本发明涉及一种用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，属于土木交通工程设计技术领域。
背景技术：
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钢-混凝土组合梁是一种在公路和城市桥梁工程中具有广泛应用的结构形式之一。在钢-混凝土组合梁中，抗剪连接件作为将钢梁与混凝土翼板组合在一起共同工作的关键部件，起到传递钢梁与混凝土翼板之间纵向剪力的作用，是钢-混凝土组合梁充分发挥承载力的前提。栓钉连接件作为最常用的抗剪连接件，如何设计其数量和规格，对组合梁性能有着重要影响。
国内外许多研究人员采用理论分析、实验研究和数值模拟等多种手段来研究不同栓钉连接件布置的钢-混凝土组合梁的受弯破坏过程和破坏机理，计算其应用的可靠度。但对于连接程度较弱的组合梁，梁挠曲后钢梁与混凝土间将发生较大的界面滑移，其计算模型不再符合平截面假定，通过理论分析确定其承载能力存在困难。而实验研究成本高周期长，存在诸多限制。因此，数值模拟由于覆盖面广、方便灵活、设计成本低周期短，逐渐获得广泛应用。
目前在钢-混凝土组合梁领域开展的有限元模拟研究，栓钉连接件多采用梁单元甚至弹簧单元模拟，无法研究钉体应力与变形状态；且单纯以有限元gui方式进行几何建模操作繁琐，重复性工作量大。本发明通过有限元软件abaqus自带的python语言接口，编写脚本控制建立不同布置栓钉连接件的钢-混凝土组合梁实体三维模型，方法简便，易于掌握。可为组合梁中栓钉的实际工作性能分析提供依据，以期得到更合理的连接件布置方式，为组合梁在实际桥梁工程中推广应用提供技术参考，具有较高的工程意义。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，解决无法研究钉体应力与变形状态的问题和几何建模操作繁琐、重复性工作量大的问题。
上述的目的通过以下技术方案实现：
用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，该方法通过有限元软件abaqus自带的python语言接口，编写脚本控制建立不同直径、高度、间距、材料特性的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体三维模型，并对模型进行静力学计算分析。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体由钢梁、钢筋、混凝土翼板、栓钉连接件组成，各部分之间的连接关系为：栓钉连接件与钢梁为绑定约束，与混凝土翼板孔洞表面为硬接触；钢梁上表面与混凝土翼板下表面为罚摩擦硬接触；钢筋埋入混凝土翼板中。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体三维模型中，钢梁按实际尺寸建立实体单元模型，材料模型为双线性；钢筋按实际截面面积采用桁架单元模拟，材料模型为双线性；混凝土翼板按实际尺寸建立实体单元模型，材料模型为混凝土塑性损伤模型；栓钉连接件按所选尺寸建立实体单元模型，材料模型为塑性，塑性曲线根据栓钉拉伸试验实测取得。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的通过有限元软件abaqus自带的python语言接口，编写脚本控制建立不同直径、高度、间距、材料特性的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体三维模型的具体方法包括如下步骤：
(1)前期几何模型建立：
采用python语言编写脚本，为栓钉数量n、间距d、高度h、头半径r1、杆半径r2参数变量赋值，并以此建立以下模型：
①建立长度为d的钢梁段模型，记为模型a；
②建立高度h、头半径r1、杆半径r2栓钉模型，记为模型b；
③建立长度为d的混凝土翼板段模型，记为模型c；
④将模型a与模型b合并，生成带栓钉的钢梁段并完成切分，记为模型d；
⑤将模型b与模型c相切，生成带孔的混凝土翼板段并完成切分，记为模型e；
(2)最终几何模型拼装：
采用python语言编写脚本，将步骤(1)中各部分模型予以拼装组合：
①阵列n个模型d，修改两端钢梁段长度至拼装全长为梁长，合并记为模型f；
②阵列n个模型e，修改两端混凝土翼板段长度至拼装全长为梁长，合并记为模型g；
③建立桁架单元钢筋笼，记为模型h；
④将模型f、模型g与模型h拼装，生成最终几何模型；
(3)分别对钢梁、钢筋、混凝土翼板、栓钉连接件定义材料截面参数；
(4)设置边界条件并划分网格；
(5)采用隐试算法进行计算，并针对应力、变形云图分析各部位受力状态。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的对模型进行静力学计算分析时，计算得到以下数据：在挠曲作用下，采用不同直径、高度、间距、材料特性的栓钉连接件的钢-混凝土组合梁的最大挠度，钢梁、钢筋、栓钉连接件的最大应力，混凝土翼板塑性损伤分布，钢梁与混凝土翼板间纵向滑移量与栓钉连接件变形状态。
本发明所产生的有益效果：
1.本发明充分考虑了材料的非线性与损伤特性，准确模拟了钢梁、钢筋、混凝土翼板、栓钉连接件的相互作用，可得到组合梁和连接件各处的应力与变形，为组合梁栓钉连接件的设计提供依据。本方法利用参数化建模有效减少了重复性工作，模块构架思路清晰，方便技术人员掌握使用。
附图说明
图1是用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法的流程图；
图2是栓钉连接件钢-混凝土组合梁的整体模型；
图3是栓钉连接件钢-混凝土组合梁的剖断模型；
图4是混凝土应力-应变关系曲线，其中图4(a)是受压应力-应变曲线；图4(b)是受拉应力-应变曲线；
图5是钢材应力-应变曲线，其中图5(a)是钢梁应力-应变曲线；图5(b)是钢筋应力-应变曲线；图5(c)是栓钉应力-应变曲线；
图6是钢-混凝土组合梁在弯曲荷载下的荷载-挠度曲线；
图7是钢-混凝土组合梁在弯曲荷载下的滑移-挠度曲线；
图中标号：1-钢梁；2-混凝土翼板；3-钢筋；4-栓钉连接件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，该方法通过有限元软件abaqus自带的python语言接口，编写脚本控制建立不同直径、高度、间距、材料特性的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体三维模型，并对模型进行静力学计算分析。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体由钢梁、钢筋、混凝土翼板、栓钉连接件组成，各部分之间的连接关系为：栓钉连接件与钢梁为绑定约束，与混凝土翼板孔洞表面为硬接触；钢梁上表面与混凝土翼板下表面为罚摩擦硬接触；钢筋埋入混凝土翼板中。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体三维模型中，钢梁按实际尺寸建立实体单元模型，材料模型为双线性；钢筋按实际截面面积采用桁架单元模拟，材料模型为双线性；混凝土翼板按实际尺寸建立实体单元模型，材料模型为混凝土塑性损伤模型；栓钉连接件按所选尺寸建立实体单元模型，材料模型为塑性，塑性曲线根据栓钉拉伸试验实测取得。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的通过有限元软件abaqus自带的python语言接口，编写脚本控制建立不同直径、高度、间距、材料特性的栓钉连接件钢-混凝土组合梁实体三维模型的具体方法包括如下步骤：
(1)前期几何模型建立：
采用python语言编写脚本，为栓钉数量n、间距d、高度h、头半径r1、杆半径r2参数变量赋值，并以此建立以下模型：
①建立长度为d的钢梁段模型，记为模型a；
②建立高度h、头半径r1、杆半径r2栓钉模型，记为模型b；
③建立长度为d的混凝土翼板段模型，记为模型c；
④将模型a与模型b合并，生成带栓钉的钢梁段并完成切分，记为模型d；
⑤将模型b与模型c相切，生成带孔的混凝土翼板段并完成切分，记为模型e；
(2)最终几何模型拼装：
采用python语言编写脚本，将步骤(1)中各部分模型予以拼装组合：
①阵列n个模型d，修改两端钢梁段长度至拼装全长为梁长，合并记为模型f；
②阵列n个模型e，修改两端混凝土翼板段长度至拼装全长为梁长，合并记为模型g；
③建立桁架单元钢筋笼，记为模型h；
④将模型f、模型g与模型h拼装，生成最终几何模型；
(3)分别对钢梁、钢筋、混凝土翼板、栓钉连接件定义材料截面参数；
(4)设置边界条件并划分网格；
(5)采用隐试算法进行计算，并针对应力、变形云图分析各部位受力状态。
所述的用于钢-混凝土组合梁栓钉连接件设计的有限元建模方法，所述的对模型进行静力学计算分析时，计算得到以下数据：在挠曲作用下，采用不同直径、高度、间距、材料特性的栓钉连接件的钢-混凝土组合梁的最大挠度，钢梁、钢筋、栓钉连接件的最大应力，混凝土翼板塑性损伤分布，钢梁与混凝土翼板间纵向滑移量与栓钉连接件变形状态。
以下用具体实例说明：
现欲建立一榀计算跨径3米的栓钉连接件钢混组合梁abaqus有限元模型并计算其在80mm跨中荷载之内的受力状态，完成后的整体模型与剖断模型如图2与图3所示。该组合梁混凝土翼板宽300mm，高80mm；钢梁采用厚度为10mm的钢板焊接而成，上翼缘板宽120mm，下翼缘板宽160mm，腹板高150mm。混凝土翼板中设置上、下层各3根φ6纵向钢筋，箍筋为φ6@200。连接件为φ13栓钉双排布置，纵向间距400mm，横向间距60mm。各部分单元类型及材料属性如下：
(1)混凝土选用实体单元c3d8r进行模拟，强度等级c50，实测其立方体抗压强度，经换算得到混凝土fc＝38.3mpa，ft＝2.84mpa。采用塑性损伤本构模型，输入的应力-应变关系曲线如图4所示。
(2)钢梁选用实体单元c3d8r进行模拟，强度等级q235，实测屈服强度352mpa。采用双线性塑性本构，输入的应力-应变关系曲线如图5(a)所示。
(3)钢筋选用桁架单元t3d2按实际截面面积建模模拟，实测屈服强度365mpa，极限强度508mpa。采用双线性塑性本构，输入的应力-应变关系曲线如图5(b)所示。
(4)栓钉连接件选用实体单元c3d8r进行模拟，采用塑性本构，拉伸试验实测取得输入的应力-应变关系曲线如图5(c)所示。
实际建模过程如下：
(1)前期几何模型建立
采用python语言编写脚本，为参数变量赋值使栓钉数量n＝4、间距d＝400mm、高度h＝60mm、头半径r1＝22mm、杆半径r2＝13mm，并以此建立以下模型：
①建立长度为d的钢梁段模型，记为模型a；
②建立高度h、头半径r1、杆半径r2栓钉模型，记为模型b；
③建立长度为d的混凝土翼板段模型，记为模型c；
④将模型a与模型b合并，生成带栓钉的钢梁段并完成切分，记为模型d；
⑤将模型b与模型c相切，生成带孔的混凝土翼板段并完成切分，记为模型e。
(2)最终几何模型拼装
采用python语言编写脚本，将步骤(1)中各部分模型予以拼装组合：
①阵列n个模型d，修改两端钢梁段长度至拼装全长为梁长，合并记为模型f；
②阵列n个模型e，修改两端混凝土翼板段长度至拼装全长为梁长，合并记为模型g；
③建立桁架单元钢筋笼，记为模型h；
④将模型f、模型g与模型h拼装，生成最终几何模型。
(3)分别对钢梁、钢筋、混凝土翼板、栓钉连接件定义材料截面参数；
(4)设置边界条件并划分网格：栓钉连接件与与混凝土翼板孔洞表面为硬接触；钢梁上表面与混凝土翼板下表面为罚摩擦硬接触，摩擦系数0.35；钢筋埋入混凝土翼板中。将混凝土翼板顶面跨中80×150mm的区域与跨中参考点耦合，对参考点施加80mm位移加载。
(5)采用隐试算法进行计算，并针对应力、变形云图分析各部位受力状态。例100kn下钢梁、钢筋及栓钉连接件应力云图可见栓钉最大应力出现在根部，达443mpa；钢筋应力最大为92.3mpa，钢梁跨中应力最大为150mpa，均较为安全。钢-混凝土组合梁在弯曲荷载下的荷载-挠度曲线如图6，读取曲线最高点可知该组合梁极限承载能力为215mpa，所对应的跨中挠度为30mm。钢-混凝土组合梁在弯曲荷载下的滑移-挠度曲线如图7，梁端滑移呈非线性发展。
应当指出，上述实施实例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。