PEC預(yù)埋錨固槽鋼拉拔承載力有限元分析①

許 笛， 劉祖華， 袁苗苗

(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092)

隨著我國(guó)建筑業(yè)的發(fā)展，預(yù)埋件在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較為普遍.我國(guó)應(yīng)用較廣的是鋼板與錨筋焊接的預(yù)埋件[1]，然而對(duì)于錨固槽鋼我國(guó)并未有專門(mén)的規(guī)范設(shè)計(jì).錨固槽鋼作為預(yù)埋件在國(guó)外應(yīng)用較廣，并有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范[2].德國(guó)PEC錨固槽鋼產(chǎn)品作為一種預(yù)埋件，可以對(duì)各種建筑部件進(jìn)行固定.槽式預(yù)埋槽鋼在國(guó)外廣泛應(yīng)用于幕墻、橋面排水系統(tǒng)等的固定，近年來(lái)我國(guó)也有人做了相關(guān)研究[3～4].本文所介紹 PEC－TU 特殊預(yù)埋槽鋼由于其受力特點(diǎn)與應(yīng)用范圍，不同于傳統(tǒng)的預(yù)埋件，目前關(guān)于這種錨固槽鋼的拉拔性能研究較少.本文主要對(duì)TU－D型號(hào)的錨固槽鋼進(jìn)行拉拔加載試驗(yàn)，利用大型通用有限元程序ansys對(duì)預(yù)埋件試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以了解錨固槽鋼在混凝土中的拉拔錨固性能.

1 工程背景

PEC－TU特殊錨固槽鋼與傳統(tǒng)預(yù)埋件不同，其沒(méi)有錨筋，只通過(guò)埋于混凝土中的鋼板翼緣與混凝土作用來(lái)承受較小的荷載，主要應(yīng)用于輕型建筑部件的固定.在國(guó)外應(yīng)用較廣，如彩鋼板的固定，屋面板的固定等，其用自攻螺釘連接.在槽鋼埋于混凝土的一側(cè)內(nèi)填有泡沫填充物，避免了自攻螺釘與混凝土的接觸，便于施工安裝.

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

混凝土塊尺寸為340mm×200mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，強(qiáng)度等級(jí)為C25.槽鋼型號(hào)為T(mén)U－分別埋置于混凝土塊的澆筑側(cè)面與底面，試驗(yàn)選取三個(gè)位于澆筑側(cè)面的TU－D型槽鋼進(jìn)行單邊拉拔加載.

圖1 加載示意圖

2.2 加載方法

本次試驗(yàn)加載，通過(guò)螺紋傳動(dòng)，用一根M12螺桿對(duì)槽鋼一端的一個(gè)螺孔進(jìn)行拉拔.拉拔力的反力通過(guò)鋼梁分散到鋼臺(tái)座上兩個(gè)支承點(diǎn).圖1為加載示意圖.

2.3 測(cè)量方法

作用于錨固槽鋼的拉拔力，由安裝在螺桿上的測(cè)力傳感器得到[5](見(jiàn)圖2).

圖2 拉拔加載圖

圖3 單邊加載破壞情況

加載時(shí)用位移傳感器測(cè)量槽鋼表面拉拔位移，以此代表錨固槽鋼的拉拔位移.同時(shí)觀察混凝土塊的受力變形情況和混凝土塊的開(kāi)裂、破壞形式.

3 試驗(yàn)有限元模擬分析

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 材料的選用

利用ansys軟件進(jìn)行建模，模型由兩部分組成:由鋼材組成的預(yù)埋槽鋼和混凝土組成的外部結(jié)構(gòu).

對(duì)于建筑用鋼材來(lái)說(shuō)，常用的強(qiáng)化本構(gòu)模型有三種:各向同性強(qiáng)化模型，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化模型以及混合強(qiáng)化模型.本文試驗(yàn)研究為靜力單向加載，采用各向同性強(qiáng)化模型.用solid45單元進(jìn)行模擬，其本構(gòu)關(guān)系采用理想雙線性彈塑性模型，屈服強(qiáng)度取為235MPa，彈性模量為2.06 ×105MPa.

混凝土采用solid65單元模擬，在ansys中，solid65是專為混凝土、巖石等抗壓能力遠(yuǎn)大于抗拉能力的非均勻材料開(kāi)發(fā)的單元.Solid65采用的是William－Warnke五參數(shù)強(qiáng)度模型，通過(guò)材料特性表可以定義9個(gè)參數(shù):1)張開(kāi)裂縫的剪切傳遞系數(shù);2)閉合裂縫的剪切傳遞系數(shù);3)抗拉強(qiáng)度;4)單軸抗壓強(qiáng)度;5)雙軸抗壓強(qiáng)度;6)靜水壓力;7)在上述靜水壓力卞的單軸抗強(qiáng)度;8)在上述靜水壓力下的雙軸抗壓強(qiáng)度;9)材料拉裂后的應(yīng)力釋放系數(shù).考慮本實(shí)驗(yàn)混凝土受力情況與有限元計(jì)算收斂，參數(shù)4取為－1，即不考慮混凝土壓潰.在ansys中利用多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(KINH)來(lái)表達(dá)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，本文采用德國(guó)Rüsch建議的應(yīng)力－應(yīng)變曲線，用公式表示為:

3.1.2 邊界條件的確定

試驗(yàn)中，試件是平放在鋼臺(tái)座上，采用自平衡的方式均勻加載.有限元模型把地面作為剛性平面，并對(duì)混凝土塊模型上表面和側(cè)表面施加位移約束，這樣邊界條件與試驗(yàn)一致.

3.1.3 接觸類型選擇

模擬分析沒(méi)有考慮混凝土與鋼材之間的粘結(jié)應(yīng)力，不同部件接觸部位設(shè)置接觸對(duì)，采用面面接觸[6].

3.1.4 荷載的施加

文中分析的模型由于面面接觸問(wèn)題，屬于高度接觸非線性，以及混凝土材料的非線性，為加強(qiáng)收斂，荷載施加采用較多的荷載子步，并打開(kāi)自動(dòng)時(shí)間步長(zhǎng)，以較合理的時(shí)間代價(jià)得到精確解.分析給模型施加一個(gè)略大的荷載，模擬計(jì)算不收斂，倒數(shù)第二子步荷載即為所求極限荷載.

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與有限元分析

拉拔試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1，試件均為混凝土受拉破壞，槽鋼無(wú)明顯變形.取一個(gè)槽鋼試驗(yàn)說(shuō)明試驗(yàn)現(xiàn)象:

正式加載至約7kN時(shí)，沿著槽鋼端部邊緣混凝土出現(xiàn)裂縫，隨之裂縫迅速延伸，直至混凝土塊邊緣，混凝土塊達(dá)到破壞，并在混凝土塊端側(cè)面出現(xiàn)橫向裂縫.試件破壞后的情況見(jiàn)圖3.螺孔，而槽鋼另一端埋于混凝土中基本無(wú)位移.圖6圖7分別為槽鋼與混凝土塊的Mises應(yīng)力云圖.

表1 拉拔試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖4 模型變形云圖

圖5 槽鋼變形云圖

有限元分析得到的極限荷載比實(shí)際試驗(yàn)得到的荷載略小，可能原因較多，如實(shí)際試驗(yàn)混凝土強(qiáng)度略強(qiáng)于C25，混凝土的隨機(jī)性，試驗(yàn)邊界條件等等.另外，由于槽鋼錨腳處的混凝土單元較小，可能產(chǎn)生應(yīng)力集中而造成模型提前破壞.

圖7 混凝土塊應(yīng)力云圖

有限元模擬和試驗(yàn)測(cè)得的荷載－位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖8，其中虛線為有限元數(shù)值模擬曲線，實(shí)線為三組試驗(yàn)結(jié)果，可見(jiàn)有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近.

圖8 有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6 槽鋼應(yīng)力云圖

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)有限元模型求解結(jié)果，可以查看不同階段的模型位移、應(yīng)力等云圖，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更直觀的分析.圖4為模型整體在拉力作用下的變形情況，可以看出混凝土塊的位移變形與實(shí)際混凝土產(chǎn)生的裂縫形狀位置(見(jiàn)圖3)基本一致.圖5為槽鋼自身的變形情況，最大變形發(fā)生在施加拉拔荷載的

根據(jù)試驗(yàn)提供的條件建立有限元模型，利用ansys對(duì)預(yù)埋槽鋼的抗拉承載力進(jìn)行了分析.在抗拉承載力分析中發(fā)現(xiàn)，由于錨固槽鋼并無(wú)焊接或直接沖壓成的錨腿，槽鋼與混凝土之間相互作用較小，其所能承受的拉拔力較小.在整個(gè)受力過(guò)程中，槽鋼和混凝土變形較小，直到混凝土塊達(dá)到破壞.試塊破壞形式為混凝土受拉破壞，槽鋼未進(jìn)入塑性，沒(méi)有造成明顯變形.通過(guò)對(duì)比荷載－位移曲線，發(fā)現(xiàn)有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)論基本一致.

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB 50010－－2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[2]CEN/TS 1992－4－3:2009.Design of Fastenings for Use in Concrete－ Part 4－3:Anchor Channels[S].European Standards，CEN，2009.

[3]徐淑美，周德源，畢大勇.預(yù)埋式槽型錨軌拉拔性能的試驗(yàn)研究[J].結(jié)構(gòu)工程師，2010，26(5):111－116.

[4]畢大勇.德國(guó)哈芬錨軌拉拔錨固性能的試驗(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2009.

[5]姚振剛，劉祖華.建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2008.

[6]馬臣杰，鐘玉柏，許璇.幕墻預(yù)埋件承載力非線性有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2011，41(2):94－96.