多钉剪力连接件非线性有限元分析
宛青云,薛东焱*,潘志宏,马文刚
【摘 要】 运用ABAQUS软件对多钉剪力连接件推出试验进行非线性有限元分析,并把计算结果与推出试验的结果进行对比研究,分析过程中考虑了结构的几何非线性和材料非线性,并引入了混凝土损伤的影响．研究结果表明,非线性有限元计算的结果与推出试验结果吻合较好,有限元方法能够较好地模拟焊钉推出试验,可以作为一种便捷的研究手段．焊钉间距对焊钉抗剪承载力影响较小,焊钉的根部受力和变形最大,从焊钉根部向焊钉端部方向,应力和变形逐渐减小．推出试验破坏形式为焊钉根部被剪断,并且焊钉根部下方混凝土被压碎．破坏时上排焊钉变形较大,首先被剪断,然后发生剪力重分配,导致下排焊钉被迅速剪断,下排焊钉变形比上排焊钉变形小．
【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》 【年(卷),期】2024(033)005 【总页数】6
【关键词】 焊钉;多钉;推出试验;非线性;有限元分析 修回日期：2024-05-09
引文格式： 宛青云,薛东焱,潘志宏，等.多钉剪力连接件非线性有限元分析[J].江苏科技大学学报(自然科学版)，2024，33(5)：104-109.DOI:10.11917/j.issn.1673-4807.2024.05.016.
剪力连接件是钢-混凝土组合结构的关键构造,是确保组合结构协同工作的重要保障．焊钉连接件由于受力各向同性、构造简单、施工方便而应用广泛．焊钉连接件的力学性能主要通过推出试验获得,国内外学者针对焊钉推出试验做了大
量的研究工作．
文献[1]根据试验结果提出了焊钉承载力指数模型公式:P=Pu(1-e-αs)β，其中：Pu为极限承载力,s为相对滑移,α和β分别是试验拟合的参数．该类函数能较好地模拟推出试验的结果,因而获得广泛采用．文献[2]针对焊钉不同间距的情况进行了推出试验研究,得出分别适用于单钉和多钉的荷载-滑移关系表达式．文献[3]运用ABAQUS软件进行有限元分析,焊钉和混凝土之间采用绑定连接的方式,较好地模拟了推出试验的结果．文献[4]对推出试验施加横向力情况下,进行了试验和有限元分析,该种情况下焊钉的抗剪承载力有所提高,但对滑移影响很小．文献[5]在试验的基础上对混凝土等级、焊钉的直径和配筋率等参数的影响进行了模拟分析,得到影响抗剪承载力的因素,其中混凝土等级,焊钉屈服强度,焊钉直径等影响较大．
目前研究主要集中在单个焊钉力学性能的分析,对于多钉连接件力学性能的研究并不充分,而实际工程中,通常是以多钉的形式存在,因此对多钉连接件力学性能的研究就显得十分必要．
为了研究多钉剪力连接件的受力性能,文中采用有限元软件ABAQUS对不同间距的多钉剪力连接件推出试验进行了非线性有限元数值分析,分析过程中考虑了几何非线性和材料非线性,并引入了混凝土损伤的影响．把计算结果与推出试验的结果进行了对比研究,根据有限元计算结果分析了多钉剪力连接件的力学性能,为焊钉连接件的设计和应用提供依据和参考．
1 有限元模型
1.1 模型建立
根据推出试验试件的对称性,建立1/4推出试验的模型进行分析．焊钉、钢结构、
混凝土和钢筋骨架分别单独建模,然后装配到一起．根据焊钉间距的不同,建立4个有限元模型,焊钉间距分别为:100、150、200和250 mm．有限元模型如图1．
1.2 材料本构关系 1.2.1 混凝土本构关系
钢筋混凝土材料的本构关系通常采用非线性的方式表达[6],文中混凝土的本构关系参考欧洲规范[7]中的本构关系,如图2，3,计算公式为式(1)和式(2)．混凝土损伤采用ABAQUS使用手册中提供的混凝土塑性损伤模型[8]． 当ε≤0.4fck/Ec时,σc=εEc 当0.4fck≤ε≤εc时, (1)
当εc<ε<αεc时，
式中：Ec为混凝土的弹性模量；为混凝土立方体抗压强度．当混凝土为C30时r取为1,混凝土为C100时r取为0.5,其余值按线性内插法计算．文中选用C50混凝土,取r=0.85,α=1.75． (2)
式中：ft为混凝土的抗拉强度设计值,εt为开裂应变,为了获得更好的数值解,经过计算模拟,文中β取为50． 1.2.2 钢材本构关系
文中钢材选用Q345钢材,钢结构和焊钉使用相同的本构关系,采用三折线式的弹塑性本构模型,如图4,计算公式为式(3)． (3)
多钉剪力连接件非线性有限元分析
