7.4.4.1　考虑界面黏结作用模拟结果

（1）荷载-滑移曲线的对比

图7.37　试验与有限元荷载-加载端滑移曲线对比

为了能够更真实、准确地模拟试件整体的纵向抗剪承载力，选择钢板为10mm厚系列的SC-2、SC-6、SC-7、SC-10、SC-11、SC-12试件进行有限元模拟，界面黏结滑移本构关系采用试件SC-12试验所得的荷载-滑移数据求得（即图7.32所示），并采用上一小节中提到的SPRING2弹簧单元模拟栓钉，推出试件试验与有限元模拟的荷载-加载端滑移曲线如图7.37所示。横坐标为试件加载端的位移，纵坐标为纵向抗剪承载力荷载值，试验数据整理得到的曲线为TEST曲线，ABAQUS计算得到的曲线为FEM曲线。

由于界面黏结本构曲线与栓钉本构曲线都存在较陡的荷载下降段，导致ABAQUS计算收敛困难，使得SC-2、SC-7、SC-10、SC-11存在计算中断点。因此，当波形钢板加载端滑移达到一定位移值时，计算中止，此时可以认为栓钉被剪断了。试件纵向抗剪承载力试验值与有限元计算值对比整理如表7.6所示。

表7.6　抗剪承载力试验结果与有限元对比

从图7.37与表7.6可以看出，有限元模拟曲线与试验曲线基本相似，不带栓钉试件SC-12的模拟曲线吻合度较高，带栓钉试件的模拟曲线初始刚度小于试验值。这是由于利用弹簧单元模拟具有一定体积的栓钉导致初始刚度略小，模拟所得纵向抗剪峰值荷载与试验值误差在10%

（2）应力应变分析

图7.38中钢板应力应变均是当试件承受峰值荷载时的模拟计算值，着重分别给出了试件（SC-2、SC-6、SC-11、SC-12）的Mises等效应力云图，Z方向应力、应变即沿钢板纵向的应力应变。从图7.38中等效应力云图及Z方向应力最大值可以发现，当试件荷载达到峰值时，试件波形钢板的应力均远小于10 mm厚钢板的屈服应力234.4 MPa；波形钢板的Mises等效应力、Z方向应力及应变在加载端最大，沿着钢板锚固深度的增大而减小，同时发现试件无论是否布置有栓钉，钢板自由端应变存在过零点现象即存在受拉区，但应变数值很小；观察试件Z方向的应力值同样在自由端发现出现正应力值，证实了自由端由于钢板与混凝土的界面黏结作用出现受拉区。从整体应力应变分析来说，基本规律与试验所得规律基本吻合。

图7.38　波形钢板应力应变

（3）混凝土及钢筋受力情况

根据适用于脆性材料的第一强度理论即最大主应力定义材料破坏准则，当最大主应力达到混凝土极限抗拉强度时，说明此时混凝土开始开裂并产生裂纹，混凝土最大主应力云图如图7.39所示。由混凝土最大主应力云图可知，试件波形钢板波谷外侧即试验试件方位图的东侧混凝土开裂，形成上下贯通裂缝，与第7.2节试验现象规律总结结果一致。

图7.39　混凝土最大主应力云图

图7.40为试件中钢筋骨架Mises应力云图，钢筋最大应力为28.4 MPa，远小于钢筋本身的屈服应力。

图7.40　钢筋骨架应力云图

综上所述，考虑界面黏结滑移作用采用弹簧单元SPRING2模拟带栓钉试件是可行的，纵向抗剪承载力及荷载滑移曲线与试验较为吻合，所得应力应变规律、混凝土裂缝开裂情况与试验基本相同。但这种方法无法较为清楚地观察到栓钉本身的受力情况，对于主要研究带栓钉组合构件的抗剪性能，需要考虑栓钉本身的受力性能。

7.4.4.2　不考虑界面黏结作用模拟结果

鉴于上一种方法用弹簧单元模拟栓钉无法得到栓钉本身的受力情况，笔者尝试使用实体单元模拟栓钉，通过结构化网格划分，合理地布置黏结滑移单元模拟试件SC-6的加载过程，得到最终试件荷载-滑移曲线与试验、方法一模拟曲线对比结果如图7.41所示。(www.daowen.com)

图7.41　试验与2种方法模拟所得荷载-加载端滑移曲线对比

图7.42　实体单元模拟试件SC-6（考虑黏结作用）

从图中可以发现，方法二采用实体单元模拟栓钉得到的峰值荷载值为282.5kN，小于试验值及方法一所得峰值荷载，峰值荷载位移也大于试验与方法一所得的位移，其模拟所得精度比第一种方法差。同时，笔者查看计算过程中栓钉的Mises等效应力云图（图7.42），全过程栓钉根部应力最大值为470MPa，小于栓钉自身的真实抗拉极限强度489.6MPa。 黏结滑移单元的高度几何非线性使得有限元计算收敛性差，荷载-滑移曲线处于下降阶段时，无法模拟出栓钉断裂的真实状态。为此，重点分析栓钉在波形钢板组合结构中的受力状态及对混凝土、钢板的影响，可忽略界面间黏结滑移作用。

不考虑界面黏结滑移作用，对布置1个栓钉试件（SC-6）、布置2个栓钉试件（SC-2、SC-10、SC-11）及布置3个栓钉试件（SC-3）进行了有限元模拟分析，各试件当栓钉根部应力达到栓钉极限抗拉强度时认为栓钉被剪断了，此时荷载为Pf、相对应的加载端滑移量为Sf，整理如表7.7所示。从表中可以看出：试件栓钉被剪断时，加载端滑移量随着栓钉数量的增加而减小；试件纵向抗剪承载力随栓钉间距增大略有提高，但影响不显著，而试件栓钉断裂点的滑移量在增加。

表7.7　栓钉断裂荷载与对应的加载端滑移量