅱ和破壞段Ⅲ。在加載初期，曲線呈線性發展，呈現出明顯的彈性性質；增加荷載，曲線逐步成為曲線，表明栓釘局部損傷；進入階段Ⅲ后，荷載幾乎不增加，但滑移增長迅速，試件迅速破壞，呈明顯脆性破壞。

圖4 荷載-滑移曲線

2 有限元模型建立和驗證

本節使用ABAQUS軟件進行有限元分析，對影響超短栓釘抗剪性能的關鍵因素如栓釘直徑、UHPC強度進行深入研究。

2.1 模型建立

有限元模型按實際試件尺寸建立了1/4模型，邊界采用對稱約束，工字鋼、超短栓釘、焊縫和UHPC板采用實體單元(C3D8R單元)模擬；鋼筋網采用桿單元(T3D2單元)模擬，并與UHPC板節點嵌入固結。如圖 5所示。

圖5 有限元模型

為了保證計算結果精確可信，模型整體網格尺寸控制在4 mm以內，超短栓釘、焊縫等細化為2 mm。

UHPC本構選用ABAQUS中的塑性損傷模型(Concrete Damaged Plasticity，CDP)進行模擬，文獻[9]和文獻[10]分別給出了UHPC的受壓受拉本構關系，如圖 6和圖 7所示。鋼板、栓釘和鋼筋則采用文獻[11]所建議的三折線模型，如圖 8所示。

圖6 UHPC受壓應力-應變曲線

圖7 UHPC受壓應力-應變曲線

圖8 鋼材受壓應力-應變曲線

2.2 有限元模型驗證

有限元模型的栓釘破壞模式如圖9所示。超短栓釘的破壞模式為釘桿剪斷，而焊縫幾乎未變形，這與前文的試驗現象完全一致。

圖9 超短栓釘斷裂狀態損傷云圖

試驗曲線與有限元模型提取的荷載-滑移曲線與進行對比，如圖10所示。由圖可知，在初期階段，理論滑移曲線與實測曲線幾乎重合，當荷載接近極限承載力時，理論曲線略低于實測曲線，抗剪承載力計算值為76.88 kN，僅與試驗值相差6.8%，較為接近。

圖10 荷載-滑移曲線計算值與實測值

整體上來說，本文建立的有限元模型很好地模擬了推出試件受力的全過程，可以較好地模擬超薄UHPC層中超短栓釘的抗剪受力性能，具有較高的計算精度，表明有限元模型合理，可用于有限元參數分析。

3 參數分析

為了進一步研究UHPC中超短栓釘抗剪性能的影響規律，采用前文的建模方法進行參數分析，主要影響參數有：超短栓釘直徑、UHPC強度。

3.1 超短栓釘直徑

從應用的普遍性考慮，本文選取了3種直徑的超短栓釘進行參數分析。對于超短栓釘的尺寸參數，參考《電弧螺柱焊用圓柱頭栓釘》(GB/T 10433—2002)[12]的規定。此外，本節建立的模型，除超短栓釘尺寸之外，其余參數均與前文的基本有限元模型保持一致。

圖 11為不同直徑超短栓釘的荷載-滑移曲線圖。由圖可知：不同直徑超短栓釘的荷載-滑移曲線具有相似的形狀特征，栓釘直徑的增大會明顯提高栓釘抗剪承載力，當栓釘直徑由10 mm增大到16 mm時，抗剪承載力提高了104%，提升幅度十分明顯。

圖11 不同直徑超短栓釘的荷載-滑移曲線

3.2 UHPC強度

以直徑為13 mm的超短栓釘為例，考慮3種UHPC強度取值：140、160、180 MPa，并且對模型中的UHPC本構關系結合強度等級進行更新，其余參數均與前文的基本有限元模型保持一致。

圖12為不同UHPC強度等級下的荷載-滑移曲線。由圖可知，不同強度等級UHPC的荷載-滑移曲線形狀基本相同，提高UHPC強度，超短栓釘的屈服荷載與抗剪承載力略有提高，當UHPC強度由140 MPa增大到180 MPa時，抗剪承載力提高了13%，表明提高UHPC強度等級可以提高超短栓釘的抗剪能力。

圖12 不同UHPC強度等級的荷載-滑移曲線

4 結論

本文通過靜力推出試驗與ABAQUS有限元模型，對UHPC中超短栓釘的抗剪性能進行了研究，并開展了有限元參數分析，主要得到以下結論：

a.推出試驗的破壞模式為超短栓釘釘桿剪斷，而UHPC僅在栓釘根部形成局部壓碎區域，其余部分均無任何損傷，受損范圍有限。

b.不同超短栓釘直徑、不同UHPC強度等級試件的荷載-滑移曲線形狀相似，可以分為3個階段：線性段Ⅰ、局部損傷階段Ⅱ和破壞階段Ⅲ。

c.超短栓釘的直徑對抗剪承載力的影響顯著，栓釘直徑由10 mm增大到16 mm時，抗剪承載力提高了104%。

d.超短栓釘的抗剪能力隨UHPC強度等級提高略有提高，當UHPC強度由140 MPa增大到180 MPa時，抗剪承載力提高了13%，實際工程中也應確保UHPC的強度。