摘要：采用推出試驗分析和有限元模擬結合的方法，通過試驗測試和有限元參數分析，研究栓釘受剪加載全過程和焊縫形態對栓釘抗剪承載力的影響。研究結果表明：試件的破壞模式為栓釘斷裂，斷裂前試件經歷了顯著的彈性和塑性變化過程;焊縫對栓釘的抗剪承載力有顯著提高，試驗測試值為公路橋梁現行設計標準規定計算值的1.59倍;采用角焊縫圍焊的栓釘，當焊縫尺寸控制在合理范圍內時，栓釘的抗剪承載力隨焊縫高度線性增大;采用瓷環成形的栓釘，焊縫高度h與直徑D的比值不宜大于0.42，在此限值范圍內，栓釘抗剪承載力隨焊縫高度和直徑線性增大;有限元模擬時需考慮焊縫形態的影響，否則會降低栓釘的抗剪承載力。

　　關鍵詞：組合結構;栓釘;抗剪承載力;焊縫形態;推出試驗

　　Abstract: This paper investigated the whole shear loading process and the influence of weld shapes on the sheal bearing capacity of stud by push-out tests and finite element parameter studies. The results showed that the failure mode of specimen was the fracture of stud. The specimen had experienced a significant elastic and plastic process before fracture. The shear bearing capacity of the stud was significantly improved by weld seam , and the test value was 1.59 times of the value calculated by design code. When the weld size was controlled within a reasonable range, the shear bearing capacity increased linearly with the weld height for studs with fillet weld. The ratio of weld heisht h to diameter D was recommended smaller than 0.42 for studs formed by porcelain ring. Within this limit, the shear bearing capacity of stud increased linearly with the weld height and diameter. The weld shane should be considered in.inite element simulations, otherwise the shear bearing capacity of studs would be reduced.

　　Keywords: composite structures; stud; shear bearing capacity; weld shape; push-out test

　　鋼-混凝土組合結構能夠充分發揮鋼材和混凝土材料的優點，具有較高的性價比，在土木工程中的應用越來越廣泛。為保證兩種材料協同工作，需要在鋼混結合面設置剪力連接件，栓釘是目前工程實踐中使用最廣泛的一種剪力連接件形式，在水平面各向抗剪性能一致，屬于柔性剪力連接件[)。試驗研究是測試剪力連接件抗剪性能最直接的手段，包括梁式試驗、節段模型試驗和推出試驗等方法，其中推出試驗的受力明確，試件尺寸小，試驗過程相對簡便，試驗費用可控，是研究剪力連接件抗剪性能最常用的方法。國內外學者和工程技術人員對栓釘的抗剪承載力-3、構造參數和布置方式[等開展了大量試驗研究和理論分析，并結合實際工程應用，進一步開展了大量的栓釘疲勞性能[3)、耐久性能[0-7]和栓釘群效應-])等方面的研究。研究結果一致認為栓釘的抗剪性能與鋼材和混凝土的材料參數、栓釘直徑等參數密切相關。

　　當前我國設計標準給出的栓釘抗剪承載力計算式基本相同，JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》[1]和JTG/T D64-01-2015《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》[1]中承載力計算式為：

　　式中: Vsu為單個栓釘抗剪承載力; Asu為栓釘桿徑截面面積; Ec 為混凝土彈性模量; fcd為混凝土軸心抗 壓強度設計值; fsu為栓釘材料抗拉強度最小值。 GB 50017—2017《鋼結構設計標準》[12]給出栓 釘抗剪承載力計算式為:

　　式中: fu 為栓釘極限抗拉強度設計值，應符合 GB /T 10433—2002《電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘》[13] 的要 求，也即 fu 取值不小于 400 MPa，也即 GB 50017— 2003《鋼結構設計規范》中規定，fu 為 f 與 γ 的乘積， 其中，f 為栓釘材料抗拉強度設計值，γ 為材料抗拉 強度最小值與屈服強度之比。

　　通過對比式( 1) 與式( 2) 可以發現: 栓釘抗剪承 載力采用了相同的計算式; 現行 GB 50017—2017 修 訂了 GB 50017—2003 中的規定，取消了栓釘材料強 度抗力分項系數的折減。

　　我國目前工程使用的成品栓釘材質為 ML15 或 ML15Al，其 fsu = 400 MPa，代入式( 1) 中可以發現，當混凝土強度等級不大于 C30 時，栓釘抗剪承載力由混凝土材料性質決定，當大于 C30 時，栓釘破壞模 式為自身剪斷，由鋼材性能決定。目前橋梁主體結 構混凝土常采用 C40～ C60 混凝土，栓釘的抗剪承載 力由栓釘材料強度和截面面積決定，實際栓釘根部 由于焊縫的存在，增大了抗剪斷面，而幾本標準規定 的算式均以桿徑截面進行設計，使栓釘的抗剪承載力計算值偏小[14]。

　　在進行組合梁有限元模擬分析時，通常采用實 體單元模擬混凝土板，采用殼單元模擬鋼板，栓釘的 模擬方式可采用如下方式[15]: 1) 采用彈簧單元連接 對應的鋼板結點和混凝土結點，彈簧剛度和承載力 根據推出試驗確定; 2) 采用梁單元模擬栓釘，梁單元嵌固在混凝土實體單元中，焊縫處的結點與鋼板結點固接。采用梁單元模擬時，當單元截面采用桿 徑截面時會低估栓釘的抗剪承載力。

　　基于上述分析，本文開展了栓釘焊縫形態對抗 剪承載力影響的研究，參考歐洲標準 Eurocode 4，設 計了三個試件進行推出試驗并采用 ABAQUS 軟件 對試驗進行了全過程模擬，驗證了有限元分析方法的合理性; 隨后進一步開展焊縫構造參數分析，為更準確地計算栓釘抗剪承載力提供參考。

　　試驗研究

　　1. 1 試件設計

　　設計的 3 個試件( S1～ S3) 采用了相同的構造形式，如圖1所示，混凝土板尺寸為650 mmx600 mmx150 mm，采用C60混凝土;箍筋采用中12的HRB400鋼筋;中j]鋼梁ЖНнE鋼，規格HW250x250x9x14，采用Q345鋼材;栓釘連接件采用413的成品栓釘，栓釘高度120 mm，鋼梁每側設置2顆栓釘，間距100 mm，栓釘采用角焊縫圍焊的形式進行連接，焊腳高度7mm

　　1. 2 材料性能

　　材料性能測試均采用國家相應的標準進行，混 凝土的立方體抗壓強度為 61. 4 MPa，彈性模量為 31. 5 GPa，泊松比為 0. 18。鋼材的材料性能測試結 果見表 1。

　　1. 3 試驗加載及測試

　　試驗加載設備采用液壓式加載系統，如圖 2 所 示。加載過程分為預加載和正式加載，預加載為 30%屈服荷載，持續一段時間，消除非彈性變形后， 進行卸載; 正式加載按每級 100 kN 加載至試件屈 服; 隨后根據荷載-滑移曲線的趨勢將荷載降低至 每級 5～50 kN。

　　采用百分表測試界面滑移，測點位于鋼混結合 面的頂部和底部，如圖 3 所示。

　　2 試驗結果與分析

　　2. 1 破壞模態 所有試件的破壞模式均為栓釘剪斷，混凝土板 未出現裂縫; 所有栓釘的破壞位置均為根部斷面突 變處，且栓釘下方受壓混凝土發生了局部壓潰，如圖 4a 所示，栓釘斷口如圖 4b 所示。

　　S1 試件各栓釘均勻受力，破壞時兩側栓釘均被 剪斷，如圖 5a 所示; S2 與 S3 試件一側的栓釘斷裂后 發生傾斜，試件失去繼續加載的能力，如圖 5b 所示。

　　2. 2 荷載-滑移曲線

　　試件的荷載-滑移曲線如圖 6 所示，在加載初 期，三個試件具有相同的抗剪剛度，荷載-滑移曲線重合度較好。進入屈服階段后，三組試件的抗剪行 為差異明顯，主要與混凝土材料固有的離散性和栓 釘傳力的均勻程度有關，各栓釘受力越均勻，其抗剪承載力越大，如 S1 試件; S2 試件單側兩顆栓釘同時 斷裂，承載能力次之; S3 試件在加載過程中單顆栓 釘較早斷裂，不能充分發揮栓釘群的作用，試件的延 性和承載力最低。根據 S1 和 S3 試件栓釘斷裂前后 的荷載差值計算單顆栓釘的抗剪承載力: S1 試件計算結果為 72. 2 kN，S3 試件計算結果為 71. 0 kN，兩 者的計算值接近，取其平均值作為單顆栓釘的抗剪 承載力，為 71. 6 kN。

　　根據試件的破壞過程分析三個試件達到承載力 極限狀態時各栓釘分配的荷載，如表 2 所示，可知: S1 試件的栓釘均達到極限承載力 71. 6 kN，其中由 于材料的離散性，某幾個栓釘的承載力高于計算的 抗剪強度( 71. 6 kN) ，此處假定 1 個栓釘強度得到增強，實際得到增強的栓釘數量越多，栓釘受力越均 勻。根據試件的破壞模態分析 S2 試件和 S3 試件的 栓釘受力構成可知，S2 試件單側 2 個栓釘達到極限 承載力 71. 6 kN，S3 試件 1 個栓釘達到極限承載力。

　　3 有限元全過程模擬

　　3. 1 模型建立

　　采用 ABAQUS 軟件建立有限元模型，混凝土本構關系采用 Hongnestad 曲線，型鋼和栓釘本構關系采用二次塑流模型，材料力學指標采用試驗測試值。混凝土塑性采用 Concrete Damaged Plasticity 模型， 鋼材采用 Mises 屈服準則。

　　根據試件的對稱性，建立 1 /4 模型，混凝土板、 鋼梁、栓 釘 均 采 用 三 維 8 結 點 線 性 縮 減 單 元 ( C3D8R) 模擬，由于不存在界面掀起，栓釘模型的頭部按公稱直徑取值，以優化網格形態，提高計算效率，栓釘根部焊縫按真實尺寸建立，網格整體劃分如 圖 7a 所示，鋼結構的網格劃分如圖 7b 所示。

　　模型的對稱面采用對稱約束;混凝土板下表面采用豎向約束，選取混凝土板底面中心結點約束剛體運動。中間鋼梁與栓釘之間采用固接連接;鋼構件與混凝土板之間采用接觸單元模擬，忽略摩擦力的作用。采用位移法加載，通過對豎向反力求和獲取荷載值。

　　3.2 模型驗證與分析

　　3.2.1 荷載-滑移曲線試件的荷載-滑移曲線對比計算結果如圖8所示，有限元模型中各栓釘受力均勻，與S1試件的加載過程最接近，計算結果與S1試件的試驗結果吻合較好。由于有限元計算時未施加重力，且進行變形精準控制，栓釘斷裂后鋼板與混凝土板的空間相對位置不變，由于殘余焊縫的作用，仍能夠繼續進行一小段加載，而實際試驗時栓釘斷裂后鋼梁會掉落，結構立即失效。

　　3.2.2 鋼梁與栓釘應力分布

　　栓釘斷裂后，鋼梁的應力分布如圖9a所示，鋼梁的應力主要集中于栓釘附近;達到承載力極限狀態時，栓釘的應力分布如圖9b所示，最大應力位于栓釘根部的最小斷面處，栓釘達到材料極限強度;栓釘失效后，其應力分布如圖9c所示，栓釘根部材料應力急劇降低，不能有效傳遞荷載。應力分布云圖 顯示栓釘的有效長度為 60 mm，約為栓釘直徑的 4. 6 倍。

　　3. 2. 3 混凝土板應力分布

　　承載力極限狀態下，混凝土板的應力分布如圖 10 所示，栓釘根部的混凝土應力達到了材料的極限 強度，與試件破壞模態中該區域混凝土被壓潰的試 驗現象吻合。

　　4參數分析

　　栓釘常見的焊縫形式如圖11所示，a類為角焊縫圍焊連接方式，b類為使用瓷環成形的焊縫形式，屬于熔透焊縫;c類為不考慮栓釘根部焊縫的構造形式。

　　a類焊縫形式的有限元模型已通過上述分析得到檢驗;文獻[4]中栓釘的焊接采用專業焊槍和標準瓷環成形，通過對其試驗進行模擬分析，檢驗b類焊縫形式的有限元分析方法。文獻[4]中試件的構造形式如圖12所示。

　　混凝土采用C50商品混凝土，彈性模量34.5 GPa，立方體抗壓強度55.7 MPa;箍筋采用ф10的HRB335鋼筋;鋼梁根據GB/T 11263-1998《熱軋H型鋼和剖分T型鋼》選取HW250x250型鋼;栓釘直徑16 mm，高度120 mm，材料抗拉強度326 MPa，彈性模量213 GPa;栓釘通過瓷環成形，焊縫形態如圖11b所示，其中D=21 mm，h=4.5 mm參考3.1節的單元類型、材料本構關系和約束體系建立對稱模型，有限元計算的荷載一滑移曲線與測試值對比如圖13所示，圖中所示為換算成單個栓釘的結果，栓釘抗剪承載力測試值為82.4 kN，有限元計算值為80.5 kN(比測試值低2.3%)，結果證明采用本文有限元模型模擬b類焊縫是可行的。

　　基于上述有限元分析模型，對 a 類和 b 類焊縫 形式的栓釘開展參數分析，材料參數和試件基本構 造形式采用本文第 1 節中的相關數據，同時計算不 考慮栓釘根部焊縫的構造形式，如圖 11c 所示，該形 式為有限元計算時常用的栓釘建模方式及栓釘承載力計算時的構造形式。

　　4. 1 a 類焊縫栓釘抗剪承載力

　　圍焊形式的焊縫尺寸只需保證栓釘達到極限承 載力時焊縫不發生破壞即可，焊縫高度 h 需滿足:

　　為避免過大的焊接變形和焊接殘余應力，焊腳 高度不宜過大，以相互焊接板件的最小厚度為限值， 其中圓形截面換算為等效的矩形截面，焊縫最大高 度需滿足:

　　在上述范圍內，試件承載力隨焊縫高度的變化 如圖 14 所示，可知，栓釘抗剪承載力隨焊縫高度呈

　　線性增大。

　　4. 2 b 類焊縫栓釘抗剪承載力

　　對瓷環成形焊縫分別修改焊縫直徑 D 和焊縫 高度 h，其栓釘抗剪承載力與焊縫高度和直徑的關

　　系曲線如圖 15 所示。表明: 當 h /D 小于 0. 42 時，栓 釘抗剪承載力隨焊縫高度和直徑線性增大; 當 h /D 大于 0. 42 時，繼續增大焊縫高度和直徑對栓釘的抗 剪承載力影響較小。GB /T 10433—2002 中給出的 栓釘焊縫規格指導值如表 3 所示，其中，h /D 取值介 于 0. 19～0. 26。

　　4. 3 不考慮焊縫的栓釘抗剪承載力

　　不考慮焊縫的栓釘抗剪承載力隨栓釘直徑的變 化如圖 16 所示。可知，隨直徑的增加，栓釘抗剪承 載力線性增大，根據 JTG D64—2015《公路鋼結構橋 梁設計規范》計算的栓釘抗剪承載力比有限元計算 值大 20%左右。

　　4. 4 不同焊縫形式對比分析

　　以試驗結果為基準，不同焊縫形式栓釘抗剪承 載力對比見表 4。結果表明: 考慮焊縫形態進行有 限元計算時，所得的試件抗剪承載力計算值與試驗

　　值吻合較好; 不考慮焊縫影響時，需將栓釘的有效直徑增大才能獲得相同的抗剪承載力，故本次試驗的 栓釘有效直徑需增大至 18 mm; 若采用瓷環成形焊 縫，達到本文栓釘的抗剪承載力時，需使焊縫直徑 D= 19 mm，焊縫高度 h = 8 mm，兩項取值均大于規范 的焊縫規格指導值。抗剪承載力的試驗值為規范計 算值的 1. 59 倍。

　　4. 5 采用規范焊縫形式的栓釘抗剪承載力對比

　　將 GB /T 10433—2002 給出的栓釘焊縫規格指 導值( 表 3) 作為焊縫參數，通過本文的有限元方法計算不同直徑栓釘的抗剪承載力，計算結果如表 5 所示，隨著栓釘直徑的增加，焊縫對栓釘承載力的影 響程度降低，JTG D64—2015 公式的計算值均低于有限元計算值，表明 JTG D64—2015 的規定公式是 合理的，且對小直徑栓釘留有一定的安全儲備。

　　5結束語

　　本文采用推出試驗結合有限元分析的方法研究了焊縫形態對栓釘抗剪性能的影響，得到以下主要結論：

　　1)采用圍焊或瓷環成形的栓釘焊縫均能有效提高栓釘的抗剪承載力，有限元計算時，考慮焊縫形態能夠較好地模擬試驗過程。

　　2)采用角焊縫圍焊的栓釘，當焊縫尺寸控制在合理范圍內時，栓釘的抗剪承載力隨焊縫高度線性增大。

　　3)采用瓷環成形的栓釘，焊縫高度h與直徑D的比值不宜大于0.42，在此限值范圍內，栓釘抗剪承載力隨焊縫高度和直徑線性增大。

　　4)不考慮焊縫效應時，栓釘的抗剪承載力的規范計算值比有限元計算值大20%;考慮焊縫效應時，現有設計標準計算值均小于有限元計算值，但隨著栓釘直徑的增加，焊縫對栓釘承載力的影響逐漸減小。

　　參考文獻

　　[1]陳玲珠，蔣首超，張潔，栓釘剪力連接件的承載能力研究綜述[.鋼結構，2010，25(9)：5-10.

　　[2]丁敏，薛偉辰，王驊·鋼-高性能混凝土組合梁栓釘連接件抗剪性能的試驗[J].工業建筑，2007，37(8)：9-13.

　　[3]丁發興，倪鳴，龔永智，等，栓釘剪力連接件滑移性能試驗研究及受剪承載力計算[J].建筑結構學報，2014，35(9)：98-106.

　　[4]王文浩·栓釘連接件抗剪性能試驗與理論研究[D].杭州：浙江大學，2018.

　　[5]薛偉辰，丁敏，王驊，等，單調荷載下栓釘連接件受剪性能試驗研究[J.建構報，2009，30(1)：95-100.

　　[6]榮學亮，黃僑，任遠栓釘連接件銹蝕后靜力性能和抗疲勞性試研[].木1程報，2013，46(2)：10-18.

　　[7]熊輝，陽亮，曹國輝，長期荷載作用下銹蝕栓釘連接件卸載后靜力試驗研究[J].鐵道科2與工程報，2018，15(6)：1524-1533.

　　[8]XU C，SUGIURA K，WU C，et al.Parametrical Static Analysis on Group Studs with Typical Push-Out Tests[J].Joumal of Constructional Steel Research，2012，72：84-96.

　　[9] XUE D，LIU Y，YU Z，et al.Static Behavior of Multi-Stud Shear Connectors for Steel-Concrete Composite Bridge[J].Journal of Constructional Steel Research，2012，74：1-7.

　　[10]中華人民共和國交通運輸部，公路鋼結構橋梁設計規范：JTG D64-2015[s].北京：人民交通出版社，2015.

　　[11]中華人民共和國交通運輸部，公路鋼混組合橋梁設計與施工規范：JTG/T D64-01-2015[s].北京：人民交通出版社，2015.

　　[12]中華人民共和國住房和城鄉建設部鋼結構設計標準：GB50017-2017[s].北京：中國建筑工業出版社，2018.

　　[13]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，電弧螺柱焊用圓柱頭焊釘：GB/T 10433-2002[s].北京：中國標準出版社，2003.

　　[14]聶建國，譚英，王洪全，鋼-高強混凝土組合梁栓釘剪力連接件設計計[.(自然科學版)，1999，39(12)：94-97.

　　[15]王瀟碧，宋瑞年，占玉林，等，鋼-混凝土組合梁長期行為模擬及計算方法[J].工業建筑，2020，50(4)：132-137.

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文章名稱： 焊縫形態對栓釘抗剪承載力的影響

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