不同銹蝕程度下栓釘連接件的抗剪性能分析

王亮， 魏歡博， 高亞杰， 任萬敏， 衛星

1）中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031；2）焦作師范高等?？茖W校，河南焦作 454011；3）西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031

鋼混組合結構能充分發揮混凝土和鋼材的性能，近年來在中國公路和鐵路橋梁中所占的比例逐步提高［1-3］.橋梁長期服役過程中，暴露在空氣中的鋼構件需要通過涂裝防銹.外荷載長期作用下鋼梁與混凝土板間的結合面會產生相對滑移，導致交界面產生間隙，使得腐蝕介質從間隙侵入.剪力連接件是鋼-混組合結構能協同工作的關鍵構件［4］.腐蝕介質從混凝土與鋼梁的交界面侵入后，可能導致栓釘產生銹蝕，使栓釘傳遞剪力的性能退化，從而減弱混凝土和鋼梁的協作能力，影響鋼混組合梁靜力行為［5］、抗彎性能［6-7］、長期變形［8］及疲勞性能［9-10］.研究銹蝕影響下的鋼混組合梁中栓釘剪力連接件抗剪性能退化規律，分析栓釘表面的銹蝕機理，保證鋼混組合梁在設計基準使用期內的耐久性，具有重要的工程應用價值及理論意義［11-14］.國內外學者基于銹蝕栓釘連接件的推出試驗及數值模擬方法，研究了銹蝕對栓釘連接件抗剪性能的影響，結果表明，栓釘直徑會隨著銹蝕率的增大而減小，栓釘抗剪承載力及抗剪剛度也會隨銹蝕率增大而減小，栓釘銹蝕后會影響鋼混組合梁疲勞性能，栓釘銹蝕率的增加使組合梁疲勞壽命下降，使負彎矩區組合梁在經歷相同疲勞加載次數后的殘余變形增加［15-21］.

銹蝕栓釘抗剪性能退化的主要原因是銹蝕引起栓釘體積的損失［22-23］.銹蝕分布范圍和銹蝕深度是描述銹蝕程度的主要參數.為研探究銹蝕分布范圍和銹蝕深度引起的栓釘連接件抗剪性能退化規律，本研究基于數值模擬方法，建立不同銹蝕程度的栓釘模型，分析了均勻圓環、受壓區半環、受拉區半環及拉壓區半環4種不同銹蝕形態下，不同銹蝕深度和銹蝕高度對栓釘連接件抗剪承載力和抗剪剛度的影響規律.

1 有限元建模及驗證

1.1 有限元建模及驗證

本研究采用ABAQUS 建立栓釘推出模型（圖1）.為驗證所建立有限元模型的有效性，采用與文獻［14］試件相同的混凝土塊尺寸、栓釘尺寸和鋼板尺寸.為提高計算效率，利用對稱性選取1/4 推出試件建立有限元分析模型，包括栓釘連接件、鋼筋、1/2混凝土和1/2鋼梁共4個部分.其中，栓釘直徑為22 mm，高度為100 mm.

圖1 栓釘推出試驗有限元模型Fig.1 (Color online) Finite element model of stud push-out test.

本研究選用ABAQUS中的混凝土損傷塑性模型（圖2）.其中，Ec為混凝土彈性模量；σ0為單軸拉伸情況下的屈服應力；為單軸拉伸情況下的開裂應變；為單軸拉伸情況下的彈性應變；為單軸拉伸情況下的等效塑性應變；為單軸拉伸情況下的等效彈性應變；dt為單軸拉伸情況下的受拉損傷演化參數；σc0為單軸壓縮情況下的屈服應力；σcu為單軸壓縮情況下的極限應力；為單軸壓縮情況下的非彈性應變；為單軸壓縮情況下的彈性應變；為單軸壓縮情況下的等效塑性應變；為單軸壓縮情況下的等效彈性應變；dc為單軸壓縮情況下的受壓損傷演化參數.

圖2 混凝土單軸應力-應變曲線 （a）受拉； （b）受壓Fig.2 Stress-strain curve of concrete. (a) Tension, (b) compression.

栓釘連接件采用的材料為ML15，鋼梁采用的材料為Q345qD，兩者都選取三折線式的彈塑性本構模型，如圖3（a）；鋼筋材料是HRB400，選取雙折線本構模型（圖3（b））.其中，Es為鋼材彈性模量；σy為屈服應力；σu為極限應力；εy為屈服應變；εu為極限應變.混凝土、栓釘連接件和鋼梁均采用三維8節點實體線性減縮積分單元（C3D8R）進行模擬，鋼筋單元采用三維兩節點線性桁架單元（T3D2）.混凝土和鋼筋之間的黏結滑移忽略不計，栓釘連接件與混凝土之間和混凝土和鋼梁之間均采用表面-表面的接觸關系.

圖3 鋼材應力-應變曲線 （a）Q345qD； （b）HRB335Fig.3 Stress-strain curve of steel. (a) Q345qD, (b) HRB335.

本研究計算得到的栓釘連接件的荷載-位移曲線與文獻［14］獲得的曲線結果如圖4.由圖4可見，數值模擬和文獻［14］試驗所得到的栓釘連接件荷載-滑移曲線的變化趨勢基本一致，數值分析得到的栓釘連接件極限承載力約為143.9 kN，與文獻［14］的試驗值132.8 kN 的誤差為8.3%.這說明本研究栓釘連接件建模開展數值分析方法有效，分析結果可靠.

圖4 荷載-位移曲線數值分析和試驗結果對比Fig.4 Comparison of load-slip curve from FEM data (square )and test data (circle, Ref [14]).

1.2 銹蝕栓釘的推出模型

為研究栓釘銹蝕后抗剪承載力和抗剪剛度的退化規律，采用Eurocode 4 標準推薦的推出試件模型，對直徑為22 mm、高度為100 mm 的栓釘連接件進行數值分析.標準推出試件的尺寸如圖5.實際結構中栓釘的銹蝕分布形式多樣，且存在一定的隨機性.本研究假定了4 類標準的銹蝕區域形態［13，24］，包括均勻圓環（A類）、受壓區半環（B類）、受拉區半環（C類）和拉壓區半環（D類），如圖6.

圖5 標準推出試件示意圖（單位： mm） （a）立面圖； （b）側視圖； （c）俯視圖Fig.5 Push-out test specimen. (a) Elevation view, (b) side view, and (c) top view. (unit: mm)

栓釘銹蝕程度主要從不同的銹蝕深度Cd和不同的銹蝕高度Ch來加以分析，銹蝕深度Cd分別取栓釘直徑的5%d、10%d、15%d、20%d和25%d（d為栓釘直徑），銹蝕高度Ch分別取栓釘高度的5%h、10%h、20%h和30%h（h為栓釘高度），對20個不同組合的模型進行分析.

2 分析結果

荷載-滑移曲線能很好地反映栓釘連接件的力學性能，通常由彈性階段和塑性發展階段構成.栓釘抗剪剛度反映了推出試件在彈性階段抗滑移性能，即栓釘連接件荷載-滑移曲線在彈性階段的斜率.本研究利用荷載-滑移曲線的相對滑移值為0.2 mm 處對應的割線斜率計算得到栓釘的抗剪剛度.

2.1 均勻銹蝕

當栓釘銹蝕率較低時，栓釘銹蝕形態通常表現為均勻銹蝕.圖7給出了銹蝕深度Cd分別為5%d和25%d時所對應的栓釘不同銹蝕高度的荷載-位移曲線.由圖7可見，栓釘承載力隨銹蝕深度的增加顯著減小，而銹蝕高度對栓釘承載力影響不明顯，極限承載力基本都是在栓釘銹蝕高度為10%h時降到最低，銹蝕高度繼續增加時栓釘抗剪承載力無明顯降低.銹蝕深度較小時，栓釘的抗剪剛度隨銹蝕高度的增加變化不明顯，銹蝕深度較大時，栓釘的抗剪剛度隨銹蝕高度的增加而減小.

圖7 不同銹蝕深度的荷載-位移曲線 （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).

不同銹蝕高度（Ch）時栓釘連接件承載力隨銹蝕深度的變化可掃描論文末頁右下角二維碼，查看補充材料圖S1.圖8給出了不同銹蝕深度Cd的栓釘連接件抗剪剛度隨銹蝕高度的變化曲線.由補充材料圖S1和圖8可見，栓釘連接件的抗剪承載力和抗剪剛度隨銹蝕深度（Cd）的增加，大致呈現線性下降趨勢.銹蝕高度超過10%h后，栓釘連接件的抗剪剛度隨銹蝕高度增加大致呈非線性降低.

圖8 抗剪剛度隨銹蝕高度變化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 四種不同銹蝕形態對比

為分析銹蝕形態對栓釘連接件抗剪承載力和抗剪剛度的影響，圖9和圖10分別給出了不同銹蝕深度和銹蝕高度下A、B、C和D四類不同銹蝕形態下栓釘連接件荷載-位移曲線.

圖9 不同銹蝕形式的荷載-位移曲線（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).

圖10 不同銹蝕形式的荷載-位移曲線（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).

由圖9和圖10可見，對于同一銹蝕深度和銹蝕高度，無論那種銹蝕形態都會導致栓釘的抗剪承載力和抗剪剛度降低.其中，A類均勻圓環銹蝕引起的承載力和剛度降低程度最大，B類受壓區半圓環銹蝕引起的承載力和剛度降低程度最小，C 類和D類引起的承載力和剛度降低程度接近.相同的銹蝕深度和銹蝕高度，A類銹蝕對栓釘的截面面積和慣性矩削弱最嚴重，導致栓釘的抗剪、抗彎承載力和剛度顯著降低.

2.3 銹蝕栓釘抗剪性能退化機理

鋼混組合梁中栓釘連接件受力復雜，可能同時會受壓、拉、彎和剪等作用力.在推出試件中，剪力通過栓釘根部混凝土的受壓作用直接傳到混凝土板中，栓釘后側的混凝土與栓釘表面產生擠壓，主要表現為壓碎，栓釘前側的混凝土在根部與栓釘脫開，剛度和約束作用減小，主要表現為釘帽部位受壓而使栓釘受彎作用明顯.栓釘連接件的受力機理見圖11.

圖11 栓釘連接件的受力機理Fig.11 Mechanical behavior of stud connectors.

栓釘受剪破壞和混凝土受壓破壞是兩種主要破壞形式.栓釘受剪破壞時，承載力主要來自于受剪面積.栓釘受力較大的位置出現在根部0～10 mm內，栓釘根部受到的剪應力和拉應力均最大，會先進入屈服.隨著荷載增加，栓桿變形增加，桿身應力增大，最終栓釘根部發生剪斷破壞.

《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》給出的栓釘剪斷破壞的承載力為

其中，As為栓釘釘桿橫截面面積；fsu為栓釘抗拉強度設計值.

栓釘抗剪剛度Kss為

其中，dss為栓釘桿部直徑；fck為混凝土抗壓強度標準值.

栓釘的銹蝕深度Cd越大，引起栓釘有效截面積As減小越多，抗剪承載力降低的越多.在式（1）基礎上，按最不利的A類均勻銹蝕，經過數據擬合得出栓釘銹蝕后承載力為

彈性階段栓釘與混凝土的相對滑移由混凝土壓縮和栓釘桿身彎曲變形兩部分組成，銹蝕發生時一方面引起栓釘直徑減小，另一方面銹蝕物引起混凝土支撐剛度減小.銹蝕高度Ch會影響栓釘彎曲變形和剪切變形，進而影響栓釘抗剪剛度.按最不利的A類均勻銹蝕來看，經過數據擬合得出栓釘銹蝕抗剪剛度為

由式（4）可得到不同銹蝕深度和銹蝕高度下的栓釘抗剪剛度（表1）.由表1可見，式（4）計算結果與有限元分析結果很接近.

表1 抗剪剛度公式（4）計算值Table 1 Shear stiffness by equation 4

栓釘沿桿長的應力分布決定了銹蝕高度的影響范圍是靠近根部0～10 mm.因此提高栓釘連接件耐久性的主要措施是阻斷腐蝕介質從鋼梁和混凝土的結合界面侵蝕路徑，降低栓釘根部銹蝕風險.

3 結 論

1）通過合理建模，基于有限元方法開展栓釘連接件數值模擬與試驗測試結果吻合較好，數值試驗可用于銹蝕栓釘抗剪性能分析.

2）栓釘銹蝕深度Cd越大，引起栓釘有效截面積減小越多，抗剪承載力降低的越多.當栓釘銹蝕高度相同時，隨著銹蝕深度的增加，抗剪承載力大致呈線性下降.

3）銹蝕高度Ch會影響栓釘彎曲變形和剪切變形，進而影響栓釘抗剪剛度.栓釘沿桿長的應力分布決定了銹蝕高度的影響范圍是靠近根部0～10 mm.銹蝕高度為10 mm 時抗剪承載力降到最低，而抗剪剛度會隨銹蝕高度Ch增加而降低.

4）均勻圓環銹蝕對栓釘抗剪性能影響程度最大，其次是受拉半圓環銹蝕，影響程度最低的是受壓半圓環銹蝕.

5）提高鋼混組合結構栓釘連接件耐久性的主要措施是阻斷腐蝕介質從鋼梁和混凝土的結合界面侵蝕路徑，降低栓釘根部銹蝕風險.