EXPERIMENTAL STUDY ON SHEAR AND TENSILE BEHAVIOR OF T-SHAPED EMBEDDED-NUT BOLTED SHEAR CONNECTORS IN PREFABRICATED STEEL-CONCRETE COMPOSITE BEAMS
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摘要:
为研究T型预埋螺母侵入式螺栓连接件在装配式钢-混凝土组合梁中的抗剪拔性能，对4组T型预埋螺母侵入式螺栓连接钢-混凝土组合梁试件进行了抗剪推出试验，分析了螺栓等级和混凝土类型这两种参数对T型预埋螺母侵入式螺栓连接件的破坏形态、荷载-滑移特性和抗剪承载能力的影响；同时，开展T预埋螺母侵入式螺栓连接件的抗剪拔推出试验以及数值模拟，利用试验结果对仿真结果进行对比修正，验证建模方法的正确性，并利用数值模拟的结果与现有研究成果进行对比分析，探究了T型预埋螺母侵入式螺栓连接件的抗剪拔性能。试验结果表明：高强螺栓连接件的破坏模式为螺杆在钢梁和混凝土界面间的弯剪破坏、螺栓根部周围混凝土受压破坏和混凝土板开裂完全压坏。T型预埋螺母侵入式螺栓连接件抗剪承载力主要受螺栓强度和混凝土类型的影响，适当提高螺栓强度以及采用超高性能混凝土，可提高螺栓连接件的抗剪承载力。数值模拟分析得出：T型预埋螺母侵入式螺栓连接件因受到混凝土板厚以及预埋内螺母高度的限制，螺帽与内螺母之间的混凝土厚度不足，无法提供足够的抗拔力，其抗拔性能在剪拔复合作用下表现不足。
Abstract:To study the shear and tensile behavior of T-shaped embedded-nut bolted shear connectors in prefabricated steel-concrete composite beams, a total of four push-out specimens were tested to investigate the failure modes, load-slip curves and the shear capacity of bolt connectors by changing parameters including tensile strength of bolt and type of concrete. Shear and tensile push-out test and finite element numerical simulation analysis were carried out to ensure the correctness of the modeling method by comparing test results and numerical results. Numerical results were obtained to investigate the shear and tensile behavior of T-shaped embedded-nut bolted shear connectors through a comparison with existing research results. The push-out test results show that: the damage mode of high-strength bolts is the bending shear damage of bolt at the interface between the steel beam and concrete, the concrete around the root of the bolt is damaged by compression and the concrete plate is cracked and completely crushed. The shear behavior is mainly affected by the tensile strength of the bolt and the type of concrete, and the shear bearing capacity of bolted joints can be improved by increasing the strength of the bolt and adopting UHPC. Numerical analysis shows that: T-shaped embedded-nut bolted shear connectors are limited by the thickness of the concrete slab and the height of the inner nut, the concrete thickness between the nut and the inner nut is insufficient to provide sufficient pullout force, and its tensile behavior is insufficient under shear and tensile composite forces.
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钢-混凝土组合结构是一种性能优越的土木工程结构，该结构充分发挥了钢材和混凝土材料的优点，常用于高层建筑、桥梁当中[1]。剪力连接件是保证钢-混组合梁协同工作的关键，起到传递界面剪力、限制界面滑移、防止混凝土板掀起、保证钢和混凝土共同受力、协调变形的作用。栓钉连接件因其强度高、抗疲劳性好、施工便利等优点，在传统钢-混凝土组合结构中被广泛采用[2]。然而，由于以栓钉为连接件的钢-混凝土组合结构是通过现浇或预留后浇而制成的，存在装配程度低、吊装重量大、施工困难、工期长、且不易更换等缺点，因此，传统的栓钉连接件已不能满足当今社会的需求[3]。
预埋螺母侵入式螺栓连接件，是一种由高强螺栓、外螺母、预埋内螺母组合而成的用于钢-混凝土组合结构的连接件，如图1所示。其中，预埋螺内螺母会随螺杆倾斜侵入钢梁，增大钢梁与混凝土桥面板之间的抗滑移能力，这也是课题组称之为“侵入式”的原因。因此，该连接件不仅同时具有优于栓钉链接的力学性能，而且能提供传统栓钉连接件所不具备的装配和可拆卸特性，成为装配式结构[4 − 5]。预埋螺母型螺栓连接件是近年研究的热点。
近年来，对于钢-混凝土组合梁中各种不同形式的螺栓连接件的力学性能的研究越来愈多。KWON等[6 − 7]研究了内置双螺母螺栓与高压摩擦螺栓和胶粘锚连接器在静力荷载作用下的性能。DEDIC和KLAIBER[8]对单预埋螺母连接件和双预埋螺母连接件进行了强度对比。通过多组推出试验得出，双预埋螺母的连接件强度高于单螺母连接件。同济大学YANG等[9]开发了一种栓套筒连接件，强度与传统栓钉相近，刚度较栓钉为弱，施工时螺栓对孔较为困难。ZHANG等[10]将高强浆料灌入普通高强螺栓连接件与混凝土板的预留孔之间空隙再进行推出试验，结果表明灌浆后螺栓连接件滑移量减少，但是灌浆工序繁琐，质量控制较为困难。KWON等[6, 11]通过推出试验和500万次往复加载的疲劳试验，研究用于双预埋螺母连接件、预埋带螺帽螺杆连接件、预埋纯螺杆连接件(即第2、第3连接件均无预埋螺母)的力学性能。结果表明无论是双预埋螺母连接件，还是单预埋螺母连接件，其疲劳性能均优于螺杆植入型连接件。CHEN等[12]提出并研究了具有优机械性能和力学性能的新型T型侵入式螺母螺栓剪力接连件，通过推出试验评估了这种新型T型连接件在钢-混凝土组合梁中的抗剪性能，并得出预测其极限剪切阻力和荷载-滑移关系的计算。张凡[13]分别采用法兰螺母以及T型螺母作为预埋内螺母的预埋型螺栓连接件进行推出试验，研究结果表明：螺栓强度的增长对试件各方面力学性能的增长都影响显著，且T型内螺母比法兰型内螺母对试件的力学性能提升更为显著。CHEN等[14]通过推出试验探究了钢-混凝土组合梁中侵入式螺母螺栓剪力连接件的抗剪性能，并提出一个可靠的六角预埋螺母预测模型。张玉杰等[15 − 16]针对钢-钢纤维混凝土进行了研究，同时针对钢纤维混凝土的力学性能进了研究。确定了普通混凝土中钢纤维的适宜参量为1%，研究了钢-钢纤维混凝土中高强螺栓的抗剪和抗拔效果，并建立了与之对应的高强螺栓极限抗剪性能、刚度和荷载-滑移曲线的公式。上述研究表明：目前对装配式钢-混凝土组合梁中预埋螺母侵入式螺栓连接件的研究主要集中在螺栓预拉力、螺栓直径、混凝土强度参数等对连接件抗剪性能的影响，而针对螺栓等级以及混凝土类型对T型预埋螺母侵入式螺栓连接件抗剪性能进行的系统分析与研究还较少，且对预埋螺母侵入式预螺栓连接件抗拔性能的研究十分稀缺。
为此，本文设计4组T型预埋螺母侵入式螺栓连接钢-混凝土组合梁试件进行抗剪推出试验，研究螺栓等级、混凝土类型两种参数，对组合试件破坏模式、荷载-滑移特性和抗剪承载力的影响；同时，开展T型预埋螺母侵入式螺栓连接钢-混凝土组合梁试件的抗剪拔推出试验以及数值模拟，利用试验结果对仿真结果进行对比修正，验证建模方法的正确性，并利用数值模拟与现有成果对比分析，探究剪拔复合作用下T型预埋螺母侵入式螺栓连接件的抗剪拔性能。
1 试验概况
1.1 试件设计及制作
抗剪推出试验共制作4组推出试件，试验参数为螺栓等级以及混凝土类型，具体见表1。其中：M为该试件的加载方案为单调加载；U和N分别为混凝土板材料为超高性能混凝土(以下简称UHPC)和普通混凝土(以下简称NC)；M20为内螺母为内径为20 mm的T型螺母。如M-U-M20-G8.8表示采用单调加载和含T型内螺母G8.8级M20高强螺栓的钢-UHPC组合梁的推出试件。
表 1 推出试件基本参数Table 1. Parameters of push-out specimens试件编号 螺栓等级 混凝土
材料混凝土
强度/MPa预拉力/
kNM-U-M20-G8.8 G8.8 UHPC 176.0 142 M-U-M20-G4.8 G4.8 UHPC 176.0 69 M-U-M20-G12.9 G12.9 UHPC 176.0 213 M-N-M20-G8.8 G8.8 NC 33.5 142 M-N-M20-G8.8-0.2Nt G8.8 NC 33.5 142 注：Nt为对应强度等级高强螺栓预拉力设计值大小。 抗剪拔推出试验共制作1组推出试件，试件采用普通混凝土板(NC)，其余材料均选用与剪推出试件同一批次的材料。抗剪拔推出试件编号是在抗剪推出试件编号的基础上加入拉拔力，如M-N-M20-G8.8-0.2Nt表示采用单调加载和含T型内螺母G8.8级M20高强螺栓的钢-UHPC组合梁的推出试件。
试件中混凝土分别选用普通混凝土(NC)和超高性能混凝土(UHPC)，板块的外观尺寸分别为450 mm×400 mm×80 mm(抗剪推出试验)和450 mm×400 mm×150 mm(抗剪拔推出试验)。刘君平等[17]通过试验对钢-UHPC组合梁和钢-普通混凝土组合梁的抗弯性能进行了研究。试验结果表明：钢-UHPC组合梁可以在桥面板更薄的情况下表现出更优的力学性能，在相同荷载下，前者的桥面板厚度可以减小28%，且表现出更好的延性；同时还得出，钢-UHPC组合梁在桥面板剪力滞效应、钢梁与板之间的水平相对滑移方面的表现要更优于钢-普通混凝土组合梁。因此在设计推出试件时，抗剪拔推出试验中普通混凝土板块采用150 mm板厚以及抗剪推出试验中超高性能混凝土(UHPC)板块采用80 mm的板厚，以控制两种材料的混凝土板在力学性能上更加接近。其中，为了增强抗裂性能，NC板中配置了直径8 mm的HPB300型号光圆钢筋，钢筋网的最小保护层厚度为30 mm；因UHPC在制作搅拌时掺入了足够量的钢纤维，使其本身具备良好的抗拉性能，故无需额外配置钢筋网。工字形钢梁采用强度等级Q345型号的HW200标准热轧型钢200 mm×200 mm×8 mm×12 mm，总长度为500 mm。螺栓采用直径M20六角螺杆，其外观尺寸如表2。
表 2 螺栓尺寸表Table 2. Dimensions of bolts类型 d/mm L/mm k/mm s/mm M20 20 100 12 30 注：d为螺栓直径；L为螺栓不含头长度；k为螺帽厚度；s为螺帽对边宽度。 为了避免多余的变量出现M20规格的法兰螺母(外螺母)和T型螺母(内螺母)采用G4.8、G8.8、G12.9三种强度，外观尺寸如表3和表4。以抗剪推出试验为例，试件尺寸和钢筋布置如图2所示。
表 3 法兰螺母尺寸表Table 3. Dimensions of flange nuts类型 d/mm dc/mm k/mm s/mm M20 20 39 30 30 注：d为螺母内径；dc为法兰直径；k为螺母总高；s为螺母对边宽度。 表 4 T型螺母尺寸表Table 4. Dimensions of T-nuts类型 d/mm L/mm h1/mm h2/mm w1/mm w2/mm M20 20 40 14 28 22 35 注：d为螺母内径；L为螺母长度；h1为螺母底高；h2为螺母总高；w1为螺母顶宽；w2为螺母底宽。 参考张凡[13]在制作混凝土板块时设计的一种适用于预埋螺母高强螺栓剪力连接件组合梁推出试件的浇筑安装方法：在进行模具组装时，首先将封装前的模板结合卡板固定到钢梁上，并参考钢梁的孔位对固定好的模板进行打孔；随后使用组合好的螺栓将模板和钢梁固定在一起，并封装模板；在完成试件混凝土板的浇筑、养护和拆模后，对试件进行组装即可。
1.2 材料性能
本试验采用了4种M20规格六角螺栓，同时采用如图3的MTS200 t万能伺服液压机分别对这4种螺杆的抗拉强度进行了测试，设施结果如表5。
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图 3 MTS200 t万能伺服液压机及推出试件Figure 3. MTS200 t universal testing machine and push-out test specimen表 5 螺栓性能参数Table 5. Property parameters of bolt螺栓规格 G4.8 G8.8 G12.9 极限强度/MPa 798 698 1576 UHPC采用的是成品超高性能混凝土：普通混凝土为普通C30等级混凝土。本次试验分别测试了两种混凝土材料的立方体抗压强度、弹性模量、四点抗折强度和圆柱体抗劈裂强度，测试结果如表6。
表 6 混凝土材性试验参数Table 6. Material test parameters of concrete混凝土类型 立方体抗压
强度/MPa弹性模量/
MPa圆柱体劈裂
强度/MPa四点抗折
强度/MPaNC 33.5 31500 2.5 — UHPC 175.3 43800 15.3 29.4 1.3 加载装置及量测内容
抗剪推出试验在MTS200 t万能伺服液压机上进行，试验加载装置及位移计布置如图3所示。混凝土板底部布置砂垫层以确保试件两侧施力及受力均匀。在试件的前后两侧螺栓等高度处布置4个位移计测试钢板和混凝土之间的竖向相对位移。
试验采用单调分级加载，加载速度为0.2 mm/min，每级位移增量为0.1 mm，加载直到螺杆被剪断或混凝土板出现严重开裂。
抗剪拔推出试验装置与抗剪推出试验相似，但在试件两侧的混凝土板之间各布置一个加载能力为10 t的分离式液压千斤顶给螺栓施加一定的拉拔力，同时在试件上方通过液压机施加剪力，如图4所示。
2 试验结果及其分析
2.1 抗剪推出试验
2.1.1 破坏模式
由推出试验结果可观察到T型预埋螺母螺栓连接件推出试的破坏模式主要分为以下三种：
1)螺栓栓杆发生剪切破坏，混凝土板基本不开裂。以推出试验M-U-M20-G4.8为例，此类破坏因混凝土板强度过高，螺栓强度不足，从而导致螺栓发生剪切破坏，而混凝土基本不开裂，如图5(a)所示；
2)螺栓栓杆发生剪切破坏，混凝土板局部受压破坏。以推出试验M-U-M20-G12.9为例，此类破坏因混凝土板和螺栓的强度适中，从而导致螺栓发生剪切破坏，同时螺栓根部混凝土也因受压破坏开裂，如图5(b)所示；
3)混凝土板完全受压破坏，螺杆未屈服。以推出试验M-N-M20-G8.8为例，此类破坏因混凝土板强度不足，螺栓强度过高，从而导致混凝土板表面受压破坏至压碎，同时螺栓根部混凝土也因受压破坏开裂，但螺栓未发生屈服，如图5(c)所示。
将上述三种破坏模式依次编号为1、2、3，本次推出试验4组试件的破坏模式如表7所示。
表 7 试件破坏模式Table 7. Failure mode of push-out specimens试件编号 螺栓破坏状态 混凝土破坏状态 破坏模式编号 M-U-M20-G8.8 剪断(一侧) 完好 1 M-U-M20-G4.8 剪断(一侧) 完好 1 M-U-M20-G12.9 剪断(两侧) 局部破坏 2 M-N-M20-G8.8 完好 完全破坏 3 在本次推出试验中，因所用压力机存在固有偏载问题，导致推出试件在剪切过程中会出现螺栓不完全断裂的情况，试验中也称这种情况为单侧断裂现象[13]。即在推出试件中，一侧混凝土板上的螺栓全部被剪断，而另一侧混凝土板上螺栓却未被完全剪断。虽然另一侧螺栓未被完全剪断，但也出现了较为明显的塑性剪切现象，螺栓的承载能力也超出其峰值抗剪承载力，出现了强度衰退现象，这说明结构中螺栓虽然未完全剪断，但也基本发挥了其抗剪的作用。
2.1.2 荷载-滑移曲线
推出试验共得出4组荷载-滑移曲线，每组试件均采用4组高强螺栓对钢梁和混凝土板进行连接，并同时测量4组螺栓对应位置处在竖直方向上的相对滑移，最后将试验所得的总荷载以及平均位移进行处理，得到单组高强螺栓对应的荷载-滑移曲线，4组试验的荷载-滑移汇总如图6所示，曲线给出了推出试件由零载直到破坏的全过程。试验主要结果如表8所示。
表 8 主要试验结果Table 8. Main test results试件编号 Sy/mm Pf/kN Su/mm Pu/kN 破坏形态 M-U-M20-G8.8 0.2 72.75 3.41 138.23 螺栓剪断 M-U-M20-G4.8 0.2 41.52 2.61 110.38 螺栓剪断 M-U-M20-G12.9 0.2 62.36 3.46 199.92 螺栓剪断 M-N-M20-G8.8 0.2 18.36 5.20 104.25 混凝土压坏 注：Sy为单个螺栓摩擦阻力极限对应的滑移量；Pf为单个螺栓因预拉力而产生的摩擦阻力；Su为单个螺栓极限承载力对应的滑移量；Pu为单个螺栓极限承载力。 本次所有推出试件的荷载-滑移曲线的形状及演变过程基本类似。参考张凡等[18]的研究，高强螺栓剪力连接件推出试件的荷载-滑移曲线根据受力特性可划分为如图7所示的4个阶段，本次试验将所得的荷载-滑移曲线划分为5个阶段，以图8中的M-U-M20-G8.8荷载-滑移曲线为例：
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图 7 高强螺栓推出试验荷载-滑移曲线Figure 7. Load-slip curves of high-strength bolted push-out specimens1) O-A段：摩擦力控制阶段。加载初期，荷载及试件滑移量均较小，栓杆与钢梁还未接触传力，该阶段荷载主要依靠钢-混凝土接触面之间的摩檫力进行传递，试件处于弹性工作阶段。
2) A-B段：滑移阶段。随着荷载的增加，由于螺栓与钢梁上的栓孔之间存在缝隙，当高强螺栓的剪力达到钢-混凝土界面间的最大摩擦力时(A点)，钢-混凝土界面就会出现相对滑移。该阶段相对滑移量的最大值约为构件预留孔径与高强螺栓直径之间的差值。
3) B-C段：螺栓栓杆弹性受力阶段。从B点开始，栓杆与钢梁螺孔接触，螺纹开始侵入钢梁翼板的螺栓孔孔壁。外力主要靠螺栓栓杆与孔壁接触传递，螺栓同时受剪力外、弯矩以及轴向拉力的作用，孔壁受到栓杆的挤压作用。在该阶段，栓杆处于弹性或微塑性阶段，混凝土从弹性阶段向塑性阶段发展。
4) C-D段：螺栓栓杆弹塑性受力阶段，但与B-C段不同在于：该阶段螺栓基本达到弹性极限，螺栓和混凝土进入塑性阶段，并且栓杆已经产生较大的弯曲变形，预埋螺母开始侵入钢梁翼板，因此钢梁翼板对预埋螺母的切削阻力也参与了抗剪能力的组成。由本构关系可看出，处于塑性阶段的螺栓以及混凝土强度提升能力有限，所以该阶段的滑移量相较于B-C段有了大幅度增长，但试件承载力提升较小。
5) D-E段：破坏阶段。该阶段试件受力模式与C-D段基本一致，但由于螺栓或混凝土已达到了极限强度，导致试件随着滑移的增加，强度开始下降，直至试件发生破坏。值得注意的是，若试件发生混凝土开裂破坏(试件M-N-M20-G8.8)，达到极限荷载后滑移逐渐增大，荷载缓慢下降，该情况D-E段滑移较大，易测得下降段；若试件发生螺栓弯剪脆性破坏(试件M-U-M20-G8.8、M-U-M20-G4.8、M-U-M20-G12.9)，达到极限荷载后，由于螺栓剪断，荷载急速下降，该情况D-E段滑移较小，不易测得下降段。
2.1.3 侵入式螺栓连接件抗剪承载力影响因素分析
1) 螺栓强度的影响
本文采用直径为M20的三种不同强度等级的螺栓进行对比分析，这三种螺栓强度等级分别为G4.8级的普通螺栓以及G8.8级和G12.9级的高强螺栓。通过对比图6中M-U-M20-G4.8组、M-U-M20-G8.8组和M-U-M20-G12.9组试件的荷载-滑移曲线以及结合表8数据得到，单个螺栓的承载力分别为110.38 kN、138.23 kN、199.92 kN，采用G12.9级高强螺栓的抗剪承载力分别比G8.8级和G4.8级的提高了44.1%和81.1%。与此同时，试件的滑移量虽然也随着螺栓强度等级的提升而增长，但相邻强度等级的两种螺栓，其极限滑移量的增长率随着螺栓强度的提升有所下降。因此，随着螺栓强度的提升，推出试件的各方面性能均出现显著提升。
2) 混凝土类型的影响
本文试验组混凝土板材料采用的是超高性能混凝土(UHPC)，为了研究混凝土种类对高强螺栓连接件抗剪承载力的影响，采用强度等级为C30的普通混凝土(NC)作为对照组。为确保变量的单一性，试验组与对照组均采用G8.8级高强螺栓和T型内螺母。通过对比图6中M-U-M20-G8.8组和M-N-M20-G8.8组试件的荷载-滑移曲线以及结合表8数据得到，单个螺栓的承载力分别为104.23 kN、138.23 kN，采用UHPC的试件的极限抗剪承载力相比采用普通混凝土的提升了32.6%。因为本次试件中UHPC板设计较薄，当普通混凝土板也采用相同板厚时，螺栓埋深不足会导致板件局部受压过大，再加上普通混凝土本身强度较低，此时M-N-M20-G8.8组试件就会发生第三种破坏模式：混凝土完全破坏。因此，采用UHPC材料制作的混凝土板，在板件更薄的情况下使得结构表现出更好的力学性能。
2.2 抗剪拔推出试验
试验结果表明：在抗剪拔推出试验中，M-N-M20-G8.8-0.2Nt组破坏时普通混凝土(NC)板外表面未出现明显裂缝，但其内表面出现了大面积肉眼可见的剥落；与抗剪推出试验M-N-M20-G8.8组进行对比，破坏时普通混凝土(NC)板外表面出现开裂、压碎的情况，其内表面则是在螺栓根部处开裂。可见施加拉拔力会使试件发生不一样的破坏情况。试件的具体破坏情况如图9所示。
3 数值模拟概况
本文采用数值模拟分析的方法对剪拔复合作用下T型预埋螺母侵入式螺栓连接件抗剪拔性能进行研究。
利用ABAQUS有限元数值仿真计算软件[19]进行建模，共建立了3组模型，见表9。有限元模型编号是在推出试件编号的基础上加上了板厚以及栓钉连接件(S)的编号。本次数值模拟首先利用ABAQUS对M-N-M20-G8.8-150进行模拟，将其荷载-滑移曲线模拟结果和试验结果进行对比、修正，确保ABAQUS建模方法的正确性，最终通过对比M-N-M20-G8.8-150、M-U-M20-G8.8-80、M-N-S20-G8.8-150三组有限元的Mises应力云图以及DAMAGE损伤云图做定性分析，并与现有成果进行对比，探究在剪拔复合作用下T型预埋螺母侵入式螺栓连接件抗拔性能的影响。
表 9 有限元模型列表Table 9. List of finite element models有限元模型编号 混凝土类型 混凝土板厚度/mm 拉拔力/kN M-N-M20-G8.8-150 NC 150 0.2Nt M-U-M20-G8.8-80 UHPC 80 0.2Nt M-N-S20-G8.8-150 NC 150 0 注：Nt为对应强度等级高强螺栓预拉力设计值大小。 3.1 有限元建模
参照张凡[13]的建模方法，采用ABAQUS有限元数值仿真计算软件进行建模。由于推出试件具有双轴对称性，为节省计算成本，有限元模型取试验模型的1/4进行建模，如图10。包括1/4钢梁、1/2 混凝土板、螺栓和内外螺母共5个构件，所有的构件均采用三维实体单元建立。螺栓因带有螺纹，故采用了M20螺栓有效截面面积245 mm2(计算半径为8.83 mm)来进行取值计算。
3.1.1 网格划分
模型中所有构件均为实体单元，因此在对其进行网格划分时，为计算更为准确且易收敛，采用八节点六面体线性减缩积分单元(C3D8R)。针对不同部件位置对结果精度要求的不同，分别采用了精度为2.5 mm~8 mm尺寸的网格划分模式。如螺栓、螺母及钢梁混凝土板上螺栓孔周围位置网格尺寸为2.5 mm，随着距离远离螺孔的位置，网格尺寸逐渐增加到8 mm左右。图11为本文所有构件的网格划分情况。
3.1.2 相互作用关系
模型中共有钢梁-混凝土板、外螺母-钢梁、内螺母-钢梁、钢梁-螺栓、内螺母-螺栓、外螺母-螺栓和螺栓内螺母-混凝土板7种接触关系。在对钢-混和钢-钢之间进行接触条件的设置时，选取面-面接触的接触方式，其中正向接触为“硬接触”，切向接触条件为“罚摩擦”，同时参考张凡[13]关于摩擦系数计算与选取方案，如表10所示。
表 10 模型中7种接触关系Table 10. 7 types of contact pairs of the model编号 接触关系 接触方式 摩擦系数 1 钢梁-混凝土板 面-面接触 0.50 2 外螺母-钢梁 面-面接触 0.20 3 内螺母-钢梁 面-面接触 0.25 4 钢梁-螺栓 面-面接触 0.25 5 外螺母-螺栓 面-面接触 0.20 6 内螺母-螺栓 面-面接触 0.25 7 螺栓内螺母-混凝土板 面-面接触 0.50 模型中选取了Tie(绑定)的方式连接螺栓与内外螺母，使得接触面间的所有相接触的节点之间的位移均保持一致连接状态，该连接方式与螺母螺栓之间实际的连接状态相符。在进行有限元的模拟时，采用预埋体的连接方式处理混凝土板和钢筋的连接问题。
3.1.3 边界条件及加载模式
图12为推出试件有限元模型的约束及加载方式。为保证有限元模型与试验的边界条件相同，混凝土板底部采用铰接的固定模式，在对称位置则设置正/反对称的边界条件，使1/4结构保持与整体模型一致的受力状态。
模型采取了位移控制的加载方式，在进行单调静力加载试验的模拟时，通过对试件中钢梁上方耦合好的RP点施加位移量5 mm(极限加载位移)。螺栓预拉力施加采用了ABAQUS中现有的螺栓拉力施加模块，可直接设置对应的数值，预拉力的设定值遵循原试验。为了模拟剪拔复合作用条件，参考张玉杰[15]在加载时，除了在钢梁上加位移荷载外，还在高强螺栓栓头部位(外螺母端)施加相应拉力以模拟试验中的拉拔力，并在加载过程中保持不变。
3.1.4 材料本构
本节利用ABAQUS对数值模拟分析所涉及的钢材以及混凝土的材料本构，均参照张凡[13]材料本构进行设置。
4 模拟结果与试验结果比较分析
本节利用ABAQUS对M-N-M20-G8.8-150组试件进行了有限元模拟，以验证建模方法的合理性。表11将高强螺栓极限抗剪承载力和初始刚度的模拟计算值与试验值进行了对比。高强螺栓荷载-滑移曲线试验测试结果和模拟计算结果的对比如图13所示。
表 11 有限元与试验结果对比Table 11. Comparison between tests and numerical resultsPu,T/kN Pu,FE/kN 误差/(%) kT/(kN/mm) kFE/(kN/mm) 误差/(%) 131.37 128.95 1.84 57.92 63.00 8.77 注：Pu,T和Pu,FE分别为高强螺栓极限抗剪承载力的试验值和模拟值；kT和kFE分别为初始刚度的试验值和模拟值。 ![]()
图 13 有限元与试验结果荷载-滑移曲线对比Figure 13. Comparison of Load–slip curves between tests and numerical results通过表11中数据可以看出，有限元和试验极限抗剪承载力以及初始刚度均在10%以内。通过对图像进行观察，发现模拟曲线和试验曲线在整体上趋势时较为一致的，但由于现实中推出试验存在许多不确定因素，例如材料不均匀性、测量设备和加载设备误差以及环境因素差，相比ABAQUS数值模拟中的理想情况，两者的结果会出现一定的误差，所以刚度会有所差异。总体上，两者较为一致，该建模方法所建立有限元模型能有效的模拟T型预埋螺母侵入式螺栓连接件装配式组合梁推出试件的抗剪拔性能。
5 数值模拟分析
本文数值模拟的目的是研究T型预埋螺母侵入式螺栓连接件在剪拔复合作用下的抗拔性能，选取了M-N-M20-G8.8-150、M-U-M20-G8.8-80以及M-N-S20-G8.8-150的有限元计算结果，对其在拉拔力作用下的变形与破坏情况进行分析。图14为有限元模型加载过程中试件的Mises应力状态与DAMAGE损伤状况。
通过图14可以直观看出，在剪拔复合作用下，三组有限元模型在栓根周边混凝土板受压侧都出现了应力集中现象，且三组模型的Mises应力值都比较接近。但对比三组模型的DAMAGE损伤分布云图，从DAMAGE损伤因子的分布来看，M-N-S20-G8.8-150组损伤因子的分布范围均比M-N-M20-G8.8-150组和M-U-M20-G8.8-80组的小，尤其是DAMAGET拉伸损伤因子的分布，M-N-M20-G8.8-150组和M-U-M20-G8.8-80组大范围的分布在栓根周边混凝土板。此外，从DAMAGE损伤因子的数值来看，M-N-S20-G8.8-150组损伤因子的数字相比均比M-N-M20-G8.8-150组和M-U-M20-G8.8-80组的小。从每组有限元模型DAMAGAT拉伸损伤分布云图左上角数据我们可以得到，M-N-S20-G8.8-150组、M-N-M20-G8.8-150组、M-U-M20-G8.8-80组各自DMADGET损伤因子的极值为0.5465、0.9521、0.9365，M-N-S20-G8.8-150组DMADGET损伤因子的极值分别为M-N-M20-G8.8-150组的57.40%和M-U-M20-G8.8-80组的58.36%。
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图 14 面板洞口附近的Mises应力和混凝土DAMAGE损伤分布Figure 14. Mises stress and concrete DAMAGE distribution adjacent to holes of slab本次数值模拟结果如表12所示，当拉拔力由0增大到0.2Nt时，模型的抗滑移承载力和极限抗剪承载力分别下降了47.3%和11.3%；张玉杰[15]所做的高强螺栓连接件数值模拟结果如表13所示，当拉拔力由0增大到0.2Nt时，模型的抗滑移承载力和极限抗剪承载力分别下降了16.3%和2.1%。对比可发现，在剪拔复合作用下，T型预埋螺母侵入式螺栓连接件的抗滑移承载力和极限抗剪承载力所下降的幅度比高强螺栓连接件的要大。
因此，基于本文数值模拟分析结果得出，在剪拔复合作用下装配式钢-混凝土组合梁中T型预埋螺母侵入式螺栓连接件的抗剪拔性能，与摩擦型高强螺栓连接件以及栓钉连接件的相比表现不足。该现象的原因是在混凝土板厚以及预埋内埋螺母高度这两个条件的限制下，T型预埋螺母侵入式螺栓连接件中螺帽与预埋内螺母顶部之间的距离缩短，从而导致该长度内的混凝土较薄，无法通过螺栓与混凝土两者之间的接触提供足够的抗拔力。
表 12 T型预埋螺母侵入式螺栓数值模拟结果Table 12. Results of T-shaper embedded-nut bolted shear connectors拉拔力/kN 抗滑移承载力/kN 极限抗剪承载力/kN 0 23.96 145.36 0.2Nt 12.63 128.95 表 13 高强螺栓数值模拟结果Table 13. Results of high strength bolted connectors拉拔力/kN 抗滑移承载力/kN 极限抗剪承载力/kN 0 48.5 190.7 0.2Nt 40.6 186.6 6 结论
针对装配式钢-混凝土组合梁中T型预埋螺母侵入式螺栓连接件推出试验以及数值模拟得出以下结论。
(1) T型预埋螺母侵入式螺栓连接钢-混凝土组合梁推出试件主要发生三种破坏模式：螺栓栓杆在钢梁和混凝土界面间的弯剪破坏、螺栓根部周围混凝土受压破坏和混凝土板开裂完全压坏。
(2) T型预埋螺母侵入式螺栓连接件抗剪承载力主要受螺栓强度和混凝土类型的影响。适当提高螺栓的强度等级和采用高性能混凝土材料，可提高T型预埋螺母侵入式螺栓连接件抗剪承载力。
(3)相比摩擦型高强螺栓连接件以及栓钉连接件，T型预埋螺母侵入式螺栓连接件因受到混凝土板厚以及预埋内螺母高度的限制，螺帽与内螺母之间的混凝土厚度不足，无法提供足够的抗拔力，其抗拔性能在剪拔复合作用下表现不足。
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图 3 MTS200 t万能伺服液压机及推出试件
Figure 3. MTS200 t universal testing machine and push-out test specimen
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图 7 高强螺栓推出试验荷载-滑移曲线
Figure 7. Load-slip curves of high-strength bolted push-out specimens
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图 13 有限元与试验结果荷载-滑移曲线对比
Figure 13. Comparison of Load–slip curves between tests and numerical results
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图 14 面板洞口附近的Mises应力和混凝土DAMAGE损伤分布
Figure 14. Mises stress and concrete DAMAGE distribution adjacent to holes of slab
表 1 推出试件基本参数
Table 1 Parameters of push-out specimens
试件编号 螺栓等级 混凝土
材料混凝土
强度/MPa预拉力/
kNM-U-M20-G8.8 G8.8 UHPC 176.0 142 M-U-M20-G4.8 G4.8 UHPC 176.0 69 M-U-M20-G12.9 G12.9 UHPC 176.0 213 M-N-M20-G8.8 G8.8 NC 33.5 142 M-N-M20-G8.8-0.2Nt G8.8 NC 33.5 142 注：Nt为对应强度等级高强螺栓预拉力设计值大小。 
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表 2 螺栓尺寸表
Table 2 Dimensions of bolts
类型 d/mm L/mm k/mm s/mm M20 20 100 12 30 注：d为螺栓直径；L为螺栓不含头长度；k为螺帽厚度；s为螺帽对边宽度。
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表 3 法兰螺母尺寸表
Table 3 Dimensions of flange nuts
类型 d/mm dc/mm k/mm s/mm M20 20 39 30 30 注：d为螺母内径；dc为法兰直径；k为螺母总高；s为螺母对边宽度。
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表 4 T型螺母尺寸表
Table 4 Dimensions of T-nuts
类型 d/mm L/mm h1/mm h2/mm w1/mm w2/mm M20 20 40 14 28 22 35 注：d为螺母内径；L为螺母长度；h1为螺母底高；h2为螺母总高；w1为螺母顶宽；w2为螺母底宽。
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表 6 混凝土材性试验参数
Table 6 Material test parameters of concrete
混凝土类型 立方体抗压
强度/MPa弹性模量/
MPa圆柱体劈裂
强度/MPa四点抗折
强度/MPaNC 33.5 31500 2.5 — UHPC 175.3 43800 15.3 29.4
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表 7 试件破坏模式
Table 7 Failure mode of push-out specimens
试件编号 螺栓破坏状态 混凝土破坏状态 破坏模式编号 M-U-M20-G8.8 剪断(一侧) 完好 1 M-U-M20-G4.8 剪断(一侧) 完好 1 M-U-M20-G12.9 剪断(两侧) 局部破坏 2 M-N-M20-G8.8 完好 完全破坏 3
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表 8 主要试验结果
Table 8 Main test results
试件编号 Sy/mm Pf/kN Su/mm Pu/kN 破坏形态 M-U-M20-G8.8 0.2 72.75 3.41 138.23 螺栓剪断 M-U-M20-G4.8 0.2 41.52 2.61 110.38 螺栓剪断 M-U-M20-G12.9 0.2 62.36 3.46 199.92 螺栓剪断 M-N-M20-G8.8 0.2 18.36 5.20 104.25 混凝土压坏 注：Sy为单个螺栓摩擦阻力极限对应的滑移量；Pf为单个螺栓因预拉力而产生的摩擦阻力；Su为单个螺栓极限承载力对应的滑移量；Pu为单个螺栓极限承载力。
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表 9 有限元模型列表
Table 9 List of finite element models
有限元模型编号 混凝土类型 混凝土板厚度/mm 拉拔力/kN M-N-M20-G8.8-150 NC 150 0.2Nt M-U-M20-G8.8-80 UHPC 80 0.2Nt M-N-S20-G8.8-150 NC 150 0 注：Nt为对应强度等级高强螺栓预拉力设计值大小。
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表 10 模型中7种接触关系
Table 10 7 types of contact pairs of the model
编号 接触关系 接触方式 摩擦系数 1 钢梁-混凝土板 面-面接触 0.50 2 外螺母-钢梁 面-面接触 0.20 3 内螺母-钢梁 面-面接触 0.25 4 钢梁-螺栓 面-面接触 0.25 5 外螺母-螺栓 面-面接触 0.20 6 内螺母-螺栓 面-面接触 0.25 7 螺栓内螺母-混凝土板 面-面接触 0.50
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表 11 有限元与试验结果对比
Table 11 Comparison between tests and numerical results
Pu,T/kN Pu,FE/kN 误差/(%) kT/(kN/mm) kFE/(kN/mm) 误差/(%) 131.37 128.95 1.84 57.92 63.00 8.77 注：Pu,T和Pu,FE分别为高强螺栓极限抗剪承载力的试验值和模拟值；kT和kFE分别为初始刚度的试验值和模拟值。
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表 12 T型预埋螺母侵入式螺栓数值模拟结果
Table 12 Results of T-shaper embedded-nut bolted shear connectors
拉拔力/kN 抗滑移承载力/kN 极限抗剪承载力/kN 0 23.96 145.36 0.2Nt 12.63 128.95
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表 13 高强螺栓数值模拟结果
Table 13 Results of high strength bolted connectors
拉拔力/kN 抗滑移承载力/kN 极限抗剪承载力/kN 0 48.5 190.7 0.2Nt 40.6 186.6
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