基于机理与试验标定的预应力工字形超高性能纤维增强混凝土-钢连续剪力键组合梁建模策略

《Materials》：Mechanism-Based and Experimentally Calibrated Modelling Strategy for Prestressed I-Shaped UHPFRC–Steel Composite Beams with Continuous Shear Connectors

　　

本文提出了一项关于带连续拼图形状剪力键的预应力工字形超高性能纤维增强混凝土(UHPFRC)-钢组合梁的有限元研究。研究人员将试验获得的材料与粘结关系植入ATENA Science的三维模型中。拉伸响应通过数字图像相关(DIC)和试件级逆分析法评估的弯曲试验识别，而压缩输入则源自立方体、圆柱体和棱柱体试验。梁I-2用于结构模型选择。独立研究分别评估了固定网格下的拉伸参考尺寸敏感性和固定参考尺寸下的网格敏感性。选定的35 mm网格和25 mm拉伸特征尺寸随后被转移至I-1和I-3，无需进一步针对特定试件的调整。对于I-1至I-3，峰值荷载偏差分别为+10.1%、+4.9%和+0.7%；相应的挠度偏差分别为+8.3%、+1.0%和?12.7%。这些模型再现了钢绞线控制的极限破坏，并定性复现了观测到的钢腹板应变局部化模式。一项额外的I-4分析达到了钢绞线断裂而非试验观察到的受拉翼缘劈裂，其峰值荷载高估了25.4%，展示了所采用对称约束模型的适用边界。在这些局限性内，研究人员从数值角度解释了内部拉伸劈裂需求、压缩非弹性行为以及横向翼缘变形。

一、研究背景、现存问题与研究意义

超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）因其极高的抗压强度、显著的开裂后抗拉能力和优异的耐久性，越来越多地被应用于组合结构中。当与高强度S460 ML钢梁和位于受拉区的预应力钢绞线结合时，这种组合能够实现薄翼缘和纤细截面，同时具备高承载力和大变形能力。然而，传统的栓钉连接件在高强度混凝土中往往难以满足延性准则，且周围UHPFRC的高抗力可能导致栓钉剪切破坏。为解决这一问题，连续剪力键被提出作为替代方案，但其在UHPFRC中的性能扩展仍需深入研究。

尽管已有数值研究在不同细节层次上复现了钢-UHPC组合构件的整体行为，但对于预应力工字形UHPFRC-钢构件（UHPFRC同时存在于受拉和受压翼缘），需要一个能够在高度延性响应直至极限状态（ULS）的过程中，一致地表示拉伸应变硬化、压缩软化、粘结控制的预应力传递以及连接件引起的约束作用的建模策略。据研究人员所知，一种结合了针对此特定预应力系统的试验识别的非线性拉伸和压缩分支，并将材料识别与随后的构件级模型选择和迁移评估明确分离的建模策略，此前尚未见报道。因此，本研究旨在建立并评估这样一种三维有限元（FE）模型，以揭示内部荷载传递机制，而无需进行大量的构件特定参数拟合。

二、主要关键技术方法

研究人员采用ATENA Science 2025u和GiD 17.0.1软件建立了三维有限元模型。关键方法包括：(1) 利用四点弯曲试验并结合数字图像相关（DIC）和逆分析法，确定UHPFRC的等效单轴拉伸应力-应变关系；(2) 通过修正系数校正立方体和圆柱体压缩试验得到的应力-应变曲线，以消除试验机变形和端部约束效应，并基于初步敏感性分析选择立方体推导的曲线作为有效输入；(3) 基于对同一UHPFRC配合比的拔出试验和锚固区测量数据，推导并长度缩放得到预应力钢绞线的粘结-滑移本构；(4) 将S460 ML钢的实测多线性应力-应变关系通过用户自定义材料模型实现。

三、研究结果

3.1. 材料属性与实施模型

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  S460 ML钢材: 通过DIC监测的狗骨式拉伸试验确定了热切割对钢板强度的影响（20 mm板降低约9.22%），并基于平均曲线简化为多线性输入用于ATENA。
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  预应力钢绞线: 基于拔出试验和锚固长度研究，推导了经长度修正的粘结-滑移关系，并采用了制造商提供的应力-应变曲线。
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  B 550B钢筋: 采用双线性应力-应变关系，参数基于公开的材料数据。
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  UHPFRC混凝土:
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    拉伸本构: 通过对150×150×700 mm棱柱体的四点弯曲试验进行DIC监测和二维FE逆分析，研究了不同特征长度(l_ch)和应变局部化起始点的影响。结果表明，l_ch=h/4=37.5 mm与初始开裂假设的组合与试验平均响应最为吻合，并被选定。
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    压缩本构: 通过立方体(100 mm)、圆柱体(100×200 mm)和棱柱体(100×100×400 mm)的压缩试验，引入修正系数n_E校正机器位移数据。立方体推导的曲线因考虑了约束效应，在后续梁分析中表现出更好的适用性，并被选用。

3.2. 组合梁有限元模型

利用几何对称性建立半梁模型。在GiD中导入CAD几何，设置边界条件、支撑条件和对称面约束。B550B钢筋通过四条平行路径模拟以分散刚度，预应力钢绞线应用单独的用户定义粘结-滑移定律和应力-应变关系。最终选定的35 mm参考网格包含7346个一维单元、120,408个四面体单元和46,724个节点。

3.3. 模型选择与灵敏度分析（梁I-2）

以梁I-2为结构参考进行模型选择。在固定35 mm网格下，对比了25、35和50 mm的拉伸特征尺寸，结果显示其对峰值荷载影响较小（范围4.0%），但对峰值荷载挠度影响显著（范围29.5%），最终选定与试验最接近的25 mm。在固定25 mm拉伸特征尺寸下，对比了25、35和50 mm名义网格尺寸，峰值荷载范围仅为1.9%，表明其相对不敏感，而挠度仍有一定敏感性（范围14.3%）。最终选定35 mm网格和25 mm拉伸特征尺寸作为参考设置。

3.4. 跨试件结构验证（梁I-1至I-3）

将选定的建模策略直接应用于梁I-1（三点弯曲）和I-3（无抗剪钢筋），未进行任何调整。对于I-1至I-3，数值峰值荷载与试验值的偏差分别为+10.1%、+4.9%和+0.7%；对应峰值荷载挠度的偏差分别为+8.3%、+1.0%和?12.7%。模型成功复现了由钢绞线断裂控制的破坏模式，并定性再现了钢腹板的应变局部化模式。对于发生受拉翼缘劈裂破坏的I-4，模型预测了不同的钢绞线断裂模式，峰值荷载高估25.4%，这揭示了所采用的对称约束模型的适用边界。

四、讨论与结论

讨论部分指出，I-1至I-3的模拟结果与试验在全局响应和破坏模式上取得了良好的一致性，证明了所提建模策略的有效性。然而，I-4的结果凸显了模型在处理非对称劈裂破坏时的局限性，纵向对称面约束是主要原因。此外，研究还讨论了粘结-滑移关系中均匀平均粘结应力的简化假设、钢筋路径细分对局部粘结可能产生的影响，以及网格和拉伸特征尺寸敏感性分析中存在的剩余变形敏感性等问题。

研究结论总结如下：

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  本研究开发了一种基于机理且经过试验标定的建模策略，用于分析带连续拼图形状剪力键的预应力工字形UHPFRC-钢组合梁。
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  通过将材料级（拉伸、压缩、粘结）的详细标定与构件级的模型选择（网格、拉伸参考尺寸）相分离，并在I-1和I-3上进行迁移验证，证明了该方法能够在不进行构件特定参数拟合的情况下，合理预测三种不同配置梁的峰值荷载（偏差+0.7%至+10.1%）和破坏模式。
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  对I-4的分析明确了该模型在拉伸翼缘劈裂控制破坏情况下的适用边界，表明对称约束模型无法捕捉此类失效机制。
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  模型内部的场变量输出被用于定性解释应力重分布和连接件机制，但这些内部状态并非独立的验证量。