鋼筋套筒灌漿連接技術有限元分析①

陳 洪， 張竹芳

(1.同濟大學建筑工程系;上海 200092;2.福州港口管理局，福建 福州 35000)

鋼筋套筒灌漿連接技術自發(fā)明以來已有40余年的歷史.作為預制混凝土結構關鍵技術之一，20世紀60年代首次應用于38層高的阿拉莫阿納酒店預制柱中，開創(chuàng)了柱續(xù)接的剛性接頭[1].隨后日本TTK公司經過改良，長度變短，在日本獲得認證并推廣至其他地區(qū)[2].1983年美國混凝土協(xié)會ACI在報告中將鋼筋套筒灌漿連接技術列入鋼筋連接主要技術之一[3].近年來，我國內地逐步引入該技術，一些相關的技術和標準正在制定中[4，5].

鋼筋套筒灌漿連接技術的原理是通過鑄造的中空型套筒，鋼筋從兩端插入套筒內部，不進行搭接或融接，鋼筋與套筒間灌注高強度微膨脹灌漿料.其連接機理主要是借助砂漿微膨脹特性加強套筒對其的圍束作用，使灌漿料與鋼筋、套筒內側間的正向作用力得到增強，連接的鋼筋通過該正向力與粗糙表面產生摩擦力，來傳遞鋼筋應力.

關于套筒灌漿連接的單向拉伸承載力已進行了不少試驗研究[6～9]，但由于試驗不確定因素較多，離散性大，另外，通過有限元數(shù)值分析可以研究套筒灌漿連接在各種作用下的受力性能，拓展模型試驗研究的成果.所以為進一步研究鋼筋套筒灌漿連接的破壞機理，有必要進行有限元數(shù)值分析.

1 數(shù)值模型

1.1 材料參數(shù)

本文在同濟大學吳小寶試驗[9]的基礎上建立有限元模型.計算模型中共包含有灌漿料、套筒和鋼筋三種材料，其材料參數(shù)取值如下所述.

1.1.1 灌漿料

截至目前，關于灌漿料的應力應變關系尚無成熟的理論模型，因此在本文的有限元分析中，借用混凝土的本構模型來建立灌漿料的本構模型.灌漿料軸心抗壓強度fc取0.76倍灌漿料棱柱體抗壓強度試驗值，混凝土的抗拉強度采用文獻[10]的公式計算:

混凝土泊松比取為0.2.混凝土的受壓應力應變曲線按規(guī)范[11]下列公式確定:

當x≤1時

當x＞1時

式中αa，αd——單軸受壓應力－應變曲線上升段、下降段的參數(shù)值，按規(guī)范[11]取值.f*c—灌漿料的單軸抗壓強度，取灌漿料棱柱體抗壓強度;

灌漿料抗拉本構關系采用雙線性模型，開裂前為線彈性，抗拉與抗壓彈性模量相等;開裂后采用線性軟化模型，軟化模量根據(jù)斷裂能準則計算，如圖2所示.

根據(jù) Model Code1990[12]，混凝土的斷裂能計算方法為:

式中，fc為灌漿料的抗壓強度，取值同上;對于灌漿料，粒徑較小，取 α =0.02.

圖1 混凝土單軸受拉應力應變曲線

圖2 混凝土受拉軟化模型

圖3 套筒灌漿連接模型

1.1.2 鋼 筋

試驗[9]中采用的是具有明顯流幅的軟鋼，因此在本文的有限元分析中，鋼材的本構關系采用理想化的三折線模型.其中的彈性模量Es、屈服強度fy、屈服平臺長度Δεy及極限強度fu根據(jù)材性試驗確定，泊松比ν取為0.3.

1.1.3 套 筒

套筒材料采用理想的彈塑性模型，根據(jù)規(guī)范[13]，屈服強度取370MPa，彈性模量取2.1×105MPa.

圖4 直徑14mm鋼筋連接試件荷載－變形曲線的有限元模擬結果

1.2 單元類型

灌漿料及鋼筋均采用C3D8R單元，該單元對位移的求解有比較精確的結果，而且當網(wǎng)格存在扭曲變形時，分析精度不會受到大的影響.套筒采用S4R單元(4節(jié)點四邊形有限膜應變線性減縮積分殼單元)，其性能穩(wěn)定，使用范圍很廣.

1.3 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS進行有限元分析.ABAQUS軟件是國際上公認的最先進的大型通用非線性有限元軟件之一，可以用來分析復雜的固體力學、結構力學系統(tǒng)，以及處理非常龐大復雜的問題和模擬高度非線性問題[14].根據(jù)標準[4]，套筒形成接頭的抗拉強度和變形性能應符合JGJ 107中Ⅰ級接頭的規(guī)定.因此一般情況下，要求套筒連接中滑移量較小，發(fā)生的破壞為鋼筋拉斷破壞.在本文的有限元分析中假設其連接中各部件粘結良好，不考慮滑移的影響.套筒和灌漿料以及灌漿料和套筒之間均采用接觸Tie綁定(Tie)在一起.各個部件按實際尺寸建模，并分別賦予材性試驗中確定的材料性質[9]，采用結構化的網(wǎng)格劃分方式，如圖3所示.

圖5 直徑16mm鋼筋連接試件荷載－變形曲線的有限元模擬結果

2 數(shù)值模擬結果與分析

2.1 承載力

將有限元分析所得的結果與試驗結果[9]做對比，如表1所示.表中Py′和Pu′分別表示有限元分析得到的屈服荷載和極限荷載，Py是試驗得到的屈服荷載結果，P為按鋼筋拉斷時的強度計算的理論承載力.由表可知，除H400－14以外(由于材料的離散性及偏心可能造成試件H400－14中的鋼筋強度低于材性試驗中的數(shù)據(jù)，與其他組數(shù)據(jù)相比，誤差較大)，數(shù)值模擬得到的屈服荷載與試驗結果十分接近，最大誤差為3%，平均誤差1%，變異系數(shù)為0.0210.由于沒有考慮粘結滑移的影響，有限元分析得到的峰值荷載均為鋼筋拉斷時的荷載，同理論計算值相比，最大誤差為3%，平均誤差為1%，變異系數(shù)為0.0164.因此，如果套筒接頭滿足JGJ 107中Ⅰ級接頭的規(guī)定，則按本文的分析方法能夠提供符合精度要求的承載力結果.

圖6 直徑20mm鋼筋連接試件荷載－變形曲線的有限元模擬結果

表1 有限元分析結果與試驗結果的對比

圖7 直徑22mm鋼筋連接試件荷載－變形曲線的有限元模擬結果

2.2 荷載變形曲線

圖4至圖7為各試件荷載變形曲線有限元結果與試驗結果的對比.由圖可知，各試件受拉荷載－變形曲線形狀模擬結果與試驗曲線基本相同.在鋼筋屈服之前，有限元曲線與試驗曲線基本重合;鋼筋屈服之后，由于鋼筋本構關系采用的是理想化的三折線模型，強化段為一條直線，而實際鋼材的強化段為一條上凸的曲線，因此，在鋼筋進入強化階段后，有限元荷載變形曲線與試驗曲線稍有差異，不過仍基本相符.在承載力后期，由于有限元結果為鋼筋拉斷，而試驗為鋼筋拔出破壞，兩條曲線才逐漸偏離.所以，若套筒接頭發(fā)生的破壞模式為鋼筋拉斷，則有限元分析能很好地模擬其在單調荷載作用下的變形性能.

2.3 套筒受力情況

典型的套筒應力分布如圖8所示，最大應力出現(xiàn)在套筒中部.在整個受力階段，套筒應力最大值未超過370MPa，處于彈性狀態(tài).故滿足標準[4]規(guī)定的套筒在連接受力時是安全的.

圖8 套筒應力分布圖

3 結論

基于通用有限元分析軟件ABAQUS，采用三維實體模型對鋼筋套筒灌漿連接的單調拉伸試驗進行了數(shù)值模擬，得到以下結論:

(1)在數(shù)值模擬中，可參照混凝土的本構模型確定灌漿料的本構模型;

(2)若套筒連接滿足JGJ107中Ⅰ級接頭的規(guī)定，則在有限元分析中可不考慮鋼筋與灌漿料的粘結滑移作用，得到的承載力及變形結果與實際基本相符，可滿足工程要求;

(3)套筒在連接受力過程中，處于彈性階段，滿足安全要求;

(4)數(shù)值模擬結果與試驗吻合良好，說明所建立的有限元模型正確，可以用于進一步參數(shù)分析和機理研究.

[1]Precast/Prestressed Concrete Institute.New Precast Prestressed System Saves Money in Hawaii Hotel[J].PCI Journal，1973，18(3):10－13.

[2]NMB Splice－ sleeve Systems Historical Events[EB/OL].http://www.splicesleeve.com/history.html.

[3]ACI Committee 439.Mechanical Connections of Reinforcement Bars[R].1983:24－35.

[4]鋼筋連接用灌漿套筒(征求意見稿)[S].2011.

[5]鋼筋套筒連接用灌漿料(征求意見稿)[S].2011.

[6]EINEA A，YAMANE T，TADROS M K.Grout－ filled Pipe Splices for Precast Concrete Construction[J].PCI Journal，1995，40(1):82－93.

[7]LING J H，ABD RAHMANAB，MIRASA AK，et al.Performance of CS－sleeve under Direct Tensile Load:Part1:Failure Modes[J].Malaysian Journal of Civil Engineering，2008，20(1):89－106.

[8]GOH H M.Parametric Study of Steel Grouted Splice Sleeve with Integrated Double Springs under Axial Tension[D].Johore Johor Bahru:Universiti Teknologi Malaysia，2009:1－68.

[9]吳小寶.鋼筋套筒灌漿連接受力性能研究[D]上海:同濟大學，2013.

[10]過鎮(zhèn)海.鋼筋混凝土原理.北京:清華大學出版社，1999.

[11]中華人民共和國建設部.混凝土結構設計規(guī)范 GB50010－2002[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[12]CEB－FIP.Model Code 1990.Concrete Structure.Lausanne，1993.

[13]中華人民共和國家標準.GB/T1348－2009球墨鑄鐵件[S].北京:中國標準出版社，2009.

[14]江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結構有限元分析[M].北京:清華大學出版社，2005.