钢筋与混凝土黏结性能的数值模拟.pdf

2 0 1 1年 第 1 1期 (总 第 2 6 5 期 ) N u mb e r 1 1 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 5 ) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 T HEORE TI CAL RESE ARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 1 0 1 5 钢筋与混凝土黏结性能的数值模拟 张永利 ，胡晓鹏 ( 西安建筑科技 大学 土木工程学院 ，陕西 西安 7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 对钢筋与混凝土间的黏结性能进行数值模拟， 为系统研究钢筋与混凝土间的黏结性能提供可靠的数据支持， 是黏结性能试验 的有益补充。 在介绍混凝土结构有限元理论的基础上， 引入混凝土多参数强度准则和非线性本构关系， 参照拉拔试验和梁式试验构件特 征 ， 采用有限元分析软件A N S Y S 对黏结性能进行了非线性分析， 取得了混凝土应力分布、 平均黏结应力一 滑移关系曲线等结果， 并与现有 的黏结性能试验结果相对比， 结果吻合较好。 关键词 ： 拉拔试验 ；梁式试验 ；黏结性能 ；数值模拟 中图分类号 ： T U5 2 8 叭 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 1 0 0 5 0 0 3 Nume r i c al s i mul a t i on of bon d p r ope r t i e s of r e i n f or ce men t a nd c on cr e t e Z HANG Yo n g - 1 i HU Xi a o -pe n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， Xi a nU n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e a n dT e c h n o l o g y ， Xi a l l 7 1 0 0 5 5 ， C h i n a ) Abs t r ac t ： T he b o n d b e t we e n r e i n f o r c e me n t a n d c o n c r e t e i s s i mul a t e d， whi c h c a n p r o v i d e r e l i a b l e d a t a s u p p o r t f o r t h e s t ud y o n t he b o n d p r o p e r t i e s b e tw e e n r e i n f o r c e me n t a nd c o n c r e t e， a n d wh i c h i s a u s e f u l s u p pl e me n t t o b o n d pe r f o r ma n c e t e s t I n b a s i s o f the fin i t e e l e me n t t h e o r y o f c o n - c r e t e s t r u c t u r e ， the mu l t i p a r a me t e r s t r e n g t h c r i t e rio n o f c o n c r e t e a nd n o n l i n e ar c o ns t i tut i v e r e l a t i o n s i s i n t r o d u c e d， the c o mpo n e n t c h a r a c t e ris t i c s o fp u l l - o u t t e s t an d be a m t e s t are r e f e r e n c e d， u s i n g t h e fi ni t e e l e me n t a n a l y s i s s oftware AN S YS， th e p e r f o r man c e o ft h e n o n l i n e ar b o n d i s an a - l y z e d the c o n c r e t e s t r e s s d i s tr i b u t i o n and t he a v e r a g e b o n d s t r e s s s l i p c u r v e a n d o the r r e s u l t s arC a c hi e v e d Co mp a r e d wi t h the e x i s t i n g b o n d p e r - f o r ma n c e t e s t r e s u l t s ， t h e r e s u l t s a r e i n g o o d a g r e e m e n t Ke y wor ds ： p u l l o u t t e s t ； b e a m t e s t ； b o n d p r o p e rti e s； n u me ric a l s i mu l a t i o n 0 引言 线等结果， 并与现有的黏结性 能试验结果进行了 对比 分析。 在钢筋混凝土结构中， 钢筋受力后将发生纵向变形趋势， 为保证钢筋与混凝土变形协调共同工作， 周围的混凝土对钢筋 的纵向变形将产生约束作用， 从而在钢筋与混凝土界面产生剪 力效应， 这种效应即为钢筋与混凝土之间的黏结作用_ 1 _ 。 黏结作 用的实质是钢筋通过它将部分拉力传递给混凝土， 使两者共同 受力。 目前对钢筋与混凝土之间黏结性能的研究主要采用试验 和数值模拟两种方法， 试验方法可以直观准确地反映不同构件 类型和各种受力状态的黏结性能及其影响因素， 且可为数值模 拟方法提供可靠的黏结滑移本构关系， 因此得到了广泛的采用。 但由于混凝土自身 l 】 的非均匀性， 加之黏结问题影响因素众多， 破坏类型复杂等原因， 黏结性能试验结果离散性很大 ， 且无法 测取混凝土应力分布等特征。 数值模拟方法自问世以来， 被用于 各种土木工程结构构件性能分析中， 但 目 前尚没有对黏结性能 进行针对性的数值模拟， 尤其是梁式黏结试验国内目 前采用较 少， 对其进行数值模拟尚属空白。 本研究在介绍混凝土结构有限元理论的基础上， 引入混凝 土多参数强度准则和非线性本构关系， 参照拉拔试验和梁式试 验构件特征， 采用有限元分析软件 A NS YS对黏绪l生能进行了非 线性分析 ， 取得了混凝土应力分布、 平均黏结应力一 滑移关系曲 收稿 日期 ：2 0 1 1 - 0 5 1 2 基金项目：国家 自 然科学基金青年基金项 目( 5 1 0 0 8 2 4 6 ) 5 0 1 混凝土结构有限元理论 1 1 本构 关 系 目前， 国内外学者已经将各种力学理论用于混凝土本构关 系的建立， 产生多种本构理论 ， 应用较多的是理想弹塑性模型 和强化模型。 由虎克定律知， 线弹性本构关系为 ： & r o = D ； a,z d k5 ( 1 ) 式中： D 弹性本构矩阵的张量形式。 D = 2 G I- _ l ( 2 ) j 将上述关系应用到钢筋混凝土结构中时， 并考虑箍筋对构件 内部混凝土的约束作用， 从而可提高混凝土强度和延性。 文献 2 】 给出了矩形封闭箍筋约束的混凝土单轴应力一 应变关系曲线： lY e ， 2 ( s s o ) 一 ( e e 0 ) ， s s o c r = Ye ， 1 一 Z ( 一 0 ) ， 0 s 2 o c 一 ： 一 ( 4) 5 1+ 5 m 厂0 0 0 2 一 ( 5 ) 旷 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m s P S h ( 6 ) s V 一 式中 混凝土圆柱体轴心抗压强度； 6 设约束混凝土的宽； p s 箍筋面积与被箍混凝土的面积比( 从箍筋最夕 面量得) ； 封闭箍筋的间距。 1 2破 坏 准则 在大量的黏结性能试验的基础上， 国内外学者提出了很多 的混凝土破坏准则， 目前应用较多的是四参数准则和五参数准 则， 他们均能较好反映混凝土三轴应力状态下的破坏特征 ， 具有 足够的精确度。 A NS YS 程序中混凝土采用 Wi l l i a m Wa r n k e五 参数破坏准则 ， 其破坏面的表达式为： _ F 一 s O ( 7 ) 式中： F 单元应力状态函数 ， 相当于单元等效应力 ， 可表示 为不同应力状态下的主应力的函数； s 混凝土的强度函数， 相当于混凝土单元的强度因子， 可表示为混凝土材料性质的 5 个输人参数， = 、 、 、 、 和主应力的函数。 在 ANS YS中， 根据混凝土单元的不同应力状态， 将混凝土 受力分为四种主要应力状态。 并分别确定函数 F和 s的取值 ， 从而判断单元的破坏情况。 1 3 裂缝 处理 混凝土裂缝的出现会引起结构内力的重新分布和结构刚 度的明显降低 ， 裂缝处理是钢筋混凝土非线性有限元分析计算 的关键。 混凝土开裂的处理采用弥散裂缝模式， 即在垂直于最大 主拉座力的方向( 开裂平面的方向) 引入一个薄弱面， 此薄弱面 在后继荷载作用下， 可以提供一定的抗剪能力 ， 并由混凝土张 开裂缝的剪力传递系数 来反映混凝土的张开裂缝间剪力传 递能力 ； 当混凝土由受拉转为受压应力状态时， 程序认为张开 裂缝会重新闭合 ， 并且闭合裂缝能够完全承受垂直于薄弱面方 向的压应力， 相应地裂缝传递剪力的能力也提局， 由混凝土闭 合裂缝的剪力传递系数 9 c 来反映混凝土的闭合裂缝间剪力传 递能力。 在计算中， 为了收敛容易， 一般取张开裂缝剪力传递系 数 为 0 2 5 0 5 ， 闭合裂缝剪力传递系数 。 为 0 6 0 8 。 另外， 混凝土开裂后， 对于开裂面的混凝土的抗拉强度的下 降程度也可以通过抗拉强度调整系数 R 进行控制 ， 当取 R t- 0 时， 即不考虑开裂面的混凝土抗拉强度， 即抗拉强度降为零； 如 果 R 0 ， 则按图 1 取值。 其中， 为混凝土开裂时的拉应变 ； T o 为开裂面混凝土抗拉强度降低系数 ， 默认值为 0 6 。 当混凝土单 元在积分点处出现单轴、 双轴或三轴受压破坏时， 即认为混凝土 单元被压碎。 同时程序认为该混凝土单元彻底破坏并形同消失。 T 图 1 R取值 的示意 图 2 有限元模型的建立 图 2 、 3分别给出了拉拔试件和梁式试件的外观尺寸图， 本 塑料 。 套管 图 2 拉拔试件的外观尺寸 2 Q 图 3 梁式试件的外观尺寸 文采用分离式模型对其进行数值模拟。 2 1 单元类型 ( 1 ) 混凝土单元： S O L I D6 5单元。 ( 2 ) 钢筋单元： L I NK 8单元。 ( 3 ) 黏结单元： C O MB I N3 9 单元。 ( 4 ) 支座及钢铰： S O L I D 4 5单元。 2 2 材料性质 ( 1 ) 混凝土材料。 混凝土立方体抗压强度 取试验的实测 值， 混凝土材料的泊松 比 均选用 O 2 0 ， 其余参数参考现有的 关系式折算。 混凝土材料的力学性能参数见表 1 。 在 A NS YS程 序分析中， 需要给出混凝土单轴受压下的应力应变曲线。 本文选 取的本构关系是在 H o g n e s t a d 模型的基础上修改得到的， 即将极 限压应变后的曲线水平延伸， 这样做便于收敛。 其表达式为： If c2 ( e E 0 ) - ( 6 e 0 ) 2 ， 8 0 I 1 - 0 1 5 二 ， 勺 ( 8 ) l 【 曲一 。 J I O 8 5 A， s 8 式中i 混凝土轴心抗压强度； 混凝土的峰值应变， 取 0 0 0 2 ； s 混凝土的极限压应变， 取 0 0 0 3 3 。 表 1 混凝土材料的输入参数值 ( 2 ) 钢筋。 在 A NS YS 程序分析中， 需要给出的钢筋性能的 参数有钢筋的屈服强度 、 弹性模量 和泊松比 。 钢筋的屈服 强度和弹性模量取试验的实测值， 泊松比取 0 2 5 。 钢筋的本构关 系选用理想弹塑性模型。 ( 3 ) 黏结单元。 在建立分离式钢筋混凝土模型时， 在相应的 钢筋单元节点和混凝土单元节点之间， 沿锚固方向和垂直锚固 方向设置 2 个非线性弹簧单元。 文献 3 根据拉拔试验和梁式试验得到的黏结应力一 滑移本 构关系式为： 厂 _ rs( 6 2 8 o 8 2 0 0 9 2 s L 2 7 s V 9 ) 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 皇 醴 赫 好 糯 C0N1 CON2 C0N3 C0N4 CON5 方案 图 5 界面剂方案对新老混凝土黏结劈拉强度的影响 况， 而当试验龄期约为4 0 d ( 图4中 C O N1 和 C O N5 两线的交点 的横坐标) 之后时， 使用该界面剂的新老混凝土黏结劈拉强度最 大。 说明水泥净浆界面剂虽然没有掺加其他外加剂或掺合料， 但 其对较长龄期的新老混凝土黏结劈拉强度有很好的增强作用。 硅灰界面剂是在水泥净浆界面剂的基础上掺入了硅灰。 试验结 果显示使用该界面剂的新老混凝土各龄期黏结劈拉强度最低， 与水 泥净浆界面剂相比， 7 d 强度降低了 1 1 9 0 0 ， 2 8 d强度降低了2 0 4 。 这是由于界面剂中硅灰的二次水化作用需要更长的时间，该试 验最长龄期仅为9 0 d ， 故需要更长的龄期测试硅灰界面剂的效果。 减水界面剂是在硅灰界面剂的基础上掺入了减水剂。 其混 凝土试件的黏结劈拉强度较硅灰界面剂有少量的提高， 7 d强 度增加了 5 4 ， 2 8 d 强度增加了 1 3 7 。 说明减水剂的使用 ， 减 小了界面剂的水灰比， 较硅灰界面剂提高了黏结劈拉强度。 减缩界面剂和膨胀界面剂是在减水界面剂的基础上分别 掺入了减缩剂和膨胀剂。 试验结果显示， 当试验龄期较短时( 7 、 2 8 d ) ， 使用膨胀界面剂的新老混凝土黏结劈拉强度最大 ， 减缩 界面剂次之。 膨胀界面剂的黏结劈拉强度高于减缩界面剂的黏 结劈拉强度 ， 7 、 2 8 、 6 0 、 9 0 d的强度分别较减缩界面剂提高 1 5 、 2 3 、 3 2 和 2 3 。 由于减缩剂通过降低混凝土毛细孔 溶液的表面张力达到降低毛细孔力的作用 ， 从而降低了混凝土 的干燥收缩和自收缩， 是纯粹的物理减缩作用， 而膨胀剂是通 过生成钙矾石和氢氧化钙等膨胀型晶体来补偿混凝土的收缩， 更有利于提高新老混凝土黏结面的劈拉强度。 3结语 ( 1 ) 碳化整体试件的2 8 d 劈拉强度较未碳化整体试件的强 度提高了 1 2 8 ， 碳化新老混凝土试件( C 0 N1 ) 的 2 8 d黏结劈 拉强度较未碳化新老混凝土试件( O N) 的强度提高了2 8 ， 混 上接第 5 2页 建委建筑科学研究院主编 钢筋混凝土结构研究报告选集 E 京： 中 国建筑工业出版社， 1 9 7 7 ： 2 1 3 6 2 滕志明钢筋混凝土基本 牛 ( 第二版) E 京： 清华大学出版社， 1 9 8 7 3 】胡晓鹏 早龄期混凝土结构J性能时变规律研究 D 西安： 西安建筑科 技大学 ， 2 0 1 1 【 3 】A N S Y S T h e r o r y R e f e r e n c e ， E l e c t r o n i c R e l e a s e ， S A S I P， I n c ， 1 9 9 8 4 1 ANS YS El e me n t Re f e r e n c e， E l e c t r o n i c Re l e a s e， S AS I P， I n c ， 1 9 98 5 1 A N S YS Mo d e l i n g a n d Me s h i n g R e f e r e n c e ， E l e c t r o n i c R e l e a s e ， S AS I P， 凝土碳化后， 除 自身强度增加外， 黏结强度也有所增加。 ( 2 ) 当养护龄期为7 、 2 8 d时， 本试验中的五种试件的黏结劈 拉强度由大至小依次为 C O N 5 、 C O N4 、 C O N1 、 C O N3 、 C O N 2 ； 龄 期为 6 0 、 9 0 d时， 黏结劈拉强度由大至小依次为 C O N1 、 C O N5 、 C ON4、 CON3、 C ON2 。 ( 3 ) 使用水泥净浆界面剂( 水灰比为 0 4 ) 的新老混凝土黏 结试件能够保证优良的黏结力学性能， 当试验龄期较长时( 大 于 4 0 d ) ， 使用该界面剂的新老混凝土黏结劈拉强度最大。 ( 4 ) 本试验使用的硅灰界面剂( 水灰比为 0 4 、 内掺水泥质 量 1 0 的硅灰) 的新老混凝土黏结劈拉强度最小 ， 由于界面剂 中硅灰的二次水化作用需要更长的时间， 该试验最长龄期仅为 9 0 d ， 故需要更长的龄期测试硅灰界面剂的黏结效果。 ( 5 ) 由于减水界面剂( 水灰比为 0 3 、 内掺水泥质量 1 0 的硅 灰， 外掺水泥质量 1 的减水剂) 的减水作用， 使用该界面剂的新 老 昆 凝土界面处的黏结劈拉强度好于使用硅灰界面剂的情况。 ( 6 ) 减缩界面剂( 水灰比为 0 3 、 内掺水泥质量 1 0 的硅灰 ， 外掺水泥质量 1 的减水剂和 2 的减缩剂 ) 和膨胀界面剂( 水 灰比为 0 3 、 硅灰和膨胀剂掺量均为内掺水泥质量的 1 0 ， 外掺 水泥质量 1 的减水剂 )均较减水界面剂提高了新老混凝土黏 结劈拉强度 ， 因两者减少混凝土收缩微裂缝的原理不同， 膨胀 界面剂的效果好于减缩界面剂。 参考文献 ： 1 】 袁群 ， 马峰， 曹洪亮， 等 具有防碳化作用界面剂的配制研究J 】 混凝 土 ， 2 0 1 1 ( 1 O ) ： 1 3 9 1 4 1 2 彭小芹， 刘艳萌， 林力勋界面剂对界面劈拉强度的影响I J I 沈阳建筑 大学学报， 2 0 0 6 ( 7 ) ： 5 9 6 5 9 9 3 I c h i r o A D A C HI ， S h i g e mi S A K O D A， T e r u o Y A HI R O A n e x p e ri m e n t a l s t u d y o f t h e t r e a t me n t of c o n s t r u c t i o n j o i n t s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s U S - i n g w a t e r i e t ， e t h o d J P R I C WJ T， 1 9 9 5 ( 4 ) ： 3 2 3 5 4 赵志方， 周厚贵， 袁群， 等 新老混凝土黏结机理研究与工程应用【 M】 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 3 5 D L T 5 1 5 O 一2 0 0 1 ， 水工混凝土试验规程 s E 京： 中国电力出版 社 ， 2 0 0 2 作者简介： 袁群( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 博士， 教授级高工， 研究方向： 混凝土结 构新材料的开发与应用。 联系地址： 河南省郑州市金水区纬五路 3 9 号 河南省水利科学研究 院 ( 4 5 0 0 1 4 ) 联 系电话 ： 1 5 0 3 7 1 2 1 1 1 7 I n c ， 1 9 9 8 6 AN S Y S B a s i c A n a l y s i s P r o c e d u r e s R e f e r e n c e ， E l e c t r o n i c R e l e a s e ， S A S I P， I n c ， 1 9 9 8 【 7 】 D B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 2 0 0 2 ( 2 ) 作者简介： 张永利( 1 9 7 5 一 ) ， 男， 博士研究生。 联系地址： 西安建筑科技大学土木工程学院( 7 1 0 0 5 5 ) 联 系电话 ： 0 2 9 8 2 2 0 7 8 9 4 上接第 5 5页 参考文献： 究 J J _水利发电学报， 2 0 0 4 1 】 冯乃谦 高性能混凝土结构 M 】 E 京： 机械工业出版社, 2 0 04 【 6 】N A R A Y A N A N R ， D A R WI S H I S F i b e r c o n c r e t e d e e p b e a m s i n s h e a r J 2 】 高丹盈， 等 纤维高强混凝土抗剪Jf生 能的试验研究 】 1 建筑结构学报， A C I S t ruc t u r a l J o u rna l M a r c h A p ri l ， 1 9 9 8 ： 1 4 1 1 4 9 2 0 0 4 2 5 ( 6 ) ： 8 8 9 2 3 1朱海堂， 等钢纤维高强混凝土抗拉强度试验研究叨河南科学， 2 0 0 2 ， 2 0 作者简介 ( 6 ) ： 6 5 3 6 5 5 4 1 G B 5 0 0 0 7 -2 0 0 2 ， 建筑地基基础设计规范 s 】 【 5 】 朱海堂， 高丹盈 ， 汤寄予 纤维高强混凝土抗剪性能影响因素的研 5 8 联 系地址 联 系电话 雷杰( 1 9 7 3 一 ) ， 男， 博士研究生， 高级工程师， 从事纤维混凝 土及水工结构设计和研究。 关 I、 l大学水利与环境学院( 4 3 8 0 5 2 ) 1 3 7 0 08 7 3 31 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m