CN112906116A - 一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，包括以下步骤：对具有不同拉剪比的剪力钉有限元分析模型进行有限元计算，得到不同拉剪比下的单钉抗剪承载力；根据一系列相互对应的拉剪比及单等抗剪承载力对预先建立的单钉抗剪承载力计算模型进行拟合，得到单钉抗剪承载力计算模型中的待定参数值；将得到的待定参数值带入单钉抗剪承载力计算模型中，利用带入待定参数的单钉抗剪承载力计算模型计算剪力钉的单钉抗剪承载力，采用本发明的方法弥补了剪力钉的单钉抗剪承载力的研究不足，简单易行，为设计和施工提供了参考，保证了施工的安全。

Description

一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法

技术领域

本发明涉及桥梁工程技术领域，具体涉及一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

剪力钉连接件受力性能优越，施工便捷，造价低廉，被广泛应用于桥梁施工中。实际工程中剪力钉需同时抵抗来自混凝土板的切向和轴向荷载，处于拉剪复合受力状态，例如在组合梁负弯矩区、混合梁结合段、混合塔、钢-混组合斜柱等，剪力钉在抗剪的同时更会承受较大的拉力作用。相关研究表明，轴向拉力会对剪力钉的抗剪承载力造成不同程度的折减。目前，剪力钉连接件抗剪承载力设计已写入相关规范，然而发明人发现，拉剪复合作用下剪力钉的抗剪承载力还存在明显的研究不足，既缺少必要的设计规范，又缺少有力的研究成果，工程中也未就拉力对抗剪承载力造成的影响进行相应的考量，对设计和施工造成一定的安全隐患。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，简单易行，能够为设计和施工提供参考。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，包括以下步骤：

对具有不同拉剪比的剪力钉有限元分析模型进行有限元计算，得到不同拉剪比下的单钉抗剪承载力；

根据一系列相互对应的拉剪比及单钉抗剪承载力对预先建立的单钉抗剪承载力计算模型进行拟合，得到单钉抗剪承载力计算模型中的待定参数值；

将得到的待定参数值带入单钉抗剪承载力计算模型中，利用带入待定参数的单钉抗剪承载力计算模型计算剪力钉的单钉抗剪承载力。

进一步的，所述剪力钉有限元分析模型包括钢梁模型，钢梁模型顶面设有加载垫板模型，钢梁模型两个外侧面设有呈夹角设置的混凝土板模型，混凝土板模型内部设有钢筋笼模型及剪力钉孔道，剪力钉孔道内设有剪力钉模型，剪力钉模型与钢梁模型的一体式设置。

进一步的，所述钢梁模型包括两个呈夹角设置的翼板模型，两个翼板模型之间设置有腹板模型，翼板模型的外侧面一体式设置剪力钉模型。

进一步的，改变钢梁模型两个外侧面之间的夹角，得到具有不同拉剪比的剪力钉有限元分析模型。

进一步的，所述有限元计算的具体步骤为：

建立好钢梁模型、加载垫板模型、混凝土板模型、剪力钉模型及钢筋笼模型；

定义钢梁模型、加载垫板模型、混凝土板模型、剪力钉模型及钢筋笼模型的材料属性和相互作用关系；

将模型进行装配并进行网格划分；

设置加载分析步，初始分析步时，在混凝土板模型的底面施加全位移约束，加载分析步时，在加载垫板模型施加竖向位移荷载；

得到剪力钉有限元分析模型的单钉承载力。

进一步的，记录加载垫板模型上的反力，当反力开始减小时结束分析，得到最大反力值，根据最大反力值得到有限元分析模型的单钉承载力。

进一步的，所述剪力钉模型与混凝土板模型之间采用接触设置，加载垫板模型和翼板模型、腹板模型之间采用绑定约束，所述钢筋笼模型和混凝土板模型采用内置区域约束，加载垫板模型为刚性模型。

进一步的，所述混凝土板模型采用塑性损伤模型，钢筋笼模型和加载垫板模型采用理想弹塑性模型，剪力钉模型及钢梁模型采用理想弹塑性-硬化模型。

进一步的，单钉抗剪承载力计算模型为：

其中，V为抗剪承载力(kN)，A_s为剪力钉钉杆截面积(mm²)，f_u为剪力钉强度(MPa)，f_c为混凝土强度(MPa)，E_c为混凝土弹性模量(MPa)，tanθ为拉剪比，a₁、b₁为待定参数，λ为拉剪比影响系数；

其中，拉剪比影响系数计算模型为：λ＝a₂f_c+b₂

a₂、b₂为待定系数。

进一步的，待定系数的确定方法为：

步骤(1)：取拉剪比等于0，将不同混凝土强度、剪力钉钉杆截面积、剪力钉强度组合下的通过有限元分析计算得到的单钉抗剪承载力代入单钉抗剪承载力计算模型中进行拟合，得到待定参数a₁和b₁。

步骤(2)：将a₁和b₁代入单钉抗剪承载力计算模型中，在设定混凝土强度下，将一系列通过有限元分析计算得到的相互对应的拉剪比及单钉抗剪承载力代入单钉承载力计算模型中，拟合得到设定混凝土强度下的拉剪比影响系数；

步骤(3)：采用步骤(2)方法得到不同混凝土强度下的拉剪比影响系数，对一系列混凝土强度及拉剪比影响系数进行拟合得到拉剪比影响系数计算模型的待定系数a₂和b₂。

本发明的有益效果：

1.本发明的方法，通过有限元分析计算得到一系列相互对应的拉剪比与单钉抗剪承载力，进而能够通过一系列数据拟合得到单钉抗剪承载力计算模型，后续使用时，只需要将剪力钉参数、混凝土强度、拉剪比等参数代入计算模型即可得到剪力钉的单钉抗剪承载力，弥补了拉剪作用下剪力钉的单钉抗剪承载力的研究不足，简单易行，为设计和施工提供了参考，保证了施工的安全。

2.本发明的方法所采用的剪力钉有限元分析模型，钢梁模型由两个呈设定角度的翼板模型构成，方便调节夹角，进而调节拉剪比，方便得出不同拉剪比下的单钉抗剪承载力。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1方法流程图；

图2为本发明实施例1剪力钉有限元分析模型示意图；

图3为本发明实施例1钢梁模型与剪力钉模型装配示意图；

图4为本发明实施例1混凝土板模型示意图；

图5为本发明实施例1剪力钉有限元分析模型组装示意图；

图6为本发明实施例1剪力钉直径16mm、长度100mm，混凝土强度60MPa，拉剪比为0(θ＝0°)的拉剪复合作用剪力钉连接件1/2有限元分析模型受力变形示意图；

图7为本发明实施例1剪力钉直径16mm、长度100mm，混凝土强度60MPa，拉剪比为0.268(θ＝15°)的拉剪复合作用剪力钉连接件1/2有限元分析模型受力变形示意图；

图8为本发明实施例1剪力钉直径16mm、长度100mm，混凝土强度60MPa，拉剪比为0.577(θ＝30°)的拉剪复合作用剪力钉连接件1/2有限元分析模型受力变形示意图；

图9为本发明实施例1剪力钉直径16mm、长度100mm，混凝土强度60MPa，拉剪比为1(θ＝45°)的拉剪复合作用剪力钉连接件1/2有限元分析模型受力变形示意图；

其中，1.翼板模型，2.腹板模型，3.剪力钉模型，4.混凝土板模型，5.钢筋笼模型，6.加载垫板模型，7.剪力钉孔道。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，拉剪复合作用下剪力钉的抗剪承载力还存在明显的研究不足，既缺少必要的设计规范，又缺少有力的研究成果，工程中也未就拉力对抗剪承载力造成的影响进行相应的考量，针对上述问题，本申请提出了一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法。

本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1所示，一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，包括以下步骤：

步骤1：对具有不同拉剪比的剪力钉有限元分析模型进行有限元计算，得到不同拉剪比下的单钉抗剪承载力。

所述步骤1的有限元分析包括以下具体步骤：

步骤a：建立剪力钉有限元分析模型。

如图2-4所示，所述剪力钉有限元分析模型包括钢梁模型、混凝土板模型、加载垫板模型、剪力钉模型及钢筋笼模型。

钢梁模型及剪力钉模型建模为一个整体，剪力钉模型轴线垂直于钢梁模型外侧面，钢梁模型尺寸为W1×H1×t1，W1为顶面宽度，H1为高度，t1为厚度，需满足t1≥10mm。剪力钉模型的尺寸为h×d，h为长度，d为钉杆直径。所述钢梁模型包括两个呈夹角设置的翼板模型1及设置在两个翼板模型之间的腹板模型2，翼板模型的外侧面一体式设置有两排剪力钉模型3，每排具有两个剪力钉模型。

翼板模型的尺寸为(a1+a2+a3)×(b1+b2+b1)×t，a1+a2+a3为长度，b1+b2+b1为宽度，t为厚度，其中a1为剪力钉模型与翼板模型顶面间距，a2为剪力钉模型之间的竖向间距，a3为剪力钉模型与翼板模型底面间距，b1为剪力钉模型与翼板模型侧面间距，b2为剪力钉模型之间的横向间距，需满足a1≥2d，a2≥4d，a3≥3d，b1≥3d，b2≥3d，t≥10mm。两个翼板模型与腹板模型的竖向对称线之间夹角均为θ，可通过改变θ模拟出不同拉剪比。

混凝土板模型4内侧尺寸为(b1+b2+b1)×(c1+c2+c3)，(b1+b2+b1)为内侧宽度，(c1+c2+c3)为内侧长度，厚度为W，需满足c2＝a2，c3≥4d，W≥h+15mm。混凝土板模型底面与水平面平行，侧面与翼板模型平行，混凝土板模型预留用于放置剪力钉模型的剪力钉孔道7

为保证破坏模式为钢梁剪力钉剪切破坏，模型还需满足如下条件：

h_ef/d≥[(-1.48f_c+241)d+(-27.6f_c+4770)]/1000 (1)

式中，h_ef为剪力钉钉杆长度(mm)，d为钉杆直径(mm)，f_c为混凝土抗压强度(MPa)

钢筋笼模型5的钢筋直径为10mm。

加载垫板模型6的尺寸为(b1+b2+b1)×W1×t。

步骤b：定义钢梁模型、加载垫板模型、混凝土板模型、剪力钉模型及钢筋笼模型的材料属性和相互作用关系。

优选的，定义钢梁模型和剪力钉模型为理想弹塑性-硬化模型，本实施例中，所述钢梁模型和剪力钉模型极限强度采用400MPa、440MPa、480MPa三种情况进行分析，定义混凝土板模型为塑性损伤模型，混凝土板模型采用抗压强度为40MPa、50MPa、60MPa、70MPa四种情况进行分析，定义钢筋笼模型和加载垫板模型为理想弹塑性模型，屈服强度采用335MPa进行分析。

钢梁模型和混凝土板模型之间采用接触设置，法向硬接触，切向摩擦系数取0.4，钢筋笼模型和混凝土板模型之间采用内置区域约束，加载垫板和钢梁模型之间采用绑定约束，加载垫板模型为刚性模型，取任一角点作为参考点。

步骤c:如图5所示，将钢梁模型、剪力钉模型、加载垫板模型、钢筋笼模型、混凝土板模型进行组装，其中混凝土板模型设置在翼板模型的外侧面，与翼板模型接触，且混凝土板模型的底面低于翼板模型的底面距离为s，剪力钉模型通过剪力钉孔道置入混凝土板模型内部，所述钢筋笼模型置入混凝土板模型内部，所述加载垫板模型设置在钢梁模型的顶面。

对组装好的剪力钉有限元分析模型划分网格，具体的，钢梁模型、剪力钉模型、混凝土板模型、加载垫板模型采用C3D8R单元，钢筋笼模型采用T3D2单元，剪力钉模型、剪力钉孔道及其周围网格尺寸2mm-5mm，其余网格尺寸20mm。

步骤d：设置加载分析步，用于施加荷载约束条件，分析步类型均为静力通用，采用几何非线性分析。

具体的，在初始分析步在混凝土板模型的底面施加全位移约束，将该约束条件传递到加载分析步；在加载分析步在加载垫板模型的参考点施加竖直向下的位移荷载，位移大小设定为20mm。

步骤e：得到有限元分析模型的单钉承载力。

启动分析，剪力钉有限元分析模型的受力变形如图6-图9所示，记录加载垫板模型上的反力F，当反力F开始减小时结束分析。记最大反力值为F_max，则单钉抗剪承载力V＝(F_maxcosθ)/8。

步骤f，切换不同的模型参数，重复步骤a-步骤e，得到不同模型参数组合下的单钉抗剪承载力。

采用的模型参数为：

拉剪比tanθ：0(θ＝0°)、0.268(θ＝15°)、0.414(θ＝22.5°)、0.577(θ＝30°)、0.767(θ＝37.5°)、1(θ＝45°)；

混凝土板模型的混凝土强度f_c(MPa)：40、50、60、70；

剪力钉模型的剪力钉强度f_u(MPa)：400、440、480；

剪力钉模型的剪力钉尺寸h×d(mm)：13×100、16×100、19×120、19×150。

所得到的不同模型参数下的单钉抗剪承载力如表1-表4所示

表1：剪力钉强度480MPa、剪力钉尺寸13×100(mm)时单钉抗剪承载力

表2：剪力钉剪力钉强度480MPa、剪力钉尺寸16×100(mm)时单钉抗剪承载力

表3：剪力钉剪力钉强度480MPa、剪力钉尺寸19×120(mm)时单钉抗剪承载力

表4：剪力钉剪力钉强度480MPa、剪力钉尺寸19×150(mm)时单钉抗剪承载力

按照同样的建模方法，得出不同拉剪比、混凝土强度、剪力钉强度、剪力钉尺寸任意参数组合时单钉抗剪承载力。本实施例计算数据量较大，仅列出部分计算数据，未列出全部相关参数组合下的单钉抗剪承载力。

步骤2：根据一系列相互对应的拉剪比及单等抗剪承载力对预先建立的单钉抗剪承载力计算模型进行拟合，得到单钉抗剪承载力计算模型中的待定参数值；

具体的，将单钉抗剪承载力与拉剪比、混凝土强度、剪力钉强度、剪力钉直径采用非线性拟合，得到单钉抗剪承载力计算模型，如下：

式中，V为抗剪承载力(kN)，A_s为剪力钉钉杆截面积(mm²)，f_u为剪力钉强度(MPa)，f_c为混凝土强度(MPa)，E_c为混凝土弹性模量(MPa)，tanθ为拉剪比，a₁、b₁为待定参数，λ为拉剪比影响系数。

其中，拉剪比影响系数与混凝土强度采用线性拟合，得到拉剪比影响系数计算模型：

λ＝a₂f_c+b₂ (3)

式中a₂、b₂为待定系数。

使得θ＝0，将不同混凝土强度数值及对应的利用有限元分析计算出来的单钉抗剪承载力代入公式(2)，然后进行拟合，拟合得到a₁、b₁，将a₁、b₁代入公式(2)。

在混凝土强度为40MPa的条件下，将多个拉剪比及其对应的利用有限元分析得到单钉抗剪承载力代入公式(2)，拟合得到一个拉剪比影响系数值。

采用相同的方法，得到混凝土强度为50MPa、60MPa及70MPa时拟合得到的拉剪比影响系数。

将多个混凝土强度及对应的拉剪比影响系数代入式(3)进行拟合，得到a₂、b₂，进而得到最终的单钉抗剪承载力计算模型。

本实施例中，采用上述方法对公式(2)和公式(3)进行非线性拟合分析，得到a₁＝1.382，b₁＝0.058，a₂＝0.007，b₂＝0.845。

则单钉抗剪承载力计算模型为：

步骤3：根据步骤2得到的单钉抗剪承载力计算模型，带入实际工程中的剪力钉的尺寸及强度参数，带入实际工程中的混凝土的强度和弹性模量，带入实际工程中的拉剪比，得到实际工程中的剪力钉的单钉抗剪承载力。

例如：混凝土强度60MPa，按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)，混凝土弹性模量为3.60×10⁴MPa，剪力钉尺寸19mm×120mm，剪力钉强度504MPa，倾角＝20°，求剪力钉的单钉抗剪承载力。

将混凝土强度代入式(4)，得λ＝0.007×60+0.845＝1.265，

此时剪力钉单钉抗剪承载力为112.910kN。

采用本实施例的方法，弥补了剪力钉的单钉抗剪承载力的研究不足，简单易行，为设计和施工提供了参考，保证了施工的安全。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

对具有不同拉剪比的剪力钉有限元分析模型进行有限元计算，得到不同拉剪比下的单钉抗剪承载力；

根据一系列相互对应的拉剪比及单钉抗剪承载力对预先建立的单钉抗剪承载力计算模型进行拟合，得到单钉抗剪承载力计算模型中的待定参数值；

将得到的待定参数值带入单钉抗剪承载力计算模型中，利用带入待定参数的单钉抗剪承载力计算模型计算剪力钉的单钉抗剪承载力。

2.如权利要求1所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，所述剪力钉有限元分析模型包括钢梁模型，钢梁模型顶面设有加载垫板模型，钢梁模型两个外侧面设有呈夹角设置的混凝土板模型，混凝土板模型内部设有钢筋笼模型及剪力钉孔道，剪力钉孔道内设有剪力钉模型，剪力钉模型与钢梁模型一体式设置。

3.如权利要求2所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，所述钢梁模型包括两个呈夹角设置的翼板模型，两个翼板模型之间设置有腹板模型，翼板模型的外侧面一体式设置剪力钉模型。

4.如权利要求2所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，改变钢梁模型两个外侧面之间的夹角，得到具有不同拉剪比的剪力钉有限元分析模型。

5.如权利要求2所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，所述有限元计算的具体步骤为：

建立钢梁模型、加载垫板模型、混凝土板模型、剪力钉模型及钢筋笼模型；

定义钢梁模型、加载垫板模型、混凝土板模型、剪力钉模型及钢筋笼模型的材料属性和相互作用关系；

将模型进行装配并进行网格划分；

设置加载分析步，初始分析步时，在混凝土板模型的底面施加全位移约束，加载分析步时，在加载垫板模型施加竖向位移荷载；

得到剪力钉有限元分析模型的单钉承载力。

6.如权利要求5所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，记录加载垫板模型上的反力，当反力开始减小时结束分析，得到最大反力值，根据最大反力值得到有限元分析模型的单钉承载力。

7.如权利要求5所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，所述剪力钉模型与混凝土板模型之间采用接触设置，加载垫板模型和翼板模型、腹板模型之间采用绑定约束，所述钢筋笼模型和混凝土板模型采用内置区域约束，加载垫板模型为刚性模型。

8.如权利要求5所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，所述混凝土板模型采用塑性损伤模型，钢筋笼模型和加载垫板模型采用理想弹塑性模型，剪力钉模型及钢梁模型采用理想弹塑性-硬化模型。

9.如权利要求1所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，单钉抗剪承载力计算模型为：

其中，V为抗剪承载力(kN)，A_s为剪力钉钉杆截面积(mm²)，f_u为剪力钉强度(MPa)，f_c为混凝土强度(MPa)，E_c为混凝土弹性模量(MPa)，tanθ为拉剪比，a₁、b₁为待定参数，λ为拉剪比影响系数；

其中，拉剪比影响系数计算模型为：λ＝a₂f_c+b₂

a₂、b₂为待定系数。

10.如权利要求9所述的一种拉剪复合作用剪力钉单钉抗剪承载力计算方法，其特征在于，待定系数的确定方法为：

步骤(1)：取拉剪比等于0，将不同混凝土强度、剪力钉钉杆截面积、剪力钉强度组合下的通过有限元分析计算得到的单钉抗剪承载力代入单钉抗剪承载力计算模型中进行拟合，得到待定参数a₁和b₁；

步骤(2)：将a₁和b₁代入单钉抗剪承载力计算模型中，在设定混凝土强度下，将一系列通过有限元分析计算得到的相互对应的拉剪比及单钉抗剪承载力代入单钉承载力计算模型中，拟合得到设定混凝土强度下的拉剪比影响系数；

步骤(3)：采用步骤(2)方法得到不同混凝土强度下的拉剪比影响系数，对一系列混凝土强度及拉剪比影响系数进行拟合得到拉剪比影响系数计算模型的待定系数a₂和b₂。

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