摘要 波紋鋼腹板組合系統(tǒng)由于用薄的波紋鋼腹板代替了巨大的混凝土腹板，與等效的混凝土系統(tǒng)相比，重量減輕約15%，此特點(diǎn)有利于其應(yīng)用于大跨度工程中。文章主要對改進(jìn)型埋入式剪力鍵的抗疲勞性能及傳力破壞原理進(jìn)行了分析研究，采用線性累積損傷理論，利用Midas/FEA有限元軟件對某波形鋼腹板PC組合箱梁橋中的改進(jìn)型埋入式剪力鍵進(jìn)行了三維實(shí)體有限元分析，得出影響剪力鍵性能的影響因素，包括混凝土強(qiáng)度、鋼板開孔直徑、鋼板厚度、角鋼等。

關(guān)鍵詞 改進(jìn)型埋入式剪力鍵；破壞機(jī)理；抗疲勞性能

中圖分類號 U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0129-03

0 引言

對于預(yù)埋剪力連接組合梁，波紋鋼腹板直接預(yù)埋在混凝土法蘭中，無需額外的鋼法蘭。腹板的預(yù)埋部分連通孔和鋼筋或貫穿鋼筋起到剪切連接的作用。此類型剪切連接件經(jīng)濟(jì)性較好，因其避免了鋼法蘭，與帶頭螺栓相比，焊縫的數(shù)量和長度大大減少。Sakurada等人[1]對預(yù)埋連接梁（無法蘭）和帶頭螺柱梁（有法蘭）進(jìn)行了靜力和疲勞試驗(yàn)，靜力試驗(yàn)結(jié)果表明，嵌入式連接的承載能力與帶頭螺栓的承載能力相同；此外，與帶頭螺柱相比，預(yù)埋連接的抗疲勞性能更高。Sayed-Ahmed[2]概述了嵌入式剪切連接件的細(xì)節(jié)及不同的破壞模式和設(shè)計(jì)方程。Novak和Rohm[3]開發(fā)了一種新型的混凝土銷釘嵌入式剪力連接，在腹板的嵌入式部分切割了淚滴形狀的凹槽，便于安裝；通過推出試驗(yàn)對有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證，采用驗(yàn)證的有限元模型進(jìn)行參數(shù)化研究，提出了一種評估抗剪能力的表達(dá)式。Jager等人[4]和Nemeth等人[5]研究了預(yù)埋深度、翼緣深度、波紋腹板傾角、混凝土強(qiáng)度對有無混凝土銷釘預(yù)埋剪力連接抗剪性能的影響，研究表明，混凝土銷釘?shù)拇嬖趯⑵茐臋C(jī)制從橫向彎曲（即由于波紋腹板傾斜部分的水平分力使法蘭板在橫向方向上開口）轉(zhuǎn)變?yōu)榛炷疗扑椤?/p>

剪力鍵的疲勞問題在鋼混組合中備受關(guān)注，長期以來雖然對其進(jìn)行了大量的研究，并取得了一定成果，但完全掌握其疲勞特性還有很長的一段路要走。該文以Midas/FEA為有限元軟件進(jìn)行建模分析，研究改進(jìn)型埋入式剪力鍵在受力狀態(tài)下的傳力破壞原理及抗疲勞性能的影響因素。

1 改進(jìn)型埋入式剪力鍵的傳力破壞原理

改進(jìn)型埋入式剪力鍵在疲勞荷載反復(fù)作用下的整體傳力示意圖如圖1和圖2所示：

由圖1和圖2可以看出，改進(jìn)型埋入式剪力鍵的抗疲勞性能由以下幾個(gè)部分提供：波形鋼腹板、角鋼、混凝土塊、孔內(nèi)混凝土榫和貫穿鋼筋。對于混凝土塊，主要承受兩方面的作用力：一是承受波形鋼腹板與橫向鋼筋的剪切作用力；二是由于地面的約束帶來的反力。剪力的傳遞路徑主要有以下三種：（1）混凝土銷與混凝土板的界面；（2）角鋼孔內(nèi)混凝土與混凝土板的界面；（3）貫穿鋼筋。

鋼材在持續(xù)受力過程中需要特別注意其疲勞破壞，在波形鋼腹板中剪力鍵的傳遞剪力較大。此外，它還處于整體持續(xù)受力的狀態(tài)，因此波形鋼腹板中的角鋼及混凝土塊在受力過程中均處于高應(yīng)力狀態(tài)，并且混凝土塊一般較角鋼先受到破壞。

2 疲勞分析數(shù)值模擬

2.1 Midas/FEA疲勞計(jì)算原理

疲勞分析普遍使用的方法主要有兩種：應(yīng)力-壽命法和應(yīng)變-壽命法，而在Midas/FEA中采用的計(jì)算原理是應(yīng)力-壽命法，疲勞分析使用S-N曲線。

主要分析過程如下：

（1）靜力分析：在疲勞分析之間需要知道控制截面及控制點(diǎn)的應(yīng)力及其分布特性，所以首先應(yīng)做靜力分析。

（2）疲勞應(yīng)力幅：通過靜力分析得出的范.梅塞斯應(yīng)力，計(jì)算疲勞應(yīng)力幅。

等值應(yīng)力幅：

σa=σmax?σmin " " " " " " 2 （1）

平均應(yīng)力幅：

σm=σmax+σmin " nbsp; " " " " 2 （2）

式中：σmax——最大應(yīng)力（Pa）；σmin——最小應(yīng)力（Pa）；σa——等值應(yīng)力幅（Pa）；σm——平均應(yīng)力幅（Pa）。

（3）疲勞壽命：疲勞壽命值通過有限元軟件進(jìn)行模擬，主要與材料特性及S-N曲線等屬性相關(guān)。Midas/FEA可通過用戶輸入的材料特性自動(dòng)運(yùn)行計(jì)算，生成一條較完善的S-N曲線，如圖3所示。S1 000表示結(jié)構(gòu)在Su應(yīng)力幅作用下進(jìn)行1 000次無間斷循環(huán)得出的點(diǎn)，而Se則表示結(jié)構(gòu)處于疲勞狀態(tài)下的應(yīng)力幅，即處于0.5Su狀態(tài)下進(jìn)行1 000 000次循環(huán)得出的點(diǎn)。

2.2 材料特性

為使有限元模擬與結(jié)構(gòu)實(shí)際受力狀態(tài)更加真實(shí)精確，對鋼與混凝土之間剪力的傳遞，以及剪力鍵在其中所起的作用進(jìn)行深入分析，在材料特性的模擬中需進(jìn)行重點(diǎn)考慮，該文采用德魯克-普拉格模型對混凝土進(jìn)行模擬，考慮鋼材在受力過程中不會(huì)發(fā)生塑性變形，用彈性模型模擬其本構(gòu)模型。

德魯科-普那格（Drucker-Prager）模型在實(shí)際工程中有著十分廣泛的應(yīng)用，該模型是德魯科與普那格這兩名學(xué)者將范·梅塞斯模型修正擴(kuò)展的一種破壞模型，所以又稱作擴(kuò)展范·梅塞斯標(biāo)準(zhǔn)。該模型以靜水壓力面作為圓錐面主軸的對角線，以圓錐面作為材料的屈服面，可見該模型的屈服面與靜水壓力線相關(guān)，可隨之變化，改善了范·梅塞斯模型中的不足，其圓錐屈服面示意圖如圖4所示：

2.3 有限元模型

建立有限元模型如圖5和圖6所示：

3 改進(jìn)型剪力鍵抗疲勞性能影響因素

3.1 混凝土強(qiáng)度的影響

在剪力鍵抗疲勞性能的影響因素中，最為關(guān)鍵的是混凝土強(qiáng)度對其的影響，一是混凝土微粒的重分布速率，二是混凝土疲勞損傷的速率。對于剪力鍵不同部位的混凝土，由于其受力不同，所以孔內(nèi)混凝土的主要影響因子為混凝土微粒的重分布速率，而孔外混凝土的主要影響因子為混凝土疲勞損傷的速率。由于混凝土強(qiáng)度較高而其應(yīng)力水平處于較低狀態(tài)，而裂紋擴(kuò)展速率與兩者都有密切關(guān)系，因而疲勞裂紋擴(kuò)展相對較慢，所以其抗疲勞性能也相對較好。但是，選擇強(qiáng)度過高的混凝土，其成本也隨之增高，因此從經(jīng)濟(jì)合理的角度分析，應(yīng)選擇適當(dāng)強(qiáng)度的混凝土。

3.2 鋼板開孔直徑的影響

鋼板開孔直徑的選擇需要考慮諸多因素，受到很多因素的限制和影響，一方面開孔直徑越大，在孔內(nèi)混凝土開始破壞的階段，由于混凝土微粒重分布效應(yīng)越來越明顯，所以其滯回耗能的能力也隨之增強(qiáng)，因此其抗疲勞性能也越好，但另一方面，開孔直徑過大又會(huì)降低開孔鋼板的強(qiáng)度。所以，應(yīng)合理選擇鋼板的開孔直徑，綜合考慮各方面的影響因素，以期達(dá)到最好效果。

3.3 鋼板厚度的影響

由于鋼板內(nèi)部的混凝土榫處于三向受壓的約束狀態(tài)，強(qiáng)度比鋼板外側(cè)混凝土大，因此外側(cè)混凝土比孔內(nèi)混凝土更容易發(fā)生疲勞損傷。一般來說，在疲勞荷載作用下，剪力鍵的疲勞強(qiáng)度由外側(cè)混凝土控制。

當(dāng)鋼板厚度太薄時(shí)，薄鋼板孔內(nèi)混凝土由于強(qiáng)度不夠，容易被壓碎，混凝土微粒重分布現(xiàn)象明顯，耗能更多，此時(shí)剪力鍵的疲勞強(qiáng)度由孔內(nèi)混凝土控制。根據(jù)以上分析可知，只要保證鋼板厚度不至于太薄，剪力鍵的抗疲勞性能均由鋼板外側(cè)的混凝土控制，但該部分混凝土又受到貫穿鋼筋的影響，很容易因貫穿鋼筋向下的擠壓而在側(cè)向開裂。因此，提高剪力鍵疲勞性能的關(guān)鍵在于提高外側(cè)混凝土的強(qiáng)度，同時(shí)還可以通過配置足夠的箍筋或者將剪力埋置足夠深等措施延緩剪力鍵外側(cè)的混凝土開裂。

3.4 角鋼的影響

在疲勞加載試驗(yàn)中，混凝土、鋼腹板及鋼筋之間主要通過角鋼連接成整體，在其中增加改進(jìn)型的埋入式剪力鍵可以有效提高鋼結(jié)構(gòu)與混凝土之間的整體性能，減少它們之間的相對移動(dòng)，且剪力鍵的存在可以大幅降低由于鋼結(jié)構(gòu)與混凝土之間的剪力過大導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生剪切破壞。

4 結(jié)語

該文主要分析了改進(jìn)型埋入式剪力鍵的破壞機(jī)理，并用Midas/FEA軟件對改進(jìn)型埋入式剪力鍵進(jìn)行了疲勞分析，研究了混凝土強(qiáng)度、鋼板厚度、開孔直徑及角鋼對其抗疲勞性能的影響。

參考文獻(xiàn)

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