钢筋混凝土结构粘结滑移分析在ANSYS中的实现_刘佩玺

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钢筋混凝土结构粘结滑移分析在中的实现

刘佩玺’,徐永清刘福胜,’

山东农业大学水利土木工程学院山东泰安泰安市泰山工程建设监理咨询公司山东泰安朋

摘要钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种具有不同物理力学性质的材料组合而成的复合材料其本构模型比较复杂钢筋与混凝土两者之间的粘结滑移关系虽然历经近百年的试验研究对钢筋混凝土机理的认识水平日益深刻但在有限元分析中还不是很完善本文通过选用合适的材料本构模型和粘结滑移模型建立三维有限元分析模型进行全过程的模拟分析关键词粘结滑移分离式模型弹簧单元中图分类号文献标识码文章编号一一一

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前言

在钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土两种性质完全不同的材料能共同工作主要是依靠钢筋与混凝土

间的粘结应力也就是两者接触面上的剪应力钢筋与混凝土之间的粘结强度主要由水泥凝胶体与钢筋

表面的化学胶着力混凝土与钢筋之间的摩擦力以及机械咬合力三部分组成通过粘结作用钢筋与混凝

土之间可以实现应力传递并达到变形协调

钢筋和周围的混凝土之间的粘结是分析钢筋混凝土结构所遇到的特有问题也是一个比较复杂的问

题在这些刚度矩阵中有两个材料常数一个是平行于钢筋方向的刚度系数。另一个是垂直于钢筋方

向的刚度系数到目前为止对的取值还缺乏研究对虽然做了一些研究但由于影响粘结的因素

很多破坏机理相当复杂量测工作又非常困难这一问题也没有得到很圆满的解决

随着高强混凝土的应用愈来愈普遍而对高强混凝土与钢筋之间共同作用的特性尚未进行全面的研

究其粘结滑移关系式仍待进一步研究为了模拟一关系须在试验的基础上提出一个合理的计算公

收稿日期一一基金项目山东省自然科学基金作者简介刘佩玺一男在读硕士研究方向为水利水电工程设计理论与管理运行方向通讯作者一

山东农业大学学报自然科学版第卷

式有了一关系即可由微分求出值

几种粘结滑移关系的经验公式

钢筋混凝土有限元分析中粘结滑移关系表达式主要是从试验数据归纳拟合出的粘结滑移曲线但这

些曲线之间也有相当差异常用的描述局部粘结应力一滑移关系的经验公式主要有如下几种

年根据。所做的钢筋混凝土在重复荷载下的试验结果提出局部丁一

非线性关系表达式二二。一

式中,单位为。的单位为

和公式

和流认为粘结力与混凝土标号有关系他们由个变形钢筋模拟缝间粘结强度的试件和

个模拟锚固粘结强度的梁端试验结果回归出的经验公式

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式中,单位为,的单位为

清华大学土木系在滕智明指导下进行了个短埋拔出式试件和个轴拉混凝土试件的试验研

究发现粘结滑移关系与混凝土强度钢筋外围的保护层厚度测点所处位置到裂缝的距离有关在试验

的基础上得出如下公式

二二一砂占一‘几石万

式中,为局部粘结应力叫,为局部滑移几为混凝土劈位强度为混凝

土保护层和钢筋直径比为粘结刚度分布函数为至最接近的横向裂缝的距离

中国建筑科学研究院徐有邻等人做了一系列试验系统地研究了混凝土强度保护层厚度锚固

长度配箍率钢筋直径对粘结锚固性能的影响将粘结滑移曲线分成五段微滑移段滑移段劈裂段下

降段残余段进行描述曲线上有四个转折点通过实测结果得出一分段函数表达式并用一个位置函数

同时考虑不同锚固深度处的变化建立了如下的,一关系

甲例

式中平是用来描述粘结滑移关系随不同锚深变化的位置函数它可用锚固深度来表示具体

参见文献【〕叭即是用控制点描述的粘结滑移分段表达式

大连理工大学采用配有月牙纹钢筋的梁式试件进行了缝间粘结试验研究并根据试验结果建立

了一个同时考虑了混凝土保护层厚度混凝土和钢筋弹性模量裂缝间距等因素影响的关系式初刀,。’人一武近了、。八‘口‘口乙盯男‘二—气弋一劣一二—一‘““叮‘份式中。二分别为钢筋和混凝土的弹性模量为单位长度上的钢筋表面积为裂缝间距为离裂缝的距离和,分别为所研究点处的滑移和粘结应力

比较上面所列的几个一经验公式至表达式非常简洁应用起来也很简单缺点是无法反

映诸多因素对粘结性能的影响至能综合考虑各种粘结条件的影响但表达式较复杂应用也较为

困难本文分析采用公式式模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系关系曲线如图所

示

第期刘佩玺等钢筋混凝土结构粘结滑移分析在中的实现

粘结力

滑移值咖

图粘结滑移关系曲线,一

钢筋与混凝土粘结滑移的有限元模拟

考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移时通常在钢筋和混凝土的相应结点之间设置联结单元常用的单

元形式有界面单元和弹簧单元

平面问题中界面单元是一种退化的四边形单元宽度为零可以方便地放置于混凝土单元和钢筋单元

之间而不影响其单元划分而且可以建立更为协调的关系然而联结单元的存在是基于两种材料的接触

面上存在相对滑移这一假设的而实际上滑移”是一种综合现象是钢筋周围的混凝土中内部裂缝形成

和发展的结果因而联结单元只能近似反映钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系

弓单簧单元由相互正交的根弹簧平面问题或根弹簧空间问题组成平行钢筋长度方向的弹簧

模拟钢筋与混凝土的粘结滑移其它方向弹簧模拟混凝土对钢筋的挤压该模型形式简单力学概念明

确便于应用本文采用的就是这种形式

粘结弹簧在模型中的实现

对于单向弹簧弹簧的节点可以为空间任意节点弹簧的长度可以为零因此可以通过控制网格

划分使钢筋和混凝土在相同的坐标位置形成节点从而可以在钢筋节点和混凝土节点之间建立长度为零

的弹簧单元

在刚度传递的迭代过程中弹簧单元将用前一步的迭代结果来确定哪一区段的粘结滑移曲线被激活

单元的刚度矩阵为

〔凡卜叫认一

上式中为迭代过程中前一步计算出的被激活区段的斜率

钢筋和混凝土的接触面之间的相对移动有法向纵向切向和横向切向三个方向为全面考虑钢筋混凝

土连接面上的相互作用在钢筋和混凝土连接面上在每一对对应节点之间均分别建立三个非线性弹簧单

元来模拟钢筋与混凝土之间三个方向的相互作用弹簧的模型如图所示其受力性能由弹簧实常数

粘结滑移曲线确定

钢筋混凝土结构的有限元模型

钢筋混凝土结构是由钢筋和混凝土两种材料组成的在进行有限元分析时如何合理离散化结构对结

果计算精度起到至关重要的作用其总刚度矩阵表达式为

〔二,氢。。〕·氢。〔〕。

山东农业大学学报自然科学版第卷

表示加固材料的种数最多三种擎表示加固物的体积率即混凝土的配筋率【表示混凝

土的刚度矩阵〔〕。表示第个加固物的刚度矩阵

钢筋混凝土有限元模型按钢筋模拟方法的不同可分为分离式组合式和整体式三种模型。

本文采用分离式模型同时考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移建立三维空间模型

实例分析

问题描述

矩形截面钢筋混凝土简支梁配有受拉主筋受压钢筋箍筋荷载及截面尺寸如图所示

材料性能

混凝土弹性模量泊松比。二单轴抗拉强度双裂缝张开传递系数裂缝闭

合传递系数关闭压碎开关

钢筋为双线性随动硬化材料受拉钢筋弹性模量二泊松比。屈服应力

受压钢筋及箍筋泊松比。屈服应力。。

外部荷载

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图荷载梁几何尺寸及配筋图研】出玉加耐”汕血无玲单元类型选取选择单元建立混凝土模型在中单元是专为模拟混凝土岩石等抗压能力

远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元它是在三维节点等参单元的基础上增加了针对混

凝土的性能参数和组合式钢筋模型材料选用多线性随动强化模型】其应力应变曲线如图所

示混凝土的破坏准则如问题描述中所述

选用单元模拟钢筋钢筋材料选用双折线的等强硬化模型建立钢筋的本构关系

选用弹簧单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结滑移其本构关系采用前边叙述的粘

结滑移曲线

加场明卜习二翻尸卜七习才犷一洲汉习、,习口习

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图混凝土应力应变关系曲线已洛址第期刘佩玺等钢筋混凝土结构粘结滑移分析在中的实现

模型建立

利用建模技术建立钢筋混凝土有限元模型根据实际要求为提高计算精度取简支梁

建模不考虑受压钢筋和箍筋的粘结滑移假定它们与混凝土粘结良好模型如图所示

图混凝土与钢筋模型图

瑰理玩结果分析

经过迭代计算程序在二退出计算由此可知结构的承载力为此时混凝土的

变形为其荷载一挠度曲线如图所示在破坏前结构的变形在的之内变化变形的突然

增大说明结构已经破坏受拉钢筋的应力如图所示此时为结构破坏前一步的计算结果

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图荷载一挠度曲线皿心吐皿

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图受拉钢筋应力图份璐一

玲山东农业大学学报自然科学版第卷

弹赞粘结应力分析

弹簧在破坏前的粘结应力及伸长量如表所示

裹弹赞粘结应力与伸长统计表仙川一洛助,习沁叫笋

项目方向方向方向

粘结应力最大值一台一

弹簧伸长摄一一一

由表可以看出弹簧在方向和方向几乎没有滑移其粘结应力也很微小主要的粘结滑移存在

于方向也就是受拉钢筋的纵向这与实际情况是相符的

结论

本文采用有限元分析程序对钢筋混凝土的粘结滑移进行了仿真模拟通过选取合适的粘结曲线得到

了受拉钢筋的粘结应力在各个方面的应力值表明纵向的粘结应力是影响钢筋与混凝土粘结的主要因素

这与实际是相符的

对钢筋混凝土结构进行全过程的有限元分析是有一定难度的特别是考虑钢筋与混凝土的粘结滑移

其本构关系的选择要与实际工程相符混凝土材料模型的选择也是比较关键的在分析过程中针对分析对

象的结构层次和所关心结果的类型合理的选取单元类型材料模型收敛准则破坏准则以及对

程序求解开关的正确运用是可以取得令人满意的分析结果的

参考文献周岑孙利民钢筋混凝土结构弹塑性分析在中实现〔习同济大学土木工程防灾国家重点实验室论文集〔〕陆新征江见鲸用单元分析混凝土组合构件复杂应力〕建筑结构〔〕徐有邻变形钢筋一混凝土粘结锚固性能的试验研究〕清华大学博士学位论文〔〕宋玉普赵国落钢筋与混凝土之间的粘结滑移性能研究〕大连工学院学报一〔〕二阮阮“司日”〕二一〕行、〔〕怡目允司二〔〕林新志考虑粘结滑移的组合式单元模型研究与应用〔河海大学硕士学位论文加〔〕朱伯龙蓝振祥钢筋混凝土非线性分析〔〕上海同济大学出版社〕吕西林金国芳吴小涵钢筋混凝土结构非线性有限元理论与应用〔〕同济大学出版社卯〔〕谭建国使用弘进行有限元分析〕北京大学出版杜〔郝文化土木工程应用实例〔中国水利水电出版社