高燕梅, 刘 东, 储 兵

(1. 重庆交通大学， 土木工程学院， 重庆 400074； 2. 酉阳县隆达公路建设投资有限公司, 重庆 409800)

0 引 言

在高等教育和科学研究中，仿真实验是对传统实验方法的有效补充，它可以在有限的实验条件下，弥补由于经费不足、场地有限或测量精度不够等不足，对实验对象进行多参数研究及微观精细化研究。所以在很多学科的研究领域中，仿真实验是必不可少的研究和教学手段[1-5]。

在土木工程常用的钢—混凝土组合梁中，剪力连接件使混凝土桥道板与钢梁在荷载作用下共同受弯，其中混凝土板受压，钢梁受拉，充分发挥了混凝土与钢的受力特性。而栓钉是最常见的一种剪力连接件形式，它属于柔性连接件，因力学性能不依存方向、抗分离能力强以及质量容易保证[6]，在桥梁、房建、剪力墙等实际工程中得到广泛应用，如港珠澳大桥就采用了剪力钉群连接件[7]。栓钉在传递混凝土桥道板与钢梁之间的剪力时，自己会发生较大的变形，从而在交界面上引起滑移，降低了组合截面的整体效应，使结构刚度、承载力均有所减小，所以研究钢—混凝土组合结构时，剪力连接件滑移对结构力学性能的影响是一个重要的研究内容。但目前对此多采用小构件推出实验模拟[8-9]、精细化有限元分析模拟[10]或对其小构件在轴向力作用下进行理论分析。钢—混凝土组合梁考虑滑移后对其力学性能的影响也做过很多研究[11-13]，但对于剪力钉群在梁上的滑移特性研究较少，并且很难通过实验梁加载获得。因此在水平栓钉小构件推出实验的基础上[14-15]，结合科研项目“一种新型的装配式钢桁—混凝土组合梁”[16]，针对水平栓钉在梁内的滑移特性，采用精细化有限元模拟的方法，进行了仿真实验研究。

1 新型装配式钢桁—混凝土组合梁原理

在课题组对钢桁—混凝土组合梁长期研究的基础上，提出一种新型的装配式钢桁—混凝土组合梁(图1)，主要优势在于预制装配的混凝土桥道板先张拉纵向预应力钢束，再与钢桁通过焊接剪力连接件焊缝成为整体，受力明确；预制装配的混凝土桥道板减少了工地现场浇筑工作，施工质量易保且混凝土收缩徐变减小，有利于结构受力。

图1 装配式钢桁—混凝土组合梁

针对该新型组合梁，进行了负弯矩作用下的静力性能实验，实验结果展示了该新型结构从施工到破坏全过程的受力性能，验证了其装配式施工方法的可行性。其中的水平栓钉受力性能已进行了推出实验，本文在此基础上，针对水平栓钉在装配式钢桁—混凝土组合梁内的滑移特性采用精细化有限元模拟的方法，进行仿真实验研究。

2 仿真实验模型的建立

以l=7 m的简支组合梁为依据，建立精细化有限元模型(图2、3)，在钢桁下弦两点加载以模拟负弯矩区段加载。

图2 实验组合梁的总体布置及计算模型示意(单位: mm)

图3 横截面示意 (单位：mm)

2.1 单元选择及接触关系模拟

模型中单元选取和接触关系如图2、3所示，其中混凝土桥道板、水平剪力钉及剪力传递竖钢板采用实体单元C3D8R模拟，钢桁杆件、预应力钢束和普通钢筋分别采用壳单元-S4R和桁架单元T3D2模拟。预制混凝土桥道板与预应力钢束、普通钢筋之间采用嵌入关系。剪力钉、剪力传递竖钢板与预制混凝土桥道板间采用摩擦关系中的“硬接触”关系模拟，接触系数取0.6，这样二者的接触面所能够承担的压力不受限制，当压力变为零或为负值了，则认为两个截面分离。板间接缝处无普通钢筋，同时考虑相邻预制混凝土板的保护层也为素混凝土层，所以模拟时接缝宽度取1 cm。

2.2 本构关系

混凝土采用C60，其本构关系采用Hongnestad式(图4(a))，弹性模量Ec为定值，按下式计算：

式中，fcu,k为混凝土标准立方体抗压强度。

实验组合梁内的钢桁采用Q345钢，它与混凝土桥道板内的普通钢筋均采用理想弹塑性模型(图4(b))。

(a) 混凝土本构关系曲线(b) 钢材本构关系曲线(理想弹塑性)

图4 材料本构关系曲线

3 滑移特性仿真分析结果

3.1 仿真分析挠度值与实验值对比

利用以上方法建立了该组合梁在负弯矩作用下的有限元分析模型，并加载到实验梁破坏退出工作。从实验组合梁应力计算结果可以看出，实验梁破坏时，其钢桁腹杆、下弦杆已达到钢材屈服强度345 MPa(图5a))，而此时桥道板裂缝早已在跨中三片桥道板上完全开展，其中板间接缝处的裂缝占主导地位，板内裂缝占次要地位(图5b))。

(a) 计算应力值(MPa)

(b) 实验梁桥道板裂缝分布

将计算挠度值与实测数据相对比，得到以下结论(见图6)：组合梁加载到250 kN时，挠度计算值为12.53 mm，实测值为12.33 mm，差值1.6%。加载到480 kN时，挠度计算值为35.22 mm，实测值为38.03 mm，差值7.3%(图6 实验梁仿真分析结果(变形×5)。

表1即破坏阶段的挠度差值在10%以内，精确度尚可接受，所以可以在此基础上对水平栓钉在梁上的滑移特性进行研究。

(a) 计算挠度值(mm)

(b) 跨中挠度计算值与实测值对比

加载吨位/kN计算值fFEM/mm实测值fT/mm(fT-fFEM)/fT(%)25012.5312.331.648035.2238.037.3

从图6的组合梁实测曲线和FEM计算曲线对比可以看出，组合梁的受力分成3个阶段：弹性受力阶段，当P<0.4Pu时，荷载-挠度曲线计算值和实测值重合度较高，说明组合梁工作状态良好；弹塑性工作阶段，当0.4Pu

3.2 水平剪力连接件滑移仿真分析结果

按照组合梁受力特性将水平剪力连接件沿梁纵向的滑移特性分析也分为三阶段：弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段。从弹性阶段到破坏阶段，滑移值逐渐增加，但不同受力阶段表现出不一样的滑移特性：

(1) 当P<0.35Pu时，组合梁处于弹性受力阶段，从支点0到加载点2 500 mm区段，截面剪力均等于加载力P，滑移值基本成均匀分布(见图7、图8(a))，只有支点0处滑移值偏小，待经过1倍梁高距离后，滑移值逐渐增大，直至加载点附近；纯弯区段：实验梁从加载点2.5 m到3.5 m区段，截面剪力P等于0，滑移从加载点到跨中逐渐衰减直至为0(见图7、图8(b))。

图7 滑移Δl沿梁长分布曲线

(2) 当0.35Pu

(a) 弹性阶段支点弯剪区段的滑移特性

(d) 弹塑性阶段跨中纯弯区段的初始

裂缝处的滑移分布(变形倍数×20)

(e) 破坏阶段支点附近弯剪段滑移分布

(变形倍数×20)

(f) 破坏阶段跨中纯弯段滑移分布

(变形倍数×20)

图8 各受力阶段的滑移Δ1特征

(3) 当P>0.8Pu时，组合梁进入破坏阶段，跨中三块桥道板从接缝处断成块状退出工作(见图5b))。所以水平栓钉在每一个板间裂缝处的滑移均接近于0，随后分别向两侧滑移方向相反(见图8(e)～(f))，使得沿梁长方向的滑移分布呈现锯齿状(见图7)。

由此可见，水平栓钉沿梁长方向的滑移受组合梁中装配式混凝土桥道板开裂影响较大，它会使得跨中纯弯段无剪力的截面也出现滑移，且裂缝会使得栓钉滑移方向发生改变，这是与栓钉推出实验结果不同处，需在后期理论研究中值得进行深入研究。

4 结 语

本文开展了l=7 m装配式钢桁—混凝土组合梁在负弯矩作用下水平栓钉在梁内的滑移特性仿真实验，结果表明：栓钉推出实验结果不同的是：水平栓钉滑移沿梁长的分布受组合梁中混凝土桥道板开裂影响较大，它会使得跨中纯弯段无剪力的截面也出现滑移，并且裂缝会使得栓钉滑移方向发生改变，需在后期理论研究中值得进行深入研究。