初始拉拔长度对钢筋混凝土构件粘结滑移的影响

初始拉拔长度对钢筋混凝土构件粘结滑移的影响

作者：杜丽艳 陈建华

来源：《中国新技术新产品》2012年第23期

摘 要：钢筋混凝土构件之间的粘结-滑移是分析钢筋混凝土结构所遇到的特有问题。国内外学者在这方面作了大量的实验研究得出了实验公式。在本文首先将钢筋与混凝土作为一个连续的整体，对钢筋与混凝土分别取各自的基本材料性能指标和单元，建立模型；然后生成钢筋与混凝土间的接触面，以位移的形式加载，改变钢筋初始拉拔长度的大小，利用ANSYS软件模拟其对粘结滑移的影响。

关键词：钢筋混凝土；初始拉拔长度；粘结滑移；ANSYS 中图分类号： TU375 文献标识码：A

钢筋和混凝土构成组合材料的基本条件是二者之间有可靠的粘结和锚固，因此中外许多学者在近百年对钢筋与混凝土两者之间的粘结滑移关系做了大量试验研究。本文通过选用合适的材料本构模型和粘结滑移模型， 利用工程软件ANSYS，建三维有限元分析模型， 通过力学性能指标初始拉拔长度所产生的接触状态来模拟钢筋与混凝土间的粘结滑移。 1钢筋混凝土粘结-滑移关系的研究 1.1粘结滑移的研究实验

钢筋混凝土的粘结滑移主要取决于钢筋与混凝土粘结锚固性能，在各种钢筋混凝土构件中， 根据应力性质可以将粘结应力分为两大类， 钢筋端锚固应力和缝间粘结应力。为了量测这些粘结应力与相对滑移之间的关系， 目前主要有三种试验方法：拉拔试验即拔出试验、梁式试验和轴拉试验。

拉拔试验具有试件制作简单、成本低、试验易于进行等特点，应用得比较广泛。在这种试验的基础上， 稍加改进可以模拟许多不同粘结锚固状态。Soroushian.P在19年采用了具有纵横约束的拔出试验， 以模拟梁柱节点处钢筋的局部粘结强度；徐有邻此时采用配有双支箍筋的拉拔试件探讨了配箍率对锚固性能的影响。但拉拔试验不能反映钢筋混凝土构件中的弯矩和剪力。梁式试验能模拟钢筋在梁端部的粘结锚固状况，但试验的试件尺寸大， 制作成本高，试验复杂。轴拉试验主要用于测量缝间粘结应力及相对滑移量，模拟混凝土梁在纯弯段主裂缝间的粘结特性。一对相互平衡力作用在钢筋的两端， 钢筋混凝土间产生粘结滑移。 1.2钢筋与混凝土粘结-滑移机理

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钢筋混凝土有限元分析的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得出， 但曲线之间差异较大， 常用描述局部粘结应力-滑移关系的经验公式：1986年Nilson提出的局部非线性关系表达式、Houde和Mirza公式及清华大学大学土木系的滕智明得出的公式应用简洁，但无法反映诸多因素对粘结性能的影响。中国建筑科学研究院徐有邻等人做了一系列试验，建立了关系式，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所建立的实验公式，能综合考虑各种粘结条件的影响，可以在一定程度上反映出粘结性能的影响，但表达式较复杂。

钢筋混凝土构件粘结滑移的机理是由两种材料间的胶结力、摩阻力和咬合力来抗滑移。本文将模拟光圆钢筋和混凝土间粘结-滑移，光圆钢筋的粘结力主要由胶结力，其强度低、滑移量大，其破坏形态可认为是钢筋与混凝土相对滑移产生的，或钢筋从混凝土中拔出的剪切破坏，破坏面就是钢筋与混凝土的接触面。 2钢筋与混凝土界面粘结滑移有限元分析

有限元分析钢筋混凝土结构与一般固体力学中的有限元分析的基本原理和方法上是一样，但如何进行结构离散化，又有其特殊性。因此，建立钢筋混凝土有限元模型时必须考虑材料的不均匀性和下列各种因素的影响：钢筋一般被包裹于混凝土之中，而且相对体积较小；混凝土应力应变的非线性性能及在复合应力作用下的本构关系；由于混凝土受拉性能很差，开裂荷载较小，而且裂缝会连续不断地出现，此时局部位移及应力对整个结构的强度和位移会产生影响，结构计算图式随时都可按需要改变；随着荷载增加，混凝土和钢筋之间发生相对滑移，粘结力可能发生破坏；混凝土的收缩和徐变的影响等。钢筋混凝土有限元分析应根据求解问题的具体要求，计算精度和计算机硬件选择相应的有限元模型。

本文以钢筋混凝土圆柱的粘结模拟作为模拟试验，通过试验所确定的钢筋与混凝土的基本力学性能指标，采用弹性接触问题有限元法，按空间轴对称方法来解决钢筋与混凝土的相互作用，引入无厚度接触面计算模型。对试验得到的荷载--滑移曲线进行模拟，并用该数学模型对钢筋与混凝土界面间的内力分布进行计算，得到钢筋与混凝土的粘结应力分布情况。 3实例模型分析 3.1模型描述

模型尺寸： 外层混凝土半径：=0.05m， 长度=1m； 钢筋半径：=0.01m， 长度 =2m；混凝土圆柱孔半径：=0.008，长度=1m。 3.2单元类型的选取

基于ANSYS的混凝土和钢筋单元的选取。详见《ANSYS单元手册》。【7】【8】 （1） 钢筋单元

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采用BRICK 6NODE Solid185单元，双线性随动强化模型（BKIN），屈服准则为Mises准则。弹性模量为 MPa，泊松比为0.3。 （2） 混凝土单元

采用Solid65单元，弹性模量为MPa，泊松比为0.2。

基于ANSYS的钢筋混凝土—光圆钢棒粘结滑移的分析，建立了整体模型

限于试验条件的局限性和钢筋混凝土粘结滑移的复杂性，本文对模型的加载荷载是以位移的形式加载，定义钢筋不同的初始拉拔长度进行数值模拟；改变荷载来探究滑移量的变化。如表1所示

表1 不同初始拉拔长度下的力学性能 =0.01m f=0.2恒定 =0 =0.1 m =0.15 m

最大接触应力/MPa 28.598 0.001036 0.150052 最大滑移量/m 0.179 0.023251 0.012067 混凝土z向最大应力/MPa / 0.00214 0.021146 混凝土yz向最大应力/MPa / 0.587 0.0031 混凝土xz向最大应力/MPa / 0.001303 0.011816

ANSYS模拟不同拉拔长度的钢筋滑移模型：如图3、图4所示 不同应力与初始拉拔长度关系曲线如下：

①最大接触应力—初始拉拔长度关系 ②最大滑移量—初始拉拔长度关系： 结语

本文利用工程软件ANSYS建立光圆钢筋混凝土模型，改变初始拉拔长度，得出了以上各数据关系图及对应各应力图。可以看出，在过盈量r和摩擦系数取值一定的情况下，初始拉拔长度越大，混凝土与钢筋的接触应力的呈不连续变化存在起伏，滑移量呈逐渐增大趋势。混凝土与钢筋的接触面及混凝土内部产生不同等级的裂纹，而且随着拉拔长度的增大裂纹显著变长，说明拉拔长度的大小直接影响混凝土的承载力和稳定性。因此钢筋混凝土结构在工程领域的应用，应考虑初始拉拔长度对钢筋混凝土粘结滑移的影响。对建筑结构的抗震性能和坚固性具有一定的实用价值。

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