發布時間：2020-04-29所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要認識到PBL剪力鍵在土木工程各方面發揮了越來越重要作用，先對其極限承載力理論計算公式做了簡單分析和討論，其次利用MIDASFEA建立了有限元模型，對其靜力荷載下位移應力等進行了分析比較，最后計算了在不同工況下PBL剪力鍵的關鍵位置處的應力和位移，計
摘要認識到PBL剪力鍵在土木工程各方面發揮了越來越重要作用，先對其極限承載力理論計算公式做了簡單分析和討論，其次利用MIDASFEA建立了有限元模型，對其靜力荷載下位移應力等進行了分析比較，最后計算了在不同工況下PBL剪力鍵的關鍵位置處的應力和位移，計算結果表明：表明模型在整個加載過程中，工作狀態良好，沒有明顯的破壞現象，承載力具有較大的安全儲備。
關鍵詞PBL剪力鍵，承載能力計算，有限元分析
1.引言
組合結構應用于橋梁工程以來，橋梁承載能力得到了很大提高，同時也大力促進了橋梁工程向大跨、高強方向的發展。其中，波紋鋼腹板體外預應力PC組合箱梁橋融合了箱梁、體外預應力和組合結構的優點，正越來越受到國內外工程界的重視，很多專家也對此新型結構進行了探索和研究[1]，國內學者利用大型有限元軟件ANSYS對PBL剪力鍵進行了分析，分別就剪力鍵鋼板及混凝土應力、模型應變和豎向變形、裂縫及破壞過程分析等三個方面做了較為詳細的闡述。
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，孔內可穿入鋼筋。澆注混凝土后，孔內的混凝土形成一系列的混凝土棒狀榫來抵抗鋼構件和混凝土構件之間的豎向掀起，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剪力鍵無論在加工制作還是力學性能方面都比傳統的剪力連接件有很大的優勢[2]。目前國內外還沒有規范對PBL鍵的形式、尺寸和承載能力作出規定[3]，而PBL剪力鍵正是這種結構當中連接鋼腹板與上下混凝土翼板的關鍵部件。因此，對PBL剪力鍵進行深入細致的分析就顯的尤為必要。
2.PBL剪力鍵承載力理論計算
鑒于剪力鍵受力情況復雜多變，所以必須在理論分析的基礎上，對其進行大量規范化的試驗分析。目前很多PBL鍵試驗研究大多借鑒了栓釘連接件的推出試驗方法，但試件的形式和尺寸差別較大。國際上對PBL鍵也沒有規定統一的試件和試驗標準。
PBL剪力鍵的極限承載力一般指的是開孔鋼板上的單孔極限剪切力。影響其大小的因素很多，如混凝土強度、鋼筋的屈服強度、貫穿鋼筋直徑、鋼板開孔直徑等等。對于理論計算，下面給出近期一些學者在試驗基礎得出的計算方法。
3.PBL剪力鍵有限元分析
在有限元分析方面，其有限元分析過程較為繁瑣，對于除其試驗模型之外的剪力連接件計算沒有很強的通用性，目前尚沒有利用MIDAS-FEA對PBL剪力鍵分析的先例。鋼和混凝土復合結構有限元分析的最大的難點在于材料模型的準確描述。鋼和混凝土復合結構是由鋼和混凝土這樣兩種具有不同物理力學性能的材料組，彈性模量E不是固定不變的，在加載過程中，當混凝土某一部分的應力超出其彈性范圍后，彈性模量就會隨著應力的變化而變化，材料的σ-ε曲線會變得很復雜。本模型在有限元計算中，鋼材取用Q345鋼，彈性模量為2.06×108gkN/m2，泊松比為0.3;混凝土標號為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、開孔鋼板和工字梁采用實體單元，貫穿鋼筋采用鋼筋單元，工字梁與開孔鋼板用實體布爾并集結合，其與混凝土接觸部分建立界面單元。整個模型采用自動劃分網格，在實體接觸部分，先進行實體分割，其次對相互嵌套接觸的實體用布爾差集處理，然后對其接觸線面部分進行線播種，最后完成網格耦合操作。
有限元模型及網格劃分如圖1所示。
對以上模型進行線性靜態分析，在工字梁兩端施加豎向荷載500KN，可以觀察到各個關鍵點處位移和應力的變化。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剪力鍵各個關鍵位置最大位移，最大應力變化規律如圖4所示。
由圖4可見，混凝土和鋼板的最大位移呈現類三階曲線變化趨勢，其拐點發生在荷載250KN左右，此時其位移變化率最高。混凝土榫和開孔鋼板的最大MISES應力呈相同變化趨勢，不同點在于，在100KN以下時，應力曲線基本重合。這是因為，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。因工字梁受集中點荷載作用，在加載過程中，工字梁受力點應力數值較大，一定程度上制約最大荷載的增加，當工字梁受力點應力達到400MPa時，停止繼續加載。
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4.結語
PBL剪力鍵在橋梁工程中發揮的作用越來越大，對其進行深入研究很有必要。本文從兩個方面對其進行了嘗試性的討論分析，一是簡要總結了PBL剪力鍵極限承載力的理論計算，二是利用MIDASFEA有限元軟件對其應力和變形做了簡單分析，可以更加直觀地認識到其內部應力應變分布變化規律。
運用不同的公式對PBL剪力鍵承載能力計算結果不同，這主要是因為不同的公式考慮的影響因素不同，即使考慮相同因素，由于試驗誤差的原因，對于公式的修正側重也有所不同。鑒于沒有通用的理論計算公式，這就要求在實際中對于PBL剪力鍵的分析必須理論與試驗相結合，最終得到符合自身實際要求的修正計算公式。利用MIDASFEA有限元軟件對PBL剪力鍵進行分析，可以直觀地了解其內部應力應變變化，跟通用軟件ANSYS相比，FEA操作簡便，更容易快速得到有限元分析結果。
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