钢管剪力连接件受力性能的有限元分析

钢管剪力连接件受力性能的有限元分析
发布时间：2022-11-21T15:17:47.566Z 来源：《建筑实践》2022年第7月第14期作者：辛晓萱彭文言周晨玮李庆文董超强王建萍白志强
[导读] 根据组合结构中钢管剪力连接件的受力状态
辛晓萱彭文言周晨玮李庆文董超强王建萍白志强
潍坊学院建筑工程学院
摘要：根据组合结构中钢管剪力连接件的受力状态，采用ABAQUS有限元软件对5个试件进行推入试验的模拟，在有限元分析中考虑了混凝土和钢材的非线性本构关系。

结果表明:提高混凝土立方体抗压强度，可以有效提高构件的承载力和延性；但是增大贯穿钢筋的直径，对承载力的提高不显著。

关键字：剪力连接件；本构关系；有限元分析；贯穿钢筋；
0引言
钢-混凝土组合结构中钢材和混凝土通过开孔钢板剪力连接件实现共同受力，防止两者产生分离或滑移。

因此，近年来针对剪力连接件的研究也越来越受到重视。

目前它常见型式为在开孔钢板孔内加贯穿钢筋，再浇筑混凝土。

本文针对改进型的钢管剪力连接件，即在开孔钢板两侧加焊钢管，采用商用ABAQUS有限元分析软件对该钢管剪力连接件进行数值分析，研究混凝土强度等级、贯穿钢筋直径等结构参数对钢管剪力连接件承载力的影响，以探讨其力学性能。

1钢管剪力连接件试验设计
该文主要讨论钢管剪力连接件中的受力性能，根据常见的试验研究方法设计了如下的推入试件。

如图1所示，混凝土块长度为600mm，宽度为250mm，高度为350mm。

开孔钢板采用Q235，钢板厚度为14mm，钢管直径为60mm，钢管长度为50mm。

钢筋笼直径10mm，采用HRB400钢筋。

图1 钢管剪力连接件
2钢管剪力连接件的有限元模型建立
2.1材料的本构关系
钢材的弹性模量为200MPa，屈服强度为360MPa，泊松比为0.3。

钢筋和钢材的本构关系选用理想弹塑性模型。

混凝土采用ABAQUS软件自带的CDP模型，它是基于塑性连续介质的损伤模型。

其应力-应变关系采用《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中附录C.2.3和C.2.4的曲线和方程。

并结合Sidoroff[1]能量等价原理，得到针对混凝土的损伤因子计算方法:
（1）
其中为混凝土的真实应力，为混凝土的真实应变，为混凝土的弹性模量。

本文根据上述规范条例和公式（1），计算得到ABAQUA中CDP模型所需要的混凝土C30的材料损伤数据数列，如表1所示。

表1 非弹性应变与损伤因子数据序列
2.2有限元模型建立及网格划分
该钢管剪力连接件有限元模型如图1所示，由混凝土榫、混凝土块、钢筋笼、贯穿钢筋和钢管剪力连接件组成。

钢筋笼采用T3D2 桁架单元，其余各部件采用C3D8R单元，其中开孔钢板和钢管通过布尔运算操作实现一体建模。

不考虑钢管剪力连接件的端部承压作用。

钢筋笼采用embed方法嵌入混凝土块中，忽略两者之间的相对滑移。

钢管剪力键与混凝土块采用法向无摩擦，切向罚函数[2]的接触模拟，贯穿钢筋和混凝土榫通过tie绑定。

钢板顶部采用位移加载。

3钢管剪力连接件相关参数分析
3.1混凝土强度的影响
如图2所示，钢管剪力连接件在孔径为50mm，贯穿钢筋直径为12mm时，当混凝土立方体抗压强度分别为20.1MPa和32.4MPa时，其极
限承载力分别为418.27kN和534.24KN，可得出，钢管剪力连接件的抗剪承载力随混凝土强度的提高而增大。

图2 混凝土强度的影响图3贯穿钢筋直径的影响
3.2贯穿钢筋直径的影响
由图3所示，当其余参数不变的前提下，增加贯穿钢筋，可以显著提高构件的承载力和延性。

但改变贯穿钢筋直径，可以提高钢管剪力连接件的极限承载力，但从数值来看，差别不明显。

4结论：
本文运用ABAQUS软件，对钢管剪力连接件展开了力学分析，得出以下结论：
1）提高混凝土的立方体抗压强度，可以显著提高钢管剪力连接件的承载力。

2）其余参数不变时，增大贯穿钢筋直径可以增大结构承载力和延性，但是增长幅度不明显。

参考文献：
[1]SIDOROFF F．Description of anisotropic damage application to elasticity[M]．Berlin：Springer，1981：237 -244．
[2]苏庆田，杜霄，李晨翔，姜旭. 钢与混凝土界面的基本物理参数测试 [J]. 同济大学学报（自然科学版）, 2016, 44(4): 499-506.。