抗拔管桩预埋机械套筒连接件轴拉承载性能试验及数值分析.pdf

第5 4卷 第6期2 0 2 3年1 1月 太原理工大学学报J OUR NA L O F T A I YUAN UN I V E R S I T Y O F T E CHNO L OG Y V o l.5 4 N o.6 N o v.2 0 2 3 引文格式:成旭振,郭昭胜,袁明,等.抗拔管桩预埋机械套筒连接件轴拉承载性能试验及数值分析J.太原理工大学学报,2 0 2 3,5 4(6):1 1 3 4-1 1 4 3.CHE N G X u z h e n,GUO Z h a o s h e n g,YUAN m i n g,e t a l.E x p e r i m e n t a l t e s t s a n d n u m e r i c a l a n a l y s e s o n a x i a l t e n-s i l e b e a r i n g c a p a c i t y o f c o n n e c t i o n s p e c i m e n o f m e c h a n i c a l s l e e v e e m b e d d e d i n a n t i-e x t u b a t i o n p i l eJ.J o u r n a l o f T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2 0 2 3,5 4(6):1 1 3 4-1 1 4 3.收稿日期:2 0 2 2-0 7-1 1;修回日期:2 0 2 2-0 9-0 9 基金项目:国家电网公司科技项目资助(5 2 0 0-2 0 1 9 1 8 1 1 8 A-0-0-0 0)第一作者:成旭振(1 9 9 6-),硕士研究生,(E-m a i l)1 4 7 3 5 2 1 6 8 1q q.c o m 通信作者:郭昭胜(1 9 8 0-),副教授,博士,主要从事岩土工程的研究,(E-m a i l)1 3 9 3 4 5 1 1 7 9 21 6 3.c o m抗拔管桩预埋机械套筒连接件轴拉承载性能试验及数值分析成旭振1,2,郭昭胜1,袁 明3,贺武斌1,刘瑞峰1,许春博1,王 彬1(1.太原理工大学 土木工程学院,土木工程防灾与控制山西省重点实验室,太原 0 3 0 0 2 4;2.山西路安交通科技有限公司,太原 0 3 0 8 0 0;3.四川电力设计咨询有限责任公司,成都 6 1 0 0 2 1)摘 要:【目的】验证用于抗拔管桩的预埋机械套筒连接件的轴拉承载性能。【方法】完成了6组抗拔管桩张拉机械套筒连接件的轴拉试验,得到了最大破坏荷载和破坏形态,结合有限元计算结果,分析试件应力分布规律,找出应力集中点或薄弱部位。【结果】结果表明:预埋机械套筒连接件整体满足抗拉承载力要求,试件极限破坏时,表现出的主要破坏现象为套筒卡槽和钢棒墩头破坏。墩头和卡槽接触面倾斜角度减小对改善试件应力集中现象有明显效果,建议倾斜角度控制在1 5 以内。【结论】桩身混凝土会限制套筒连接件的变形,提高试件抗拔过程中的安全可靠性。关键词:P HC管桩;轴拉力;预应力筋;机械套筒;桩身混凝土;有限元模拟中图分类号:TU 4 7 3 文献标识码:AD O I:1 0.1 6 3 5 5/j.t y u t.1 0 0 7-9 4 3 2.2 0 2 3.0 6.0 2 2 文章编号:1 0 0 7-9 4 3 2(2 0 2 3)0 6-1 1 3 4-1 0E x p e r i m e n t a l T e s t s a n d N u m e r i c a l A n a l y s e s o n A x i a l T e n s i l e B e a r i n g C a p a c i t y o f C o n n e c t i o n S p e c i m e n o f M e c h a n i c a l S l e e v e E m b e d d e d i n A n t i-e x t u b a t i o n P i l eC H E N G X u z h e n1,2,G U O Z h a o s h e n g1,Y U A N M i n g3,H E W u b i n1,L I U R u i f e n g1,X U C h u n b o1,WA N G B i n1(1.C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g,S h a n x i K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e r i n g D i s a s t e r P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l,T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,T a i y u a n 0 3 0 0 2 4;2.S h a n x i L ua n T r a n s p o r t a t i o n T e c h n o l o g y C o.,L t d,T a i y u a n 0 3 0 8 0 0,C h i n a;3.P o w e r C h i n a S i c h u a n E l e c t r i c P o w e r E n g i n e e r i n g C o.,L t d,C h e n g d u 6 1 0 0 2 1,C h i n a)A b s t r a c t:【P u r p o s e s】T o v e r i f y t h e a x i l f e n s i l e b e a n i n g p e r f o r m a n c e o f p r e e m b e d e d m e c h a n i-c a l s l e e v e c o n n e c t o r s u s e d f o r a n t i-p u l l i n g p i l e.【M e t h o d s】T h e a x i a l t e n s i o n t e s t o f 6 g r o u p s o f a n t i-p u l l i n g p i l e t e n s i l e m e c h a n i c a l s l e e v e c o n n e c t o r s w a s c o m p l e t e d,a n d t h e m a x i m u m f a i l u r e l o a d a n d f a i l u r e m o d e w e r e o b t a i n e d.C o m b i n e d w i t h t h e f i n i t e e l e m e n t c a l c u l a t i o n r e s u l t s,t h e s t r e s s d i s t r i b u t i o n l a w o f t h e s p e c i m e n w a s a n a l y z e d t o f i n d o u t t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n p o i n t o r w e a k p a r t.【F i n d i n g s】T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e-e m b e d d e d m e c h a n i c a l s l e e v e c o n n e c t i o n s p e c i m e n m e e t s t h e r e q u i r e m e n t s o f t e n s i l e b e a r i n g c a p a c i t y;w h e n t h e s p e c i m e n w a s s u b j e c t e d t o u l t i m a t e f a i l u r e,t h e m a i n f a i l u r e p h e n o m e n a w e r e t h e f a i l u r e o f s l e e v e g r o o v e a n d s t e e l b a r e n d b l o c k;t h e i n c l i n a t i o n a n g l e d e c r e a s e o f t h e c o n t a c t s u r f a c e b e t w e e n t h e p i e r h e a d a n d t h e g r o o v e h a s a s i g n i f i c a n t e f f e c t o n i m p r o v i n g t h e s t r e s s c o n c e n t r a t i o n o f t h e s p e c i m e n,i t i s s u g g e s t e d t h a t t h e i n c l i n a t i o n a n g l e s h o u l d b e c o n t r o l l e d w i t h i n 1 5 .【C o n c l u s i o n】P i l e c o n c r e t e l i m i t s t h e d e-f o r m a t i o n o f s l e e v e c o n n e c t o r s a n d i m p r o v e s t h e s a f e t y a n d r e l i a b i l i t y o f s p e c i m e n s d u r i n g p u l l-o u t.K e y w o r d s:P HC p i p e p i l e;a x i a l t e n s i o n;p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e m e n t;m e c h a n i c a l s l e e v e;p i l e c o n c r e t e;f i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n 特高压输电工程作为我国新型基础设施建设战略规划的重要内容,其建设成果必将加快推动我国城市化进程。特高压输电线路基础工程质量的好坏直接影响到整个电网的稳定性和传输效率。特高压输电线路基础在承受拉/压交变荷载作用的同时,还承受着较大的水平荷载作用,其抗拔和抗倾覆稳定通常是线路基础的设计控制条件1。近年来,预应力高强混凝土管桩(简称P HC管桩)以其单桩承载力高,施工速度快,施工环境影响小,性价比高等突出优点在输电线路基础中的应用日益增多。在实际工程中,P HC管桩桩头与输电塔基础承台连接时,当按传统端板焊接锚固钢筋或填芯锚固钢筋的构造措施施工时,由于线路施工现场情况复杂,受施工条件及工人操作水平的限制,存在费工费时,焊接质量不易控制,无法使用商品混凝土,人工搅拌微膨胀混凝土质量稳定性差、填芯不密实,无法保证填芯混凝土与桩内壁黏结力,锚固效果不可靠等缺陷。国内学者针对目前管桩与承台连接设计中存在的不足给出了一些改进。戎贤等2提出通过对填芯管桩内增设非预应力钢筋来提高结构节点的抗震耗能和节点延性。杨志坚等3提出配置非预应力筋、桩身混凝土中掺入钢纤维以及桩端缠C F R P 3种改进的P HC管桩与承台连接。郭昭胜4创新性地提出了一种适用于高烈度地震区的P HC管桩与承台连接劲性节点。上述改进措施均保留了端板焊接锚固钢筋或填芯混凝土。为此,寻找一种能够适应输电线路基础快捷高效施工的P HC管桩桩头锚固钢筋的连接方式成为当务之急。1 机械套筒连接方式鉴于以上情况,为提高输电线路基础中P HC抗拔管桩与承台连接的可靠性,先张法预应力混凝土抗拔管桩(J H抱箍式连接)5提出了一种P HC管桩桩头锚入承台采用在桩顶部预埋机械套筒连接锚筋的形式,如图1所示。预埋机械套筒连接节点管桩嵌入承台深度混凝土垫层取消填芯混凝土连接铁塔和基础的地脚螺栓图1 单个基础剖面图F i g.1 S i n g l e f o u n d a t i o n p r o f i l e锚固钢筋与桩体机械套筒连接方式具体如图2所示。利用端板上的张拉孔,在生产时预埋与承台连接钢筋的机械套筒,机械套筒与端板采用焊接进行固定,焊缝在抗拔过程中不作为受力部位,预应力筋锚固在张拉机械套筒中,对机械套筒加工要求较高。管桩上的预应力筋与套筒、锚固钢筋在同一轴线上,上拔力由三者共同承担。管桩桩壁端板锚固钢筋预应力钢筋机械套筒（a）（b）（c）（d）图2 机械套筒与预应力筋直接连接方式F i g.2 D i r e c t c o n n e c t i o n b e t w e e n m e c h a n i c a l s l e e v e a n d p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e m e n t5311 第6期 成旭振,等:抗拔管桩预埋机械套筒连接件轴拉承载性能试验及数值分析本文通过试验结合有限元分析的方式研究预埋机械套筒连接件的轴拉性能,同时找出试件的应力集中点或薄弱部位,为后期套筒连接方式在抗拔管桩与承台连接节点中的应用奠定基础。2 机械套筒连接件轴拉性能试验2.1 试验对象和试验目的2.1.1 试验对象本次试验对象为6组同规格同型号的机械套筒连接试件(编号S-1-S-6),由机械套筒、2 5锚固钢筋和 1 2.6预应力筋(带墩头)组成。机械套筒材质为Q 3 4 5 B钢,长为9 0 mm,外径4 5 mm,套筒与锚固钢筋连接一侧内径为2 5 mm,套筒与预应力钢棒连接一侧内径为1 4 mm,预应力钢棒墩头处内径为2 2 mm.预应力筋抗拉强度不小于1 4 2 0 MP a,3 5级延性的低松弛预应力混凝土用螺旋槽钢棒(代号:P C B-1 4 2 0-3 5-L-HG),质量符合 预应力混凝土用钢棒6,其 长 度 为3 5 0 mm,公 称 截 面 积 为1 2 5.0 mm2.锚固钢筋为HR B 4 0 0普通带肋钢筋,长3 5 0 mm,一端攻丝以便拧入套筒。2.1.2 试验目的通过对机械套筒连接试件进行单向轴拉试验,获取试件的最大破坏荷载和破坏形态,同时试件S-4、S-5、S-6以图3所示位置粘贴应变片获取试件的应变。11133/47/8 15/161/25/69/10 17/1819/20预应力钢棒机械套筒锚固钢筋注:奇数表示应变片在正面位置,偶数在背面;正面为套筒开槽侧,背面为未开槽侧图3 应变片布置图F i g.3 P l a c e m e n t o f s t r a i n g a u g e2.2 试验过程 预应力混凝土管桩1 0 G 4 0 97规定预应力钢筋的张拉控制应力取为0.7倍的钢筋抗拉强度标准值,即c o n=0.7fp t k,计算得钢筋张拉力Fn=1 4 2 0 MP a 0.71 2 5 mm2=1 2 4.3 k N.对试件S-1、S-2、S-3依据 金属材料 拉伸试验 第1部分 室温试验方法8的相关规定进行破坏性试验。对试件S-4、S-5、S-6采用分级加载,即在达到Fn=1 2 4.3 k N前,分别按0.0 Fn、0.2 Fn、0.4 Fn、0.6 Fn、0.8 Fn、0.9 Fn、1.0 Fn加载,在达到Fn=1 2 4.3 k N后,以0.0 5 Fn为步长逐级增加,直至试件破坏。试验用到的主要设备有万能试验机和静态电阻应变仪,试验过程如图4所示。2.3 试验结果2.3.1 试件最大破坏力和破坏形态6组试件的拉伸试验曲线均无明显屈服点和平台段,呈现脆性破坏,破坏区域保持一致,具体破坏现象为预应力钢棒墩头破坏、卡槽挤压破坏和套筒开口处张开变形如图5所示。6组试件试验最大破坏力均大于1 2 4.3 k N如表1所示,满足抗拉承载要求;预应力筋最大应力未达到抗拉强度标准值1 4 2 0 MP a,试件未能最大程度发挥钢棒的作用。试件S-1-S-3的最大破坏荷载均略高于试件S-4-S-6,这与加载速率有关,采用分级加载的3组试件,加载速率低于其他3组试件,故其试验破坏最大荷载均偏低。图4 试验过程F i g.4 E x p e r i m e n t a l p r o c e s s表1 试验数据汇总T a b l e 1 S u mm a r y o f t e s t d a t a试件编号最大破坏力/k N钢棒最大应力/MP a破坏形式破坏现象S-11 5 3.91 2 3 4.9脆性破坏套筒和预应力筋墩头均出现挤压变形S-21 5 2.51 2 2 3.7脆性破坏预应力筋在墩头根部被拉断S-31 5 1.31 2 1 4.0脆性破坏预应力筋墩头部分被冲切破坏S-41 2 7.21 0 2 0.6脆性破坏预应力筋在墩头根部被拉断S-51 3 5.01 0 8 3.2脆性破坏套筒和预应力筋墩头均出现挤压变形S-61 4 9.51 1 9 9.6脆性破坏套筒和预应力筋墩头均出现挤压变形2.3.2 试件应变分布规律不同试件各测点数据虽不相同,但总体规律一致,详述如下:由图6可知,锚固钢筋和预应力筋处于弹性变化阶段,应变随荷载变化曲线为斜直线。6311太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 试件 S-1试件 S-2试件 S-3试件 S-4试件 S-5试件 S-6图5 试件破坏形态F i g.5 F a i l u r e m o d e s o f s p e c i m e n s 套筒螺纹端依靠套筒与钢筋套丝螺牙接触时形成的卡阻力和接触压力及相对滑动产生的摩擦力来承受拉压力9。由图7可知,机械套筒螺纹端压应变和拉应变同时存在,测点应变值随荷载变化幅度很小。锚固钢筋拧入套筒螺纹端形成比较大的接触截面,二者结合紧密,套筒螺纹端完全可满足承载力要求。套筒中部变截面部位,受力较为复杂。从图8中可以看出,测点7应变值变化最剧烈,会达到屈服应变;其余测点应变值变化不明显。说明在变截面部位出现应力集中现象,结合试件破坏时套筒开口变大的破坏现象可知,开槽部位是套筒易破坏位置。套筒开口端相比变截面部位,应变值变化较为缓和。从图9可以看出,试件背面测点应变高于正面测点,测点1 8会达到或者接近屈服应变。结合试件破坏现象,套筒开口端在试件破坏时U型口会微微张大,说明套筒开口端存在安全隐患。2.3.3 试件承载性能分析锚固钢筋和预应力钢棒在弹性变化阶段,所受荷载与应变关系为FN=EA,FN为根据金属材6?0004?5003?0001?5000应变/10-62505075100125150荷载/?kN试件 S-4CH-1CH-2CH-19CH-206?0004?5003?0001?5000应变/10-62505075100125150荷载/?kN试件 S-5CH-1CH-2CH-19CH-206?0004?5003?0001?5000应变/10-62505075100125150荷载/?kN试件 S-6CH-1CH-2CH-19CH-20（a）（b）（c）图6 锚固钢筋和预应力筋的应变-荷载曲线F i g.6 S t r a i n-l o a d c u r v e s o f a n c h o r e d r e i n f o r c e m e n t a n d p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e m e n t400-40-80-120应变/10-62505075100125150荷载/?kN试件 S-4CH-3CH-4CH-5CH-62505075100125150荷载/?kN2505075100125150荷载/?kN400-40-80-120应变/10-6试件 S-5CH-3CH-4CH-5CH-6400-40-80-120应变/10-6试件 S-6CH-3CH-4CH-5CH-6（a）（b）（c）图7 套筒螺纹端的应变-荷载曲线F i g.7 S t r a i n-l o a d c u r v e s o f s l e e v e t h r e a d e n d料弹性模量和应变测试数据计算荷载,F为加载级荷载,A为横截面面积。图1 0为试件FN/F随荷载加载级变化曲线,从图中可以看出,在加载荷载稳定后,FN/F在介于0.9 51.3之间基本呈水平直线变化,说明相同试件因加工质量差别,承载性能有区别,但在承载过程中材料性能稳定,均满足试件承载要求。7311 第6期 成旭振,等:抗拔管桩预埋机械套筒连接件轴拉承载性能试验及数值分析8?0006?0004?0002?0000应变/10-62505075100125150荷载/?kN试件 S-4CH-7CH-8CH-9CH-10CH-11CH-132505075100125150荷载/?kN2505075100125150荷载/?kN试件 S-5试件 S-6124.3?kN屈服应变 1?675?参考线10?0007?5005?0002?5000应变/10-6CH-7CH-8CH-9CH-10CH-11CH-13124.3?kN屈服应变 1?675?参考线8?0006?0004?0002?0000应变/10-6CH-7CH-8CH-9CH-10CH-11CH-13124.3?kN屈服应变 1?675?参考线（a）（b）（c）图8 套筒变截面的应变-荷载曲线F i g.8 S t r a i n-l o a d c u r v e s o f s l e e v e v a r i a b l e s e c t i o n3?0002?4001?8001?2006000应变/10-62505075100125150荷载/?kN试件 S-4CH-15CH-16CH-17CH-182505075100125150荷载/?kN2505075100125150荷载/?kN试件 S-5试件 S-6124.3?kN屈服应变 1?675?参考线应变/10-6124.3?kN屈服应变 1?675?参考线应变/10-6124.3?kN屈服应变 1?675?参考线3?0002?4001?8001?2006000CH-15CH-16CH-17CH-18CH-15CH-16CH-17CH-183?0002?4001?8001?2006000（a）（b）（c）图9 套筒开口端的应变-荷载曲线F i g.9 S t r a i n-l o a d c u r v e s o f s l e e v e o p e n i n g e n d3 数值模拟3.1 建模介绍3.1.1 模型工况本文通过有限元分析软件建立机械套筒连接件轴拉试验模型,如图1 1所示。模型(a)与试验工况相同,同时为研究套筒卡槽和墩头接触面产生倾斜角时对试件应力集中的影响,改变倾斜角度这一参数;模型(b)为研究套筒围裹桩身混凝土对试件的影响,模型工况如表2所示。2.01.61.20.80.4FN?/?F2505075100125150荷载/?kN试件 S-4CH-15CH-16CH-17CH-18124.3?kN屈服应变 1?675?参考线1.300.95S-4 锚筋S-5 锚筋S-6 锚筋S-4 钢棒S-5 钢棒S-6 钢棒图1 0 FN/F随荷载加载级变化曲线F i g.1 0 C u r v e s o f FN/F v e r s u s l o a d i n g l e v e l表2 试件工况汇总T a b l e 2 S u mm a r y o f s p e c i m e n s w o r k i n g c o n d i t i o n s模型编号T-1T-2T-3T-4倾斜角度/()01 53 01 5是否围裹混凝土否否否是3.1.2 模型建立部件模块中的机械套筒、预应力筋、锚固钢筋、桩身混凝土(局部)均为三维实体单元(C 3 D 8 R),采用分离式建模方式。机械套筒、预应力筋、锚固钢筋尺寸同试验试件尺寸一致;桩身混凝土(局部)外径为8 8 mm,其尺寸设计原则为D=Lm i n2+d=2 1.5 mm2+4 5 mm=8 8 mm,D为局部桩身混凝土外径,d为套筒外径,Lm i n为以P HC-6 0 0-B-1 3 0桩型为例,套筒在桩身内最小混凝土保护层厚度2 1.5 mm;在实际工程中套筒螺纹长度一般取较长,有足够的强度安全储备,邢怀念等1 0通过对钢筋滚轧直螺纹套筒进行单轴拉伸试验表明直螺纹接头可满足强度连接要求,故模型忽略锚固钢筋螺纹。相互作用模块中,机械套筒卡槽与预应力筋墩头采用面面接触分析,接触面间的法向行为采用硬接触(h a r d),切向行为采用罚函数(p e n a l t y),取摩擦因数=0.1 5进行分析;套筒螺纹端与混凝土接触面间的法向行为采用硬接触(h a r d),切向行为采用罚函数(p e n a l t y),取摩擦因数=0.2 5,套筒开口端采用嵌入(e m b e d)的方法约束在混凝土中。分析步模块中,对预应力筋分级施加轴向拉力,计算过程采用自动增量步进行控制。机械套筒、预应力筋、锚固钢筋、桩身混凝土(局部)网格划分均采用S t r u c t u r e d六面体划分技术。8311太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 倾斜角度倾斜角度DdLmin（a）机械套筒连接件轴拉试验模型（b）围裹混凝土机械套筒连接件轴拉试验模型（e）机械套筒（f）桩身混凝土（局部）（c）预应力钢棒（d）锚固钢筋图1 1 轴拉试验模型F i g.1 1 A x i a l t e n s i l e t e s t m o d e l3.1.3 材料属性1)预应力筋。预应力筋弹性模量取2.01 05 MP a,屈服强度取1 2 8 0 MP a,泊松比取0.3.其材质为无明显屈服台阶的钢材,采用弹性强化模型,屈服后的应 力-应 变 关 系 简 化 为 平 缓 的 斜 直 线,可 取Es=0.0 1Es,如图1 2(a)所示。fyEsyfyEsyEs（a）无明显屈服台阶（b）有明显屈服台阶图1 2 钢材应力-应变本构关系曲线F i g.1 2 S t r e s s-s t r a i n c u r v e o f s t e e l2)机械套筒。机械套筒弹性模量取2.0 61 05 MP a,屈服强度3 4 5 MP a,泊松比取0.3.套筒材质属于有明显屈服平台的延性材料,故采用弹性塑性模型,如图1 2(b)所示。3)锚固钢筋。锚固钢筋弹性模量取2.01 05 MP a,屈服强度设计值为3 6 0 MP a,泊松比取0.3.采用弹性塑性模型,如图1 2(b)所示。4)桩身混凝土(局部)。管桩桩身采用C 8 0混凝土,轴心抗压强度标准值fc k=5 0.2 MP a,轴心抗拉强度标准值ft k=3.1 1 MP a,弹性模量取3.81 04 MP a,泊松比取0.2,本次模型混凝土材料选用的是有限元模拟中应用较多的混凝土塑性损伤本构模型。3.2 模型验证为验证模型的合理性,将试件T-1的有限元计算结果与试验试件S-5对照分析。由图1 3可知,试件达到最大荷载时,应力集中区域主要在套筒卡槽位置、套筒开口部位、墩头位置,与试验破坏区域吻合。+3.819102+3.045102+2.270102+1.496102+7.219101-5.23010-8.265101-1.601102-2.375102-3.149102-3.923102-4.698102-5.472102S，S33?/?MPa（平均 75%）+1.205103+1.044103+8.823102+7.207102+5.591102+3.976102+2.360102+7.439101-8.720101-2.488102-4.104102-5.719102-7.335102S，S33?/?MPa（平均 75%）+3.133102+2.876102+2.620102+2.363102+2.106102+1.850102+1.593102+1.336102+1.079102+8.228101+5.661101+3.094101+5.26710S，S33?/?MPa（平均 75%）（a）机械套筒（b）预应力钢棒（c）锚固钢筋图1 3 试件T-1应力云图F i g.1 3 S t r e s s n e p h o g r a m o f s p e c i m e n T-19311 第6期 成旭振,等:抗拔管桩预埋机械套筒连接件轴拉承载性能试验及数值分析 从图1 4可以看出,有限元计算荷载-应变曲线与试验试件S-5曲线吻合较好。因此,本文中采用的建模方法可以较为准确的模拟出试件的应力应变规律。10?0007?5005?0002?5000应变/10-62505075100125150荷载/?kN锚筋-试验值锚筋-模拟值套筒-模拟值套筒-试验值钢棒-模拟值钢棒-试验值图1 4 试验与有限元计算荷载-应变曲线对比F i g.1 4 C o m p a r i s o n o f l o a d-s t r a i n c u r v e s b e t w e e n t e s t a n d f i n i t e e l e m e n t c a l c u l a t i o n3.3 试件应力分布规律以试件T-1的有限元计算结果为典型,结合试验破坏现象分析试件的应力分布规律和破坏机理。3.3.1 机械套筒细部应力分析图1 5为套筒关键节点位置示意图,同时选取套筒开口(P-1)和卡槽边缘(P-2)两条路径进行应力分析。图1 6为套筒在荷载加载过程中,各节点的应力随荷载的变化曲线。图1 7、图1 8分别为P-2、P-1对应的应力路径曲线示意图。P-1（开口）P-2（卡槽）a（e 背面）b（f 背面）c（内边缘）d（外边缘）图1 5 套筒关键节点位置F i g.1 5 K e y n o d e p o s i t i o n s o f t h e s l e e v e5002500-250-500-750应力/?MPa2505075100125荷载/?kN345?MPa-400?MPaadbecf图1 6 套筒节点应力-荷载曲线F i g.1 6 L o a d-s t r e s s c u r v e s o f s l e e v e n o d e s6004002000-200应力/?MPa2505075100125卡槽截面路径 P-2?/?mm400?MPa150内边缘外边缘图1 7 套筒P-2应力路径F i g.1 7 S t r e s s p a t h o f s l e e v e P-2 l i n e4503001500-150应力/?MPa2505075100125卡筒开口路径 P-1?/?mm345?MPa图1 8 套筒P-1应力路径F i g.1 8 S t r e s s p a t h o f s l e e v e P-1 l i n e 通过套筒应力云图(图1 3(a)可知,机械套筒卡槽部位压应力极值为5 4 7 MP a,超过其端面承压强度4 0 0 MP a;机械套筒整体受拉,套筒缺口部位应力集中现象明显,局部拉应力达到3 8 2 MP a,超过其屈服强度3 4 5 MP a.开槽位置出现屈服,套筒约束能力削弱,使U型缺口倾斜变大,有预应力筋墩头脱出的风险;其他部位应 力较为均匀,未超过屈服强度。从图1 6可知,套筒卡槽d节点压应力极值在荷载加载至8 0 k N时达到端面承压强度4 0 0 MP a,c节点在1 1 0 k N时达到端面承压强度,卡槽外边缘先于内边缘屈服,且套筒卡槽先于其他部位发生屈服。从图1 7可以看出,卡槽外边缘应力极值高于内边缘极值,且应力集中区域主要集中在外边缘,结合试验破坏现象可判断,卡槽外边缘为主要破坏部位。图1 6中,a、e节点应力变化曲线基本重合,在达到最大荷载时应力极值较小,其所在部位应力较为均匀,无应力集中区域,说明套筒材质满足抗拉强度要求;b、f节点应力曲线相差较多,b节点应力明显高于f节点,且b节点应力在最大荷载时达到屈服强度3 4 5 MP a;从图1 8可以看出,拉应力超过屈服强度的部位主要集中在b节点所在的套筒开口位置,但超过屈服强度区域很少,结合试验破坏现象,套筒除卡槽位置,其余部位变形不明显。0411太 原 理 工 大 学 学 报 第5 4卷 3.3.2 预应力筋细部应力分析图1 9为预应力筋详细节点位置示意图,图2 0为预应力筋各节点应力随荷载的变化曲线。c（d 背面）e（f 背面）agbh图1 9 预应力筋关键节点位置F i g.1 9 K e y n o d e p o s i t i o n s o f t h e p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e m e n t1?2008004000-400-800应力/?MPa2505075100125卡筒开口路径 P-1?/?mm1?000?MPa-400?MPaacegbdfh图2 0 预应力筋节点应力-荷载曲线F i g.2 0 L o a d-s t r e s s c u r v e s o f p r e s t r e s s e d r e i n f o r c e m e n t通过预应力筋的应力云图(图1 3(b)可知,预应力筋整体受拉,应力集中现象发生在墩头根部,少数部位拉应力达到抗拉强度设计值1 0 0 0 MP a,但未超过其抗拉强度标准值1 4 2 0 MP a,结合试验现象判断,继续增加荷载会有根部拉断的风险;预应力筋其余部位应力水平较均匀,都未超过其材质的抗拉强度设计值;墩头和卡槽接触位置,越靠近墩头外边缘应力值越高,且局部已超过钢棒材质的抗压强度4 0 0 MP a,墩头有冲切和挤压破坏的风险。从图2 0可知,墩头应力呈现对称性,墩头外边缘a、b节点在荷载达到9 0 k N时,局部应力会超过其材质端面承压强度,内边缘g、h节点始终未超过材质端面承压强度;开槽侧的墩头与卡槽无法接触导致钢棒偏心受拉,在加载过程中,d节点应力始终高于c节点应力,且在最大荷载时达到抗拉强度设计值1 0 0 0 MP a,这是套筒单侧开槽导致的自身缺陷且无法避免;e、f节点应力曲线基本重合,钢棒远离墩头位置应力均匀,且应力值小于1 0 0 0 MP a,处于安全状态。3.3.3 锚固钢筋细部应力分析通过锚固钢筋应力云图(图1 3(c)可知,锚固钢筋应力极值为3 1 3 MP a,整体均未达到屈服强度3 6 0 MP a,说明锚固钢筋材质满足抗拉强度要求;锚固钢筋开槽侧应力值低于未开槽侧,结合上述预应力筋和套筒应力分析,套筒开槽导致了构件的偏心受拉,锚固钢筋也具有同样规律。3.4 卡槽和墩头接触面倾斜角度对试件影响图2 1、图2 2分别为试件T-2、T-3在承受最大荷载时轴拉方向的应力云图。+5.387102+3.889102+2.392102+8.943101-6.032101-2.101102-3.598102-5.096102-6.593102-8.091102-9.588102-1.109103-1.258103S，S33?/?MPa（