鐵路混凝土工程鋼筋機(jī)械連接螺紋接觸應(yīng)力分析

陳　強(qiáng)，谷　牧，鐘志強(qiáng)，徐先俊(.蒙西華中鐵路股份有限公司，北京　0007;.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京　0008;.安徽金星預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，安徽合肥　5)

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鐵路混凝土工程鋼筋機(jī)械連接螺紋接觸應(yīng)力分析

陳強(qiáng)1，谷牧2，鐘志強(qiáng)3，徐先俊3
(1.蒙西華中鐵路股份有限公司，北京100073;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道建筑研究所，北京100081;3.安徽金星預(yù)應(yīng)力工程技術(shù)有限公司，安徽合肥231135)

摘要:選取3種典型直徑(φ16，φ25，φ32)的鋼筋，每種鋼筋選取3種螺距，開(kāi)展了鋼筋直螺紋連接組件接觸有限元分析，系統(tǒng)地研究了直螺紋連接接頭組件的變形、螺牙尖角應(yīng)力及接觸應(yīng)力分布特征。結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)連接接頭長(zhǎng)度下，采用不同的螺距時(shí)，連接接頭組件的靜力受力性能均滿(mǎn)足鋼筋連接的強(qiáng)度及變形要求，但考慮到受力的均勻性、鋼筋幾何尺寸特點(diǎn)、加工難易程度及可行性，建議φ16，φ25，φ32鋼筋機(jī)械連接采用的螺距分別為2.0，2.5，3.0 mm;拉伸荷載作用下，螺牙接觸對(duì)均在一側(cè)密貼，另一側(cè)分離，螺牙接觸面分離量在首尾螺牙處最大;除首尾螺牙的尖角應(yīng)力較大外，其余螺牙的應(yīng)力迅速降低并較為均勻，即螺牙數(shù)目越多(螺距越小)，螺牙承受荷載的均勻程度越好，但加工越困難;連接組件的螺牙尖角應(yīng)力與鋼筋直徑、螺距大小有關(guān);螺牙接觸對(duì)的接觸點(diǎn)最大應(yīng)力在螺牙的尖角處，而向螺紋中徑則迅速衰減并穩(wěn)定，即螺紋連接組件的牙體荷載傳遞區(qū)域主要在中徑附近。

關(guān)鍵詞:機(jī)械連接接觸應(yīng)力螺距有限元分析

現(xiàn)澆混凝土施工中，綁扎法是粗鋼筋連接最為常見(jiàn)的方法之一，也是國(guó)內(nèi)外最早采用的傳統(tǒng)方法。該法具有施工簡(jiǎn)便、對(duì)工人的技術(shù)熟練程度要求低、不受氣候影響等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)存在浪費(fèi)鋼材、鋼筋偏心連接會(huì)產(chǎn)生附加剪應(yīng)力等缺點(diǎn)。為解決上述問(wèn)題，美國(guó)、日本、德國(guó)在20世紀(jì)70年代中期，研制出機(jī)械連接技術(shù)，如冷擠壓連接、錐螺紋連接、直螺紋連接等技術(shù)，并制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用在公路橋梁、地鐵、核電站、大跨度抗震結(jié)構(gòu)中。對(duì)粗鋼筋而言，機(jī)械連接技術(shù)已經(jīng)取代了傳統(tǒng)的焊接綁扎工藝，在公路橋梁、水壩等大型重點(diǎn)建筑工程中得到了廣泛應(yīng)用［1-2］。劉永頤等［3］在鋼筋機(jī)械連接技術(shù)規(guī)程編制方面所做的大量工作引領(lǐng)了中國(guó)機(jī)械連接方式的潮流。中國(guó)建科院結(jié)構(gòu)所［4］測(cè)試了套筒擠壓接頭的抗疲勞性能與套筒擠壓道次的關(guān)系，為套筒擠壓接頭應(yīng)用到動(dòng)載結(jié)構(gòu)作出了一定的鋪墊。邢懷念等［5］開(kāi)展了直螺紋套筒連接性能試驗(yàn)研究。對(duì)于錐螺紋連接技術(shù)，江蘇省建科院給出了一系列的螺紋牙距推薦值，并取得了良好的實(shí)際效益［6］。在眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者試驗(yàn)、研究成果的基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)相關(guān)部門(mén)組織編寫(xiě)了相應(yīng)的規(guī)范(或規(guī)定)，作為鋼筋機(jī)械連接技術(shù)應(yīng)用的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)［7-9］，極大地促進(jìn)了其應(yīng)用。

已有的研究文獻(xiàn)大多以試驗(yàn)性的探索為主，側(cè)重于連接接頭工藝改進(jìn)［10-11］，缺乏系統(tǒng)的理論及試驗(yàn)研究。近年來(lái)，由于鐵路工程的快速修建，對(duì)大量應(yīng)用的粗鋼筋均須采用機(jī)械連接技術(shù)以保證鋼筋連接的有效性和經(jīng)濟(jì)性。原鐵道部組織編寫(xiě)了《鐵路混凝土工程鋼筋機(jī)械連接技術(shù)暫行規(guī)定》［12］，并通過(guò)設(shè)立科研課題開(kāi)始系統(tǒng)地研究鐵路混凝土工程用鋼筋機(jī)械連接技術(shù)。本文基于“等強(qiáng)度連接”原則，采用常用的3種直徑的鋼筋，選定不同的螺距，對(duì)設(shè)計(jì)出的連接接頭開(kāi)展了理論研究，驗(yàn)證連接接頭設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，進(jìn)一步優(yōu)化合理的螺距規(guī)格，以促進(jìn)鋼筋機(jī)械連接技術(shù)在鐵路混凝土工程中的應(yīng)用。

1　鋼筋直螺紋連接接觸應(yīng)力分析有限元模型

鋼筋直螺紋連接是通過(guò)直螺紋連接接頭和鋼筋絲頭螺紋旋合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)連接的，屬于典型的接觸問(wèn)題。這種接觸使整個(gè)接頭構(gòu)件表現(xiàn)出一種與狀態(tài)相關(guān)的高度非線性行為，計(jì)算過(guò)程中需要較大的計(jì)算資源。接觸問(wèn)題分析存在2個(gè)難點(diǎn):①在求解問(wèn)題之前，接觸區(qū)域是未知的，表面之間是接觸還是分開(kāi)隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而變化;②大多的接觸問(wèn)題需要計(jì)算摩擦力，而摩擦力的非線性特性會(huì)使整個(gè)問(wèn)題求解的收斂變得非常困難。直螺紋連接接頭鋼筋絲頭螺紋與套筒的接觸面是一個(gè)空間螺旋曲面，其模型的建立十分復(fù)雜。由于螺紋的升角一般在2°30'左右，建模時(shí)可以忽略升角的影響。考慮到鋼筋本體、連接接頭和連接組件都是軸對(duì)稱(chēng)的，而且拉壓過(guò)程中外加荷載也是對(duì)稱(chēng)于其中心軸線的，假定套筒和鋼筋滾絲頭是標(biāo)準(zhǔn)的圓形，沒(méi)有橢圓度，因此力學(xué)分析模型可以作為軸對(duì)稱(chēng)問(wèn)題來(lái)處理。利用MIDAS-FEA中的靜接觸分析功能，主要采用平面四邊形單元、平面三角形單元模擬鋼筋及連接接頭本體，采用線接觸單元模擬螺牙之間的接觸，連接接頭及鋼筋的材料本構(gòu)模型均采用Von-Mises模型(屈服準(zhǔn)則)。詳細(xì)的接觸理論可參閱MIDAS理論有關(guān)手冊(cè)。需要說(shuō)明的是，本次接觸有限元分析的目的是優(yōu)選螺牙牙距及定性分析連接接頭的力學(xué)特性，主要關(guān)注鋼筋絲頭螺牙、連接接頭螺牙的受力分布，承擔(dān)荷載的比例，連接接頭組件的力學(xué)特性，接觸壓力及組件的變形特性。模型中不考慮螺紋預(yù)緊力，而對(duì)屈服后的連接接頭組件的受力及變形特性亦不作深入研究。鋼筋直徑及螺紋規(guī)格見(jiàn)表1。

表1　鋼筋直徑及螺紋規(guī)格

1.1連接接頭接觸力學(xué)分析模型尺寸

由于接觸分析的重點(diǎn)是螺牙，而三角形螺牙的螺距最大僅為3.5 mm，因此模型尺寸以鋼筋直徑為基準(zhǔn)，連接接頭壁厚取實(shí)際值，連接接頭以外的鋼筋長(zhǎng)度統(tǒng)一取80 mm。有限元模型尺寸見(jiàn)圖1。

圖1　有限元模型尺寸

1.2有限元模型說(shuō)明

對(duì)于同一種直徑的鋼筋連接接頭有限元模型而言，其幾何尺寸完全相同，而螺牙的數(shù)量、螺牙網(wǎng)格尺寸、接觸面的數(shù)量及鋼筋網(wǎng)格數(shù)量不同。為了便于提取計(jì)算結(jié)果，模型劃分時(shí)，將螺牙(三角形區(qū)域)映射網(wǎng)格均分為8等分，這意味著牙距不同時(shí)，網(wǎng)格尺寸略有不同。鋼筋上的螺牙與連接接頭上的螺牙接觸面均定義為接觸對(duì)。

模型材料主要有HRB335和45#優(yōu)質(zhì)碳素鋼2種。HRB335材料特性參數(shù):彈性模量為2.0×1011N/m2，泊松比為0.2，質(zhì)量密度為7.8×103kg/m3，材料本構(gòu)模型取Von-Mises模型，屈服強(qiáng)度f(wàn)skb=335 MPa。45#優(yōu)質(zhì)碳素鋼的材料特性參數(shù):彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.26，質(zhì)量密度為7.89×103kg/m3，屈服強(qiáng)度取值fsks= 355 MPa;接觸的截面非線性定義為剛性接觸(滑移但不允許穿透);接觸組的剛度比例因子取1.0，靜態(tài)摩擦系數(shù)取0.15。

根據(jù)求解問(wèn)題的特點(diǎn)，有限元計(jì)算邊界條件及加載方式見(jiàn)圖2，即鋼筋一端固定，鋼筋中心線豎向(Y向)約束?？紤]接觸滑移計(jì)算求解收斂性，假定套筒邊界豎向約束。荷載取鋼筋0.9fskb時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載，根據(jù)套筒受力凈面積換算成面荷載，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成線荷載。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，3種連接組件的線荷載集度均約為217 N/mm。

典型的有限元模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖2　有限元計(jì)算邊界條件及加載方式

圖3　典型的有限元模型網(wǎng)格劃分

2　直螺紋連接組件有限元計(jì)算結(jié)果及分析

2.1變形計(jì)算結(jié)果及分析

直螺紋連接組件變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2?？梢?jiàn)，在0.9倍鋼筋屈服應(yīng)力的荷載作用下，φ16的鋼筋連接接頭長(zhǎng)度范圍內(nèi)的X向(拉伸)變形為0.009 8～0.010 5 mm，平均應(yīng)變約為(245～263)×10－6;φ25的X向變形為0.011 3～0.018 5 mm，平均應(yīng)變約為(188～308)×10－6;φ32的X向變形為0.012 4～0.020 2 mm，平均應(yīng)變約為(165～269)×10－6?？傮w來(lái)說(shuō)隨著鋼筋直徑的增加，連接接頭的長(zhǎng)度增加，長(zhǎng)度范圍內(nèi)的變形也相應(yīng)增加。鋼筋直徑相同的條件下，由于連接接頭的長(zhǎng)度相同，長(zhǎng)度范圍內(nèi)的拉伸變形相差不大，與螺距大小的關(guān)系并不明顯。分析螺牙接觸面的分離距離可知，接頭范圍內(nèi)的首、尾螺牙接觸面的分離距離最大，而中間部分螺牙的分離距離較為均勻，且數(shù)值較首、尾螺牙迅速衰減，表明首、尾螺牙的受力最大。這與連接接頭試驗(yàn)過(guò)程中的斷裂現(xiàn)象基本吻合(試件斷裂位置為第1個(gè)螺紋處)。

表2　直螺紋連接組件變形計(jì)算結(jié)果

圖4為3種直徑鋼筋部分螺距時(shí)連接組件X向變形等值線云圖。

圖5為3種直徑鋼筋部分螺距時(shí)螺牙接觸面分離距離變化曲線。

圖4　3種直徑鋼筋部分螺距時(shí)連接組件X向變形等值線云圖

圖5　3種直徑鋼筋部分螺距時(shí)螺牙接觸面分離距離變化曲線

2.2機(jī)械連接組件應(yīng)力計(jì)算結(jié)果及分析

直螺紋連接組件最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3，試驗(yàn)荷載作用下連接組件應(yīng)力等值線云圖見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，在0.9倍鋼筋屈服應(yīng)力的荷載作用下，螺牙尖角的應(yīng)力分布很不均勻，由于受應(yīng)力集中的影響，首、尾螺牙尖角處的應(yīng)力最大，且大部分應(yīng)力值均超過(guò)了鋼筋及連接接頭材料的屈服應(yīng)力，而中間螺牙的尖角應(yīng)力則迅速降低，如φ16(P = 2.0 mm)，φ25(P = 2.5 mm)， φ32(P = 3.0 mm)的連接接頭除首尾螺紋以外的平均應(yīng)力分別約為195 MPa(套筒螺牙)、225 MPa(鋼筋螺牙)，210 MPa(套筒螺牙)、200 MPa(鋼筋螺牙)，120 MPa(套筒螺牙)、120 MPa(鋼筋螺牙)。這說(shuō)明首、尾螺紋的尖角處最先出現(xiàn)塑性變形，其他螺牙則近乎均勻地傳遞荷載。這種螺牙應(yīng)力的分布狀態(tài)較好地解釋了連接組件靜力及疲勞試驗(yàn)過(guò)程中斷裂失效為何總發(fā)生在第1圈螺紋處，與試驗(yàn)破壞特征基本吻合。

表3　直螺紋連接組件最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖6　試驗(yàn)荷載作用下連接組件應(yīng)力等值線云圖

2.3螺牙的接觸應(yīng)力分布特征分析

為了準(zhǔn)確掌握螺牙的應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向的分布特征以及螺牙接觸點(diǎn)壓力沿螺牙高度的變化特點(diǎn)，從有限元分析結(jié)果中提取了每一種鋼筋的3種螺紋規(guī)格的尖角應(yīng)力及接觸點(diǎn)壓力并繪制其變化曲線。仍以φ16(P = 2.0 mm)，φ25(P = 2.5 mm)，φ32(P = 3.0 mm)為例加以分析。

圖7(a)為φ16，P = 2.0 mm時(shí)螺牙尖角Mises應(yīng)力沿試件長(zhǎng)度方向的變化曲線?？梢?jiàn)，鋼筋螺牙尖角Mises應(yīng)力普遍高于套筒螺牙應(yīng)力，首尾2個(gè)螺牙的接觸點(diǎn)應(yīng)力均較大，鋼筋體和連接接頭上的螺牙尖角應(yīng)力分布均從兩邊向中間衰減，總體上較1.5 mm螺距的螺牙應(yīng)力略微平緩，尾螺牙尖角處Mises應(yīng)力小于套筒螺牙尖角應(yīng)力。圖7(b)為φ16，P = 2.0 mm時(shí)螺牙接觸點(diǎn)應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向的分布曲線，除首尾2個(gè)螺牙的接觸點(diǎn)應(yīng)力變化較為明顯外，其他的螺牙接觸點(diǎn)應(yīng)力分布均較均勻。

圖7　φ15，P = 2.0 mm時(shí)螺牙應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向分布曲線

圖8為φ25，P = 2.5 mm時(shí)螺牙應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向分布曲線?？梢?jiàn)螺牙尖角Mises應(yīng)力及接觸點(diǎn)應(yīng)力仍然具有首尾螺牙應(yīng)力較大、中間螺牙應(yīng)力較小的特點(diǎn)，首螺牙鋼筋體螺牙尖角應(yīng)力高于連接接頭螺牙尖角應(yīng)力，而尾螺牙處連接接頭螺牙尖角應(yīng)力大于鋼筋體螺牙尖角應(yīng)力，螺牙平均應(yīng)力約230 MPa;同一高度螺牙接觸點(diǎn)應(yīng)力變化則較為平緩，首尾螺牙的接觸點(diǎn)應(yīng)力稍大于中間螺牙接觸點(diǎn)應(yīng)力，尾螺牙的應(yīng)力普遍高于首螺牙應(yīng)力。

圖9為φ32 mm，P = 3.0 mm時(shí)螺牙應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向分布曲線?？梢?jiàn)鋼筋體首螺牙尖角應(yīng)力最大，約303.74 MPa，而后迅速減小并基本保持在約110 MPa。套筒首螺牙的應(yīng)力較小，約為85 MPa，并逐漸增大，至尾螺牙處尖角應(yīng)力約為155.57 MPa。首螺牙處鋼筋應(yīng)力大于連接接頭應(yīng)力，尾螺牙處連接接頭應(yīng)力高于鋼筋體應(yīng)力。而對(duì)于同一高度而言，首螺牙的接觸點(diǎn)應(yīng)力較大，而后迅速減小，其余螺牙的接觸點(diǎn)應(yīng)力基本上較為均勻，螺牙的荷載傳遞效果良好。

圖8　φ25，P = 2.5 mm時(shí)螺牙應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向分布曲線

圖9　φ32，P = 3.0 mm時(shí)螺牙應(yīng)力沿鋼筋長(zhǎng)度方向分布曲線

圖10為φ16(P = 2.0 mm)，φ25(P = 2.5 mm)，φ32(P = 3.0 mm)3種連接接頭螺牙接觸點(diǎn)應(yīng)力沿高度方向的分布曲線?？芍孜矁蓚€(gè)螺牙的接觸點(diǎn)應(yīng)力變化較為明顯外，其他的螺牙接觸點(diǎn)應(yīng)力分布較為均勻，但總體上仍然有從尖角向螺牙中徑變小的趨勢(shì)，中徑70%螺牙高度范圍內(nèi)應(yīng)力相對(duì)較為均勻，表明中徑范圍螺牙承擔(dān)主要的荷載傳遞功能，螺牙承擔(dān)荷載的效果良好。

圖10　3種連接接頭螺牙接觸點(diǎn)應(yīng)力沿高度方向分布曲線

3　主要結(jié)論

通過(guò)φ16(P = 1.5，2.0，2.5 mm)，φ25(P = 2.5，3.0，3.5 mm)，φ32(P = 2.5，3.0，3.5 mm)連接接頭組件的接觸有限元分析，系統(tǒng)地研究了直螺紋連接接頭組件的變形、螺牙尖角Mises應(yīng)力及接觸點(diǎn)應(yīng)力分布特征。主要結(jié)論如下:

1)不論采用何種螺距，所設(shè)計(jì)的連接接頭組件的靜力受力性能均能滿(mǎn)足鋼筋連接的強(qiáng)度及變形要求，但從受力的均勻性、鋼筋幾何尺寸特點(diǎn)、加工難易程度及可行性而言，建議φ16，φ25，φ32鋼筋機(jī)械連接采用的螺距分別為2.0，2.5，3.0 mm。

2)拉伸荷載作用下，螺牙接觸對(duì)均在一側(cè)密貼，另一側(cè)產(chǎn)生分離;螺牙接觸面分離距離均在首尾螺牙處最大。

3)除了首尾螺牙的尖角Mises應(yīng)力較大外，其他螺牙的應(yīng)力水平迅速降低，螺牙數(shù)目越多(即螺距越小)，螺牙承受荷載的均勻程度越好，但加工越困難;不同直徑、不同螺距連接組件的螺牙尖角Mises應(yīng)力水平不同。

4)螺牙接觸對(duì)的接觸點(diǎn)最大應(yīng)力在螺牙高度的尖角處，向螺紋中徑范圍內(nèi)迅速衰減并穩(wěn)定，螺紋連接組件的牙體荷載傳遞區(qū)域主要在中徑附近。

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(責(zé)任審編李付軍)

Analysis of Thread Contact Stress in Rebar Mechanical Connection in Railway Concrete Engineering

CHEN Qiang1，GU Mu2，ZHONG Zhiqiang3，XU Xianjun3

(1.Mengxi－Huazhong Railway Co.，Ltd.，Beijing 100073，China;2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;3.Anhui Jinxing Prestressed Engineering Technology Co.，Ltd.，Hefei Anhui 231135，China)

Abstract:T he contact FEM analysis was carried out with three types of rebar diameter(φ16，φ25，φ32)and three types of thread pitch for each rebar diameter，and deformation，stress of screw tooth cusp and contact stress distribution were researched in detail.Results show that with designed mechanical connection length and different thread pitch，static performance of all the rebar mechanical connection assembles meets the deformation and strength requirements of code.T he proposed thread pitches of rebar with diameters of φ16，φ25 and φ32 are 2.0，2.5，3.0 mm based on comprehensive consideration of stress uniformity，geometry dimension of rebar，process difficulty and feasibility.W ith the stretching load，contact pairs are closed at one side and separated at other side.T he maximum amount of separation existed at the first thread and last thread.Stresses of middle threads decreased rapidly and tend to uniformity except larger stresses of the first and last thread sharp angle.Uniformity of thread load transference become better with more threads(smaller thread pitch)，but process becomes more difficult.Stress level of thread sharp angle is related to rebar diameter and thread pitch.T he maximum contact stress is located at thread sharp angle，decreases rapidly to the direction of thread mean diameter and tend to uniformity，it means that the load transferring part of thread is mainly mean diameter range.

Key words:M echanical connection;Contact stress;T hread pitch;FEM(Finite Element M ethod)

作者簡(jiǎn)介:陳強(qiáng)(1972—)，男，教授級(jí)高工，工學(xué)博士。

基金項(xiàng)目:南廣鐵路公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃(南廣合201107號(hào))

收稿日期:2015-12-22;修回日期:2016-01-29

文章編號(hào):1003-1995(2016)03-0150-07

中圖分類(lèi)號(hào):TU511.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.36