1、计算机科学与人工智能河南科技Henan Science and Technology总第799期第5期2023年3月栓钉推出试验及有限元仿真研究谢鑫廖文远（西南林业大学土木工程学院，云南昆明655024）摘要：【目的目的】钢-混组合梁借助栓钉实现相互连接，栓钉能抵抗钢梁与混凝土之间的纵向分离，也可传递纵向剪力，是研究两者组合在一起的重点。【方法方法】本研究使用ABAQUS有限元分析软件对栓钉进行仿真研究，在已有的单层栓钉推出试验的基础上，有限元仿真结果与试验结果吻合较好。在有限元较精确的情况下进行参数化数值分析，研究混凝土强度、栓钉极限抗拉强度对栓钉抗剪承载力的影响。【结果结果】由计算结果可知
2、，栓钉抗剪承载力随混凝土强度及栓钉极限抗拉强度的增大而提高，并对试验结果与有限元结果进行分析。【结论结论】在提高混凝土强度时，超过C50混凝土强度对栓钉抗剪承载力提高较小，要考虑其经济性。在提高栓钉极限抗拉强度时，为了满足混凝土与连接件共同工作的情况，要与相应混凝土强度等级相适应，避免一方先行被破坏。关键词：推出试验；有限元；混凝土强度；栓钉极限抗拉强度中图分类号：TU398.9文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）05-0032-05DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.05.006Research on Stud Push-Out Test
3、 and Finite Element SimulationXIE XinLIAO Wenyuan(College of Civil Engineering,Southwest Forestry University,Kunming 655024,China)Abstract:PurposesThe steel-composite beams are interconnected by studs,studs can resist the longitudinal separation between steel beams and concrete,and can also transmit
4、 longitudinal shear force,which is the focus of research on the combination of the two.MethodsIn this study,ABAQUS finite element analysis software was used to simulate the stud.Based on the existing single-layer stud push-outtest,the finite element simulation results were in good agreement with the
5、 test results.Parametric numerical analysis is carried out under the condition of more accurate finite element to study the influence ofconcrete strength and ultimate tensile strength of studs on the shear bearing capacity of studs.FindingsFrom the calculation results,it can be seen that the shear b
6、earing capacity of studs increases with the increase of concrete strength and ultimate tensile strength of studs.ConclusionsWhen improving thestrength of concrete,the strength of concrete exceeding C50 has little effect on the shear capacity ofstuds,and its economic cost should be considered.When im
7、proving the ultimate tensile strength of studs,in order to meet the joint work of concrete and connectors,it is necessary to adapt to the correspondingconcrete strength grade and avoid one party being destroyed first.Keywords:push-out test;finite element;concrete strength;ultimate tensile strength o
8、f studs收稿日期：2022-10-24基金项目：云南省科技厅青年项目（2017FD107）。作者简介：谢鑫（1997），男，硕士生，研究方向：组合梁结构。通信作者：廖文远（1987），男，博士，副教授，研究方向：组合梁结构。第5期330引言钢-混组合结构是一种既具有纯钢梁受拉，又具有混凝土受压优势的结构体系。该结构体系是由弹性模量差异性较大的钢材和混凝土两种材料部件，通过抗剪连接件，采用黏着、摩擦以及机械作用等方式，组合成一个整体结构的共同工件1。剪力钉连接件作为一种柔性连接件，在组合桥梁中被广泛应用，其具有布置灵活方便、施工快速便捷、抗剪承载能力高的优点，因此其在美国、日本和欧洲各国被
9、广泛使用。但两种不同的材料通过剪力连接件进行协同工作时，常伴随着非常复杂的力学行为。因此，探讨剪力钉力学行为的发展，将对如何提高钢-混凝土组合梁的承载性能产生重要影响。剪力连接件的抗剪性能是一个重要指标，通常有梁式试验和推出试验两种方法，推出试验得出的抗剪承载力值能满足工程需求，且推出试验经济方便，因此栓钉推出试验是最好的方法之一。在梁式试验中，焊接在钢梁上的栓钉剪力连接件既要传递钢梁和混凝土间的纵向剪力，又要抵抗混凝土与钢梁之间纵向分离产生的抗拔力，此时并不能充分反映出栓钉的抗剪承载力。而在推出试验中，栓钉处于完全抗剪的状态，相对于梁式试验的受力复杂，推出试验能更好地研究出栓钉的抗剪状态。栓
10、钉推出试验易受外界因素的影响，而有限元数值模拟能有效地解决这个难题。徐意宏等2通过对九个试件进行推出试验，得到相应的荷载滑移曲线和破坏形式，并采用数值模拟对剪力钉的力学行为进行研究，并进行参数化分析。胡峰等3在波形钢腹板组合箱梁中增设带栓钉的埋入式抗剪连接件，并设计开展了相应的推出试验及数值模拟分析，对试件的力学行为与破坏模式进行分析。张有佳等4对钢-赤铁矿混凝土组合结构进行栓钉抗剪能力研究，设计开展九个栓钉推出试验，并利用 ABAQUS 有限元软件对其进行有限元分析。本研究采用非线性有限元分析方法对已有的单层栓钉连接件推出试验进行模拟，在考虑几何、材料与接触状态三种非线性问题的前提下，运用
11、ABAQUS 有限元软件来验证有限元模拟方法的正确性，并对影响剪力钉抗剪承载能力的混凝土强度、栓钉的极限抗拉强度等进行参数化数值分析。1有限元模拟1.1单元类型的选取栓钉、混凝土和钢梁均采用三维八节点的实体线性减缩积分单元（C3D8R），该单元适用于对接触、破坏、大变形等非线性有限元的分析。钢筋采用两节点线性三维桁架单元（T3D2）。混凝土与钢筋采用嵌入的连接方式，该接触方式是通过混凝土与钢筋的自由度互相耦合，忽略钢筋和混凝土的黏结滑移5-6。钢梁与混凝土之间使用法向硬接触、切向无摩擦的面-面接触方式。栓钉沿高度方向的侧面与周围混凝土接触采用切线方向的罚函数列式和法线方向的硬接触，切向方向的摩
12、擦系数取0.4。栓钉头部的上、下表面与混凝土的接触采用切线方向无摩擦和法向方向的硬接触。栓钉与混凝土接触面的法线方向压力的传递采用硬接触进行模拟，压力大小不受约束。当两个接触面之间发生分离时，压力值为零或负值。1.2材料本构关系1.2.1混凝土本构。混凝土选用的强度等级为C50。其主要参数如下，密度为2 450 kg/m3、弹性模量为 34.5 GPa、泊松比为 0.2。混凝土属性采用ABAQUS 提供的塑性损伤模型，塑性参数取值如下，膨胀角为30、流动势偏移量为0.1、粘滞系数取0.000 5、拉伸与压缩子午面上第二应力不变量的比值为 0.667、双轴与单轴极限抗压强度的比值为1.16。本构
13、关系采用 混凝土结构设计规范（GB500102010）7所建议的公式，其中有单轴受拉应力应变曲线和单轴受压应力应变曲线。1.2.2钢材本构。钢筋、栓钉连接件和钢梁的本构关系均采用理想弹塑性模型，即双折线模型8。k为钢材硬化段斜率，取0.01ES9。计算公式见式（1）。=|Esss yfy+k()s-yy u（1）式中：G为应力；ES为弹性模量；s为应变；y为屈服应变；u为峰值应变；fy为屈服强度；fu为峰值强度。栓钉连接件选用的材料为ML15，其弹性模量为210 GPa、屈服强度为354 MPa、极限强度为437 MPa。钢梁选用的材料为Q345钢材，其弹性模量为210 GPa、屈服强度为 3
14、45 MPa、极限强度为 470 MPa。钢筋选用的材料为HRB335，其弹性模量为210 GPa、屈谢鑫，等.栓钉推出试验及有限元仿真研究34第5期服强度为335 MPa、极限强度为455 MPa。1.3几何模型的建模由于推出试验模型具有对称性，建立四分之一模型能加快计算进程，节约计算时间。该模型包括钢筋笼、钢板、栓钉和混凝土。栓钉尺寸为19mm100mm、钢板尺寸为125 mm550 mm14 mm，混凝土尺寸为400 mm250 mm550 mm，通过布尔运算在混凝土中形成栓钉孔。已有的文献在进行栓钉与钢板连接时常使用Tie约束，这种处理方式极易引起接触面的应力集中，从而无法得到准确的应
15、力结果。因此，将钢板与剪力钉同时建立在一个部件中。整体几何模型如图1所示。1.4网格划分和边界条件模型划分网格的方法有扫掠、结构化网格以及从底向上划分。该模型优先使用结构化网格划分法，栓钉处、与之接触的混凝土处、与之接触的钢梁处网格都要细化，一般采用的单元网格尺寸为5 mm左右，整体网格尺寸为15 mm左右。网格大小是非线性计算收敛的重要影响因素，过小容易引起网格畸变，过大容易影响精度。在建立的四分之一推出模型的下部施加固定约束，认为所有自由度都被约束。相应的，在两个对称面上施加对应的对称边界条件，如图2所示。钢梁上通过面耦合点RP-1对整体模型施加向下的位移荷载，如图3所示。1.5有限元验证
16、汪劲风等5对上述的栓钉单层剪力连接件进行推出试验，得到两个推出试件栓钉单钉平均抗剪承载力为85 kN，并以滑移值为0.2 mm处的割线模量作为抗剪刚度，计算得到栓钉单钉平均抗剪刚度为241 kN/mm。为验证ABAQUS建立的模型有足够的计算精度，对已有的单层栓钉进行有限元模拟。有限元仿真结果表明，栓钉发生弯剪破坏，混凝土与栓钉的接触处发生受压破坏，实测结果与有限元计算的结果对比如图4所示。得到的单钉平均抗剪承载力和抗剪刚度分别为87 kN和242 kN/mm，与试验实测结果相差2.3%和0.4%，这说明本研究提出的有限元分析方法具有较高的计算精度10。2承载力影响因素参数化分析2.1混凝土强度有限元验证结果表明，该建模方法具有较高精度的。以直径为19 mm、高度为100 mm、屈服强度为354 MPa、极限抗拉强度为437 MPa的栓钉连接件有限元模型为例，依次计算当混凝土强度级别为C30、C40、C50、C60、C70、C80时栓钉连接件的抗剪承载力。不同混凝土强度级别下栓钉连接件的荷载滑移曲线如图5所示。对直径为19 mm、高度为100 mm的栓钉连接件，当混凝土立方体的抗压强度
