采用波纹金属板与射钉的创新型连接件的钢-混凝土组合梁受力性能分析

《Materials》：Analysis of Steel–Concrete Composite Beam with an Innovative Connector Made of Corrugated Metal Sheet and Shot Nails Anna Derlatka and Pawe? Kania

　　

该研究针对轻型楼板结构中新型连接技术的应用需求，采用由厚度1.00 mm的梯形波纹钢板制成的燕尾形连接件，单板褶内布置2枚或4枚射钉，通过射钉将钢板锚固于工字钢翼缘。研究人员对一根跨度7.5 m的组合梁开展静力弯曲试验，明确其承载能力与破坏模式，评估该体系用于轻型楼盖的可行性。基于试验结果在ADINA中建立数值模型，引入考虑混凝土开裂后行为与压碎行为的材料本构，识别关键失效区域。结果表明：该类连接件承载力充足，混凝土板为组合梁的最薄弱环节；该方案适用于小型公用建筑的钢-混凝土组合楼盖结构，依据欧洲规范Eurocode 4，楼面梁可承受最大5.7 kN/m2的荷载。

研究背景与意义

钢-混凝土组合梁通过在钢梁与混凝土板之间设置抗剪连接件实现协同工作，广泛应用于建筑与桥梁工程。传统栓钉（headed studs）多采用焊接工艺，需要专用设备与电源，施工条件受限，且在轻型楼盖中往往存在过度设计的问题。波纹钢板兼具永久模板与抗拉作用，已在组合楼板中大量应用，但如何进一步简化连接构造、降低施工难度，同时保证承载力与延性，仍是待解决的问题。已有研究多采用ANSYS、ABAQUS、ADINA等有限元软件对组合梁进行数值模拟，单元类型以三维实体单元C3D8R与桁架单元T3D2为主，接触模拟多采用摩擦系数定义的面-面接触，也有采用网格粘结（mesh glueing）、非线性弹簧、黏聚力模型等方式描述钢-混凝土界面行为。针对由波纹钢板与射钉构成的混合连接件，尚缺乏系统的试验与数值研究。为此，研究人员开展了足尺梁试验与精细化建模，验证其在轻型公共建筑楼盖中的适用性，相关成果发表于《Materials》。

关键技术方法

研究人员首先按欧洲标准完成钢材、混凝土与连接件的材料性能试验；随后设计并制作一根跨度7.5 m的简支组合梁，采用燕尾形波纹钢板（厚度1.00 mm，S280GD钢）作连接件，跨中区段每褶2枚射钉、支座区段每褶4枚射钉，锚固于IPE 200钢梁（S235JR钢），混凝土板强度等级C20/25，配置?8钢筋网。通过四点弯曲加载试验获取荷载-位移曲线与破坏形态。基于试验数据，在ADINA中建立非线性数值模型，采用双线性弹塑性模型模拟钢材，引入可考虑开裂与压碎的高级混凝土本构，分别用八节点实体单元、壳单元、两节点梁单元模拟混凝土板、波纹钢板与射钉，通过共用节点、嵌入钢筋单元与网格粘结技术处理界面相互作用，并开展网格敏感性分析确定最优离散方案。

研究结果

1. 2.
   试验方案
   2.1 材料性能
   钢材拉伸试验表明，IPE 200钢屈服强度平均值为339 MPa，抗拉强度平均值为468 MPa，满足S235JR钢要求；波纹钢板屈服强度平均值为300 MPa，抗拉强度平均值为379 MPa，满足S280GD钢要求；混凝土立方体抗压强度均满足C20/25等级要求。
   2.2 组合梁弯曲试验
   弹性阶段未见钢梁与混凝土板分离，波纹钢板与混凝土无脱粘，证明连接件传力可靠。荷载超过117 kN后混凝土板出现开裂声，223.18 kN时跨中受拉区出现明显裂缝并向上延伸，刚度下降，最终因混凝土板受拉开裂导致局部钢板与混凝土脱粘而破坏。弹性极限荷载为116.9 kN，对应弯矩145.53 kNm、挠度32.49 mm，折算楼面荷载8.6 kN/m²。
2. 3.
   组合梁数值模型
   模型边界条件与实际简支一致，采用非线性分析。钢材采用von Mises屈服准则的双线性弹塑性模型，混凝土采用ADINA高级本构。网格敏感性分析表明，采用27节点实体单元模拟钢梁与混凝土板、8节点壳单元模拟波纹钢板可在精度与计算成本间取得平衡，钢梁腹板单元数量对结果影响不显著。
3. 4.
   结果
   5.1 材料性能
   材料实测参数与前述试验结果一致，均满足相应标准要求。
   5.2 组合梁试验
   弹性阶段工作性能良好，破坏始于混凝土板开裂，最终因板内裂缝扩展引发钢板脱粘。
   5.3 组合梁数值模型
   数值模拟所得荷载-挠度曲线与试验值在弹性段吻合良好。104 kN荷载下，钢梁跨中底翼缘拉应力接近但未超过屈服强度，混凝土板最大压应力未超过抗压强度，但局部拉应力已超过抗拉强度并产生裂缝；184 kN荷载下，钢梁跨中形成塑性铰，大部分区域进入屈服，混凝土板顶部出现压碎区，裂缝大量扩展，与试验破坏机理一致。

讨论与结论

数值与试验结果对比显示，弹性刚度基本一致，数值模型的弹性-塑性转折点略低于试验值，主要源于模型假定理想几何尺寸而未考虑制造公差。极限荷载的数值预测较试验低约21%，与混凝土局部受压破坏及材料模型设定有关。研究表明，破坏主要由集中荷载引起的局部应力集中控制，建议在加载点与混凝土板间增设垫板以改善受力。该组合梁弹性承载力可达8.6 kN/m²，按Eurocode 4取分项系数1.5后，可承受特征荷载5.7 kN/m²，满足轻型楼盖设计要求。波纹钢板连接件承载力充足，混凝土板为最薄弱环节。燕尾形波纹钢板可兼作永久模板与受拉钢筋，减少施工工序与自重，但运输与堆放不便。射钉施工无需大型焊接设备，工具便携、效率高，适合小型工程。该体系推荐用于小型公用建筑的轻型楼盖。

结论部分翻译如下：

（1）所研究的组合梁在116.9 kN荷载前呈弹性工作，对应设计楼面荷载8.6 kN/m²；依据Eurocode 4要求，楼面梁可承受的特征荷载为5.7 kN/m²。

（2）试验结果表明，梁的连接件承载力充足，混凝土板为组合梁的最薄弱构件；梁因混凝土板开裂导致波纹钢板与混凝土局部脱粘而破坏。

（3）数值计算表明，混凝土板破坏机制与钢梁跨中塑性铰形成及波纹钢板中部塑性变形有关，板褶的塑性变形促进了钢板与混凝土的剥离。

（4）基于试验与数值研究，由波纹钢板与射钉构成的连接件可用于小型公用建筑轻型楼盖的钢-混凝土组合结构。

（5）所建立的数值模型可用于优化梁截面与连接件设计，以适应不同边界条件与外荷载。