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　　摘要認識到PBL剪力鍵在土木工程各方面發(fā)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(guān)鍵位置處的應力和位移，計算結(jié)果表明：表明模型在整個加載過程中，工作狀態(tài)良好，沒有明顯的破壞現(xiàn)象，承載力具有較大的安全儲備。

　　關(guān)鍵詞PBL剪力鍵，承載能力計算，有限元分析

　　1.引言

　　組合結(jié)構(gòu)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(fā)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(jié)構(gòu)的優(yōu)點，正越來越受到國內(nèi)外工程界的重視，很多專家也對此新型結(jié)構(gòu)進行了探索和研究[1]，國內(nèi)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(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(tǒng)的剪力連接件有很大的優(yōu)勢[2]。目前國內(nèi)外還沒有規(guī)范對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)當中連接鋼腹板與上下混凝土翼板的關(guān)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(chǔ)上，對其進行大量規(guī)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(guī)定統(tǒng)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(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(wǎng)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(wǎng)格耦合操作。

　　有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

　　對以上模型進行線性靜態(tài)分析，在工字梁兩端施加豎向荷載500KN，可以觀察到各個關(guān)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(guān)鍵位置最大位移，最大應力變化規(guī)律如圖4所示。

　　由圖4可見，混凝土和鋼板的最大位移呈現(xiàn)類三階曲線變化趨勢，其拐點發(fā)生在荷載250KN左右，此時其位移變化率最高?；炷灵竞烷_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(shù)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(xù)加載。

　　4.結(jié)語

　　PBL剪力鍵在橋梁工程中發(fā)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(jié)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(nèi)部應力應變分布變化規(guī)律。

　　運用不同的公式對PBL剪力鍵承載能力計算結(jié)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(cè)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(jié)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(nèi)部應力應變變化，跟通用軟件ANSYS相比，F(xiàn)EA操作簡便，更容易快速得到有限元分析結(jié)果。