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  開(kāi)始檢測(cè)
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  開(kāi)始檢測(cè)

　　摘要認(rèn)識(shí)到PBL剪力鍵在土木工程各方面發(fā)揮了越來(lái)越重要作用，先對(duì)其極限承載力理論計(jì)算公式做了簡(jiǎn)單分析和討論，其次利用MIDASFEA建立了有限元模型，對(duì)其靜力荷載下位移應(yīng)力等進(jìn)行了分析比較，最后計(jì)算了在不同工況下PBL剪力鍵的關(guān)鍵位置處的應(yīng)力和位移，計(jì)算結(jié)果表明：表明模型在整個(gè)加載過(guò)程中，工作狀態(tài)良好，沒(méi)有明顯的破壞現(xiàn)象，承載力具有較大的安全儲(chǔ)備。

　　關(guān)鍵詞PBL剪力鍵，承載能力計(jì)算，有限元分析

　　1.引言

　　組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于橋梁工程以來(lái)，橋梁承載能力得到了很大提高，同時(shí)也大力促進(jìn)了橋梁工程向大跨、高強(qiáng)方向的發(fā)展。其中，波紋鋼腹板體外預(yù)應(yīng)力PC組合箱梁橋融合了箱梁、體外預(yù)應(yīng)力和組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，正越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外工程界的重視，很多專家也對(duì)此新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探索和研究[1]，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用大型有限元軟件ANSYS對(duì)PBL剪力鍵進(jìn)行了分析，分別就剪力鍵鋼板及混凝土應(yīng)力、模型應(yīng)變和豎向變形、裂縫及破壞過(guò)程分析等三個(gè)方面做了較為詳細(xì)的闡述。

　　PBL剪力鍵由帶孔的鋼板組成，可焊接在工字形截面的上翼緣，孔內(nèi)可穿入鋼筋。澆注混凝土后，孔內(nèi)的混凝土形成一系列的混凝土棒狀榫來(lái)抵抗鋼構(gòu)件和混凝土構(gòu)件之間的豎向掀起，帶孔的鋼板主要抵抗水平剪力，能在鋼與混凝土之間提供強(qiáng)大的連接作用，并具有很好的抗疲勞性能。很多研究表明，PBL剪力鍵無(wú)論在加工制作還是力學(xué)性能方面都比傳統(tǒng)的剪力連接件有很大的優(yōu)勢(shì)[2]。目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有規(guī)范對(duì)PBL鍵的形式、尺寸和承載能力作出規(guī)定[3]，而PBL剪力鍵正是這種結(jié)構(gòu)當(dāng)中連接鋼腹板與上下混凝土翼板的關(guān)鍵部件。因此，對(duì)PBL剪力鍵進(jìn)行深入細(xì)致的分析就顯的尤為必要。

　　2.PBL剪力鍵承載力理論計(jì)算

　　鑒于剪力鍵受力情況復(fù)雜多變，所以必須在理論分析的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行大量規(guī)范化的試驗(yàn)分析。目前很多PBL鍵試驗(yàn)研究大多借鑒了栓釘連接件的推出試驗(yàn)方法，但試件的形式和尺寸差別較大。國(guó)際上對(duì)PBL鍵也沒(méi)有規(guī)定統(tǒng)一的試件和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

　　PBL剪力鍵的極限承載力一般指的是開(kāi)孔鋼板上的單孔極限剪切力。影響其大小的因素很多，如混凝土強(qiáng)度、鋼筋的屈服強(qiáng)度、貫穿鋼筋直徑、鋼板開(kāi)孔直徑等等。對(duì)于理論計(jì)算，下面給出近期一些學(xué)者在試驗(yàn)基礎(chǔ)得出的計(jì)算方法。

　　3.PBL剪力鍵有限元分析

　　在有限元分析方面，其有限元分析過(guò)程較為繁瑣，對(duì)于除其試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭獾募袅B接件計(jì)算沒(méi)有很強(qiáng)的通用性，目前尚沒(méi)有利用MIDAS-FEA對(duì)PBL剪力鍵分析的先例。鋼和混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)有限元分析的最大的難點(diǎn)在于材料模型的準(zhǔn)確描述。鋼和混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)是由鋼和混凝土這樣兩種具有不同物理力學(xué)性能的材料組，彈性模量E不是固定不變的，在加載過(guò)程中，當(dāng)混凝土某一部分的應(yīng)力超出其彈性范圍后，彈性模量就會(huì)隨著應(yīng)力的變化而變化，材料的σ-ε曲線會(huì)變得很復(fù)雜。本模型在有限元計(jì)算中，鋼材取用Q345鋼，彈性模量為2.06×108gkN/m2，泊松比為0.3;混凝土標(biāo)號(hào)為C50，彈性模量為3.45×107kN/m2，泊松比為0.2。

　　利用MIDASFEA建立上文深圳某大橋剪力鍵有限元模型，混凝土、開(kāi)孔鋼板和工字梁采用實(shí)體單元，貫穿鋼筋采用鋼筋單元，工字梁與開(kāi)孔鋼板用實(shí)體布爾并集結(jié)合，其與混凝土接觸部分建立界面單元。整個(gè)模型采用自動(dòng)劃分網(wǎng)格，在實(shí)體接觸部分，先進(jìn)行實(shí)體分割，其次對(duì)相互嵌套接觸的實(shí)體用布爾差集處理，然后對(duì)其接觸線面部分進(jìn)行線播種，最后完成網(wǎng)格耦合操作。

　　有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

　　對(duì)以上模型進(jìn)行線性靜態(tài)分析，在工字梁兩端施加豎向荷載500KN，可以觀察到各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)處位移和應(yīng)力的變化。如圖2所示。

　　在MIDASFEA中，利用后處理樣式的一些操作，可以觀察到變形前后剪力鍵模型的直觀變化，另外可以標(biāo)記出最大最小變形。如圖3所示。

　　隨著荷載變化，PBL剪力鍵各個(gè)關(guān)鍵位置最大位移，最大應(yīng)力變化規(guī)律如圖4所示。

　　由圖4可見(jiàn)，混凝土和鋼板的最大位移呈現(xiàn)類三階曲線變化趨勢(shì)，其拐點(diǎn)發(fā)生在荷載250KN左右，此時(shí)其位移變化率最高。混凝土榫和開(kāi)孔鋼板的最大MISES應(yīng)力呈相同變化趨勢(shì)，不同點(diǎn)在于，在100KN以下時(shí)，應(yīng)力曲線基本重合。這是因?yàn)?，在較小的荷載作用下，PBL剪力鍵與混凝土之間基本不存在滑移。因工字梁受集中點(diǎn)荷載作用，在加載過(guò)程中，工字梁受力點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值較大，一定程度上制約最大荷載的增加，當(dāng)工字梁受力點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到400MPa時(shí)，停止繼續(xù)加載。

　　4.結(jié)語(yǔ)

　　PBL剪力鍵在橋梁工程中發(fā)揮的作用越來(lái)越大，對(duì)其進(jìn)行深入研究很有必要。本文從兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行了嘗試性的討論分析，一是簡(jiǎn)要總結(jié)了PBL剪力鍵極限承載力的理論計(jì)算，二是利用MIDASFEA有限元軟件對(duì)其應(yīng)力和變形做了簡(jiǎn)單分析，可以更加直觀地認(rèn)識(shí)到其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變分布變化規(guī)律。

　　運(yùn)用不同的公式對(duì)PBL剪力鍵承載能力計(jì)算結(jié)果不同，這主要是因?yàn)椴煌墓娇紤]的影響因素不同，即使考慮相同因素，由于試驗(yàn)誤差的原因，對(duì)于公式的修正側(cè)重也有所不同。鑒于沒(méi)有通用的理論計(jì)算公式，這就要求在實(shí)際中對(duì)于PBL剪力鍵的分析必須理論與試驗(yàn)相結(jié)合，最終得到符合自身實(shí)際要求的修正計(jì)算公式。利用MIDASFEA有限元軟件對(duì)PBL剪力鍵進(jìn)行分析，可以直觀地了解其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變變化，跟通用軟件ANSYS相比，F(xiàn)EA操作簡(jiǎn)便，更容易快速得到有限元分析結(jié)果。