环氧砂浆-焊钉群混合抗剪连接件力学 性能有限元分析.pdf

收稿日期:基金项目:浙江省交通运输厅计划项目()浙江省教育厅一般科研项目()作者简介:张鑫军()男 山西晋中人 助理工程师 硕士 :浙江交通职业技术学院学报 第 卷第 期 年 月 环氧砂浆 焊钉群混合抗剪连接件力学性能有限元分析张鑫军 陆森强 陈 明(内蒙古科技大学 内蒙古 包头 浙江交通职业技术学院 浙江 杭州)摘 要:为了研究环氧砂浆 焊钉群混合连接件的力学性能 采用有限元分析软件 对采用环氧砂浆 焊钉群混合抗剪连接件的推出试件进行了数值分析 研究了不同焊钉直径、焊钉间距和焊钉高度下的荷载 滑移曲线、抗剪承载力、破坏模式和应力分布 结果表明 混合抗剪连接件的破坏模式主要为焊钉根部周围环氧砂浆的压溃及焊钉根部的剪切破坏 增大焊钉直径、减小焊钉间距均能提高连接件的承载力和抗剪刚度 但焊钉高度对两者的影响不大 研究成果可为环氧砂浆 焊钉群混合连接件在钢 混凝土组合梁中的应用提供一定的理论依据关键词:混合抗剪连接件 抗剪承载力 抗剪刚度 破坏模式中图分类号:文献标识码:/文章编号:()引 言随着经济和城市化的快速发展 钢 混凝土组合结构得到广泛应用 抗剪连接件是实现钢梁与混凝土板连接的关键构件 可抵抗钢筋与混凝土板之间的纵向滑移 有效避免两者之间的分离 传统的抗剪连接件主要采用金属连接件 包括焊钉、钢筋和槽钢 金属连接件在实际工程应用中存在一些困难:组合梁中存在应力集中现象 金属连接件以一定间隔排列 导致力传递不连续 金属连接件与钢梁焊接处易产生裂纹 为解决金属连接件的缺点 学者对胶结连接件的力学性能作了初步的探索 发现胶结连接件剪切力学性能较好强度接近金属连接件 与金属连接件相比 胶结连接件具有降低混凝土开裂风险、提高耐久性、受力均匀等优点 但存在易整体脱粘的缺陷 为了充分发挥两种连接件的优点 本文将焊钉群和环氧砂浆层共同应用于钢 混凝土组合梁 形成一种新型的混合连接件 通过改变焊钉的直径、间距和高度研究环氧砂浆 焊钉群混合连接件的力学性能 试件设计所采用的推出试件均由钢筋混凝土板、环氧砂浆层、环氧砂浆填充块、钢梁及焊钉等组成 尺寸根据欧洲规范 所建议的尺寸选定 钢筋混凝土板所采用的混凝强度等级为 尺寸 中间留方孔 方孔尺寸如图 所示 板内钢筋强度等级为 直径为 钢梁选用强度等级为 的 型钢 尺寸为 环氧砂浆层厚度对抗剪承载能力的影响较小 因此采用文献 建议的 所有试件的焊钉尺寸有所不同 具体设计参数如表 所示图 推出试件模型尺寸表 试件设计参数序号试件编号环氧砂浆层厚度()焊钉间距()焊钉直径()焊钉高度()有限元模型为确保有限元模拟方法的有效性 有限元模拟过程中材料强度选取均与试验实测的力学性能一致 混凝土和环氧砂浆材料性能如表 所示 钢筋、钢梁和焊钉的材料性能如表 所示表 混凝土及环氧砂浆力学性能名称杨氏模量()立方体抗压强度()抗拉强度()强度等级混凝土 环氧砂浆 /表 钢材实测力学性能材料杨氏模量()屈服强度()极限强度()牌号钢筋()钢梁()焊钉()材料本构混凝土本构模型采用等效受压单轴混凝土本构曲线 如式()和式()所示 式中、分别为混凝土应力峰值及对应的应变值 /、分别为混凝土圆柱体抗压强度及初始弹性模量 为混凝土极限压应变钢材和焊钉采用 屈服准则 钢材和焊钉等效单轴 关系采用双折线的弹塑性本构模型 如式()和式()所示 ()()()式中 表示钢材和焊钉的弹性模量、分别为钢材和焊钉的屈服强度及其对应的应变 为强化段的斜率 为钢材和焊钉的极限应变环氧砂浆采用双线性本构模型 如图 所示 该模型由两部分组成 即线性弹性的上升阶段和刚度线性退化的下降阶段 其中上升段的斜率为材料的真实刚度 即内聚力单元刚度 上升段和下降段与坐标轴 所围成的面积为内聚力单元的断裂能浙江交通职业技术学院学报图 环氧砂浆双线性本构曲线图 中 峰值点 表示断裂的最大名义应力 与之对应的 为损伤初始位移 表示最终失效位移 单元类型与网格划分钢梁、混凝土、焊钉均采用 线性缩减积分实体单元 环氧砂浆层和环氧砂浆填充块采用 粘结单元 钢筋采用 桁架单元 网格全局尺寸采用 对焊钉及预留孔处进行局部网格细分 网格尺寸为 以得到精确计算结果 接触关系和边界条件待所有部件建立完毕之后 需进行组装 组装时应考虑各部件之间的实际接触关系 焊钉与环氧砂浆的接触采用 接触 焊钉焊接在钢梁上并绑扎在一起 采用绑定约束 钢筋与混凝土之间采用内置约束 钢梁与混凝土板用环氧砂浆层粘结为一体 两两之间采用绑定约束 有限元分析结果 荷载滑移曲线将有限元分析得到的荷载滑移曲线与试验结果进行了比较 如图 所示 结果表明 有限元分析法得到的荷载 滑移曲线的初始刚度与试验结果基本一致 极限承载力基本相同 误差在以内 这表明有限元分析方法是适用的 此外由图 可知 荷载滑移曲线大致分为三个阶段:弹性阶段:当滑移值 荷载随滑移量线性增加 在此阶段 混凝土板和 型钢之间的相对滑移量很小 试件的整体抗剪刚度很高 弹塑性阶段:当 时 混凝土板和钢梁界面的相对滑移增加较快 抗剪刚度下降第 期张鑫军 陆森强 陈 明:环氧砂浆 焊钉群混合抗剪连接件力学性能有限元分析图 推出试验与有限元荷载滑移曲线 抗剪承载能力提取图 中单个焊钉的承载力极限值 并计算试件刚度 结果如表 所示对比不同直径试件的抗剪承载能力 发现 试件和 试件的单焊钉承载力极限值较 试件分别提高了 、说明焊钉直径的改变对单焊钉承载力极限值的影响较大而当焊钉直径保持不变(均为)焊钉间距和高度发生改变时、和 试件的单焊钉承载力未出现很大差异 表明焊钉的间距和高度发生改变对混合连接件的极限抗剪承载力的影响较小对比不同焊钉间距试件的抗剪刚度 发现焊钉间距为、的试件中单个焊钉的抗剪刚度比 焊 钉 间 距 为 的 试 件 分 别 提 高 了 和 对比不同焊钉直径试件的抗剪刚度 可得焊钉直径为 和 的试件中单个焊钉的抗剪刚度分别比焊钉直径为 的试件提高了 和 对比不同焊钉高度试件的抗剪刚度 得知焊钉高度分别为、的试件中单个焊钉的抗剪刚度较焊钉高度为 的试件分别提高了 和 由此 焊钉直径增大和焊钉间距减小可以显著提高连接件的抗剪刚度 而焊钉高度对连接件的抗剪刚度影响不大表 推出试验与有限元结果对比试件编号()试验值 值误差()()试验值滑移()值滑移()(/)()试验值 值 浙江交通职业技术学院学报试件编号()试验值 值误差()()试验值滑移()值滑移()(/)()试验值 值 应力和应变云图所有试件的应力、应变云图均类似 因此以 试件为例进行分析 各构件的应力、应变云图如图 所示 混凝土板在加载力达到极限荷载时 靠近底部一端会出现较大的应力 且自下而上逐渐减小 在此处容易产生裂缝 如图 ()所示 图 ()为加载结束后的环氧砂浆块应力云图 应力分布呈现一定的规律 焊钉根部周围的环氧砂浆应力较大 且上下两排焊钉根部周围的环氧砂浆的应力大于中间排 由环氧砂浆层最终的应力云图 ()可知 环氧砂浆层下端两个角点处应力较大 原因在于加载过程中 环氧砂浆层在受到剪力的同时还受到一定的掀起力 且在下端的角点处容易发生破坏 此外 在与环氧砂浆块相接触的部位 由于焊钉群对环氧砂浆层有一定挤压作用此区域内应力会比其他部位更大一些 图 ()为焊钉在加载结束时的应力云图 从图中可以看出下排两个焊钉的应力最大 整个焊钉的/长度范围内均存在明显的应力 而处在最上排的两个焊钉的应力最小 所有焊钉均在根部(与钢梁翼缘表面连接处)出现较大的应力 说明焊钉将在此处发生破坏图 主要构件应力应变云图 为了进一步研究焊钉的应力分布情况 将各个焊钉上下侧的应力分布情况提取出来加以对比如图 所示 由图 ()发现从 型钢梁翼缘端算起在/焊钉长度范围内 各排焊钉上侧应力迅速减小 在/焊钉长度范围内 各排焊钉应力稍微又有所增大 自/焊钉长度至焊钉总长范围内 焊钉上侧应力分布趋于稳定 图 ()为焊钉下侧的应力分布情况 与焊钉上侧的应力分布情况稍微有所不同 在靠近钢梁翼缘的端部出现最大应力后 在/焊钉长度范围内 应力出现大幅度下降 自/焊钉长度至焊钉全长范围内 应力分布则趋于稳定 由焊钉上下侧的应力分布图又可以得出 焊钉将在根部(与钢梁翼缘表面焊接的位置)发生破坏第 期张鑫军 陆森强 陈 明:环氧砂浆 焊钉群混合抗剪连接件力学性能有限元分析图 排焊钉的应力分布 结 语焊钉直径的改变对混合连接件的抗剪承载能力影响较大 而焊钉间距和高度对其影响较小 焊钉直径的增大和焊钉间距的减小均可以提高连接件的抗剪刚度 而焊钉高度对连接件的抗剪刚度影响不大 焊钉应力在整个长度范围内出现不均匀分布其中最大应力在根部与钢梁翼缘表面焊接处 将在此处发生破坏参考文献:():():():钢结构设计标准.():郑昕昀 胶结与焊钉群连接件组合受力性能研究 苏州:苏州科技大学 秦希 赵伟 高强螺栓抗剪连接件推出试验数值模拟 浙江交通职业技术学院学报 ():(下转第 页)浙江交通职业技术学院学报 (.):(上接第 页)():浙江交通职业技术学院学报