基于abaqus的混凝土受拉状态下栓钉性能研究

基于abaqus的混凝土受拉状态下栓钉性能研究

1组合梁中栓钉连接件性能的试验研究连接点是实现钢-混凝土组合梁的联合工作，传递了连接和提升的重要因素。而承载力和刚度是栓钉连接件的重要指标。栓钉连接件的性能一般是通过推出试验或梁式试验结果得到的。文献通过分析比较认为:推出试验的结果是梁式试验的下限,组合梁中栓钉连接件的性能可以用推出试验结果来表述。各国规范均以推出试验结果作为确定栓钉承载力的依据。目前,国内外对栓钉承载力和刚度的研究主要集中在混凝土受压区,对于混凝土受拉状态下的研究较少。我国钢结构设计规范给出组合梁负弯矩区栓钉连接件承载力为正弯矩区的0.9倍,原因是负弯矩区混凝土受拉开裂,对栓钉的约束程度降低,导致栓钉承载力折减。文献通过5组18个试件的反向推出试验也得到类似的结论。对栓钉连接件刚度的研究,大部分学者认为比混凝土受压状态下略低,但均没有给出定量的说明。本文利用大型有限元分析软件ABAQUS6.5,在同时考虑栓钉直径、混凝土强度和配筋率的基础上,对12个试件进行了反向推出模拟,以比较各因素对栓钉连接件承载力和刚度的影响。2反向推出试验的有限元模型为了比较栓钉直径、混凝土强度和配筋率对栓钉承载力和剪切刚度的影响,建立如图1所示的有限元模型来模拟反向推出试验。试验中将试件分为A,B,C,D四组,共11个,见表1所示。2.1混凝土非线性行为本文分析中,混凝土材料采用ABAQUS自带的损伤塑性模型(Concretedamagedplasticity),该模型使用各向同性损伤弹性结合各向同性拉伸和压缩塑性的模式来表示混凝土的非线性行为。是一种基于连续介质的损伤模型。2.1.1-应变曲线上升段二次织入口,二次织入本文采用Hognestad建议的模型,其应力-应变曲线的上升段为二次抛物线,下降段为一斜直线,表达式为:式中:ε0为峰值应变;εu为混凝土极限压应变,一般取εu=0.0038mm。2.1.2混凝土受拉式在反向推出试验中,混凝土应力分量以受拉为主。本文采用清华大学过镇海等提出的混凝土受拉表达式:式中:αt=0.312f;εt表示峰值拉应变;f表示混凝土单轴抗拉强度。2.2应力-应变本构模型在理论分析中为简化起见,常将钢材的应力-应变曲线理想化,对于不同性能、不同用途的钢材选用合适的应力-应变曲线,常用的有:双直线模型、三折线模型、双斜线模型及双斜线加曲线模型。根据文献研究表明,在推出试验中,模型破坏时,混凝土达到极限强度,而钢材均处于弹性受力阶段。故钢材采用双直线模型,即理想弹塑性模型。取弹性模量Es=206000MPa,泊松比ν=0.3。2.3损伤指标的描述当混凝土材料进入塑性状态后,其刚度降低,ABAQUS中用受拉损伤指标dt和受压损伤指标dc来描述。dt和dc由混凝土进入塑性状态的程度来决定,其值由混凝土本身的性质以及混凝土发生损伤后的应力水平确定。2.4eccad风速钢与混凝土板之间的相互作用,应用Surface-to-surfacecontact接触,接触属性中采用摩擦接触中的罚函数(penalty)公式。型钢与栓钉及栓钉与混凝土之间均应用了束缚(tie)约束。没有考虑焊接因素的影响,同时忽略了混凝土板与钢梁交接面之间的摩擦。2.5基于一维应变理论的杆单元ABAQUS中,对于混凝土中钢筋有两种模拟方法:其一是在混凝土中定义REBAR,REBAR本身不是单元,其作用相当于基于一维应变理论的杆单元;其二是在主体单元中定义嵌入单元(EMBEDDEDELEMENT),它可以在模型中的某一“主体“单元定义单个的或成组的嵌入单元,也可以模拟混凝土中的加强筋。因此本文采用第二种模型中的桁架单元T3D2。另外,本文选用实体单元中缩减积分的三维八节点C3D8R,作为H型钢梁、混凝土板以及栓钉的单元类型。3混凝土强度对栓钉连接件承载力的影响利用有限元分析软件ABAQUS,考虑混凝土强度、栓钉直径及配筋率的影响下,经有限元分析得出反向推出试验模型变形后切面和栓钉变形如图2所示,典型的栓钉连接件荷载-滑移关系曲线如图3所示。有限元分析表明,在混凝土强度小于C50时,反向推出试验模型的破坏形式均为混凝土压坏,栓钉连接件没有达到屈服强度,从而证实了钢材采用理想弹塑模型的正确性。在配筋率不变的情况下,栓钉直径和混凝土强度对栓钉连接件承载力的影响较大,如图4和图5所示,随着栓钉直径和混凝土强度的增大,栓钉承载力近似线性增加。如图6所示,当栓钉直径和混凝土强度不变时,配筋率对栓钉连接件承载力也有影响,但相对较小。由表1可得,本次模拟结果比按现行规范计算值偏大,与文献和现行规范吻合较好。同时,由于目前仅有对表1中4组11个试件的模拟,对比试验较少,无法进行回归分析,在使用时应慎重。4栓钉连接件剪切刚度的影响(1)混凝土强度和栓钉直径对混凝土受拉区栓钉抗剪承载力影响较为显著,而配筋率对其影响较小。(2)随着混凝土强度、栓钉直径及配筋率的提高,栓钉连接件