摩擦系數(shù)對鋼筋混凝土界面粘結(jié)滑移的影響

陳厚飛 周斌 沈遠(yuǎn)戈

摘要：鋼筋混凝土兩者之間的粘結(jié)滑移關(guān)系比較復(fù)雜，中外學(xué)者做了大量試驗研究，得出了兩者粘結(jié)—滑移本構(gòu)關(guān)系的經(jīng)驗公式。本文通過選用構(gòu)件的粘結(jié)滑移模型及合適的材料單元模型，建立三維有限元分析模型，改變鋼筋混凝土間摩擦系數(shù)，利用ANSYS進(jìn)行全過程的模擬分析，得出了摩擦系數(shù)對鋼筋混凝土界面粘結(jié)滑移的影響。

關(guān)鍵詞：摩擦系數(shù)；鋼筋混凝土；粘結(jié)滑移；ANSYS

The effect of Friction coefficient on reinforced concrete interface bond-slip

Abstract：It is complex between Reinforced concrete bond-slip，Chinese and foreign scholars made a lot of experiments，they got the empirical formula. In this paper，through selecting proper material constitutive relationship and bond-slip model，3-D finite element analysis model is established，Change the friction coefficient，and simulate analysis in all process，finally got the effect of Friction coefficient on reinforced concrete interface bond-slip.

Key words：friction coefficient；reinforced concrete；bond-slip；ANSYS

1前言

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種具有不同物理力學(xué)性質(zhì)的材料組合而成的，二者的性能互補(bǔ)，是迄今結(jié)構(gòu)工程中應(yīng)用最成功、最廣泛的組合材料。自上世紀(jì)六十年代以來，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能是許多學(xué)者一直致力于研究的熱點課題[1]。本文以鋼筋混凝土圓柱的粘結(jié)模擬作為模擬試驗，通過試驗所確定的鋼筋與混凝土的基本力學(xué)性能指標(biāo)，采用彈性接觸問題有限元法，按空間軸對稱方法來解決鋼筋與混凝土的相互作用，引入無厚度接觸面計算模型，得到鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布情況，改變不同摩擦系數(shù)值對鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移量的模擬圖，以及得到的摩擦系數(shù)與不同應(yīng)力的曲線圖

2鋼筋混凝土粘結(jié)滑移性能

鋼筋和混凝土構(gòu)成一種組合結(jié)構(gòu)材料的基本條件是二者之間有可靠的粘結(jié)和錨固?？紤]鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移問題，對其結(jié)構(gòu)應(yīng)用在房屋建筑工程，橋梁和交通工程，水利和海港工程，地下工程，特殊工程等，具有重要意義提高結(jié)構(gòu)的抗震性能及使用壽命。鋼筋混凝土之間具有足夠的粘結(jié)作用時，鋼筋才不會被拔出，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力或抗滑移力主要由三部分組成：膠著力，摩阻力，咬合力[2]。其中摩阻力是混凝土收縮握裹鋼筋而產(chǎn)生的阻滑作用力。由于混凝土凝固時收縮，包裹鋼筋的混凝土將壓緊鋼筋，對鋼筋產(chǎn)生垂直于摩擦面的壓應(yīng)力。這種壓應(yīng)力越大，接觸面的粗糙程度越大，鋼筋與混凝土之間的摩阻力就越大。它取決于混凝土發(fā)生收縮或者荷載和反力等對鋼筋的徑向壓應(yīng)力，以及二者間的摩擦系數(shù)等?？梢?，粘結(jié)作用的實質(zhì)是鋼筋通過它將部分拉力傳遞給混凝土，使二者共同受力，達(dá)到提高鋼筋混凝土構(gòu)件強(qiáng)度的目的。而研究發(fā)現(xiàn)影響粘結(jié)性能的主要因素有：鋼筋的直徑和表面形狀、混凝土強(qiáng)度和組成成分、保護(hù)層厚度以及鋼筋的埋長、橫向鋼筋、構(gòu)件受力狀態(tài)。鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)問題可以歸納為錨固粘結(jié)如圖1（a）和裂縫間的局部粘結(jié)如圖1（b）兩種類型[1][2]。

3鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移的有限元模擬

考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移時，通常在鋼筋和混凝土的相應(yīng)結(jié)點之間設(shè)置聯(lián)結(jié)單元，常用的單元形式有界面單元和彈簧單元。平面問題中界面單元是一種退化的四邊形單元，寬度為零，可以方便地放置于混凝土單元和鋼筋單元之間而不影響其單元劃分，而且可以建立更為協(xié)調(diào)的關(guān)系。然而，聯(lián)結(jié)單元的存在是基于兩種材料的接觸面上存在相對滑移這一假設(shè)的，而實際上“ 滑移”是一種綜合現(xiàn)象，是鋼筋周圍的混凝土中內(nèi)部裂縫形成和發(fā)展的結(jié)果，因而聯(lián)結(jié)單元只能近似反映鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移關(guān)系。彈簧單元模型形式現(xiàn)在也應(yīng)用在鋼筋與混凝土粘結(jié)滑移的求解中[3]。本文單元形式采用有界面單元，在進(jìn)行有限元分析時如何合理離散化結(jié)構(gòu)對結(jié)果計算精度起到至關(guān)重要的作用。鋼筋混凝土有限元模型按鋼筋模擬方法的不同，可分為分離式、組合式和整體式三種模型[4]。本文采用分離式模型，同時考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移，建立三維空間模型。

本文利用ANSYS軟件，改變摩擦系數(shù)模擬鋼筋混凝土粘結(jié)滑移，文中的鋼筋選用光圓鋼棒?；贏NSYS的鋼筋混凝土—光圓鋼棒粘結(jié)滑移的分析步驟：

（1）以交互方式進(jìn)入ANSYS的GUI界面；

（2）定義單元類型，實常數(shù)，材料屬性；

（3）定義相關(guān)標(biāo)量參數(shù)，建立初始整體模型

4基于ANSYS鋼筋混凝土粘結(jié)滑移的數(shù)值模擬

4.1模型幾何尺寸

外層混凝土半徑：=0.05m，長度=1m；鋼筋半徑：=0.01m，長度 =2m；混凝土圓柱孔半徑：=0.008，長度=1m

4.2基于ANSYS的混凝土和鋼筋單元選取和模型建立

1. 鋼筋單元

鋼筋均采用BRICK 6NODE Solid185單元[7]，采用雙線性隨動強(qiáng)化模型（BKIN），屈服準(zhǔn)則為Mises準(zhǔn)則。彈性模量為 MPa，泊松比為0.3。

2. 混凝土單元

混凝土材料采用Solid65單元[7]，彈性模量為MPa，泊松比為0.2。

3. 建立模型

4.3改變摩擦系數(shù)對鋼筋混凝土粘結(jié)—滑移的模擬

在不同的摩擦系數(shù)下對鋼筋混凝土粘結(jié)滑移不同應(yīng)力的影響見表1

5結(jié)語

本文采用有限元分析程序ANSYS軟件對鋼筋混凝土的粘結(jié)滑移進(jìn)行了仿真模擬，取不同的摩擦系數(shù)值，通過選取合適的粘結(jié)曲線，得到鋼筋與混凝土界面粘結(jié)滑移的簡單規(guī)律：由各數(shù)據(jù)關(guān)系圖及對應(yīng)各應(yīng)力圖可以看出，在過盈量r取值一定的情況下，摩擦系數(shù)越大，Mises應(yīng)力值的變化出現(xiàn)起伏，鋼筋混凝土的接觸應(yīng)力變化的整體趨勢是變大的，鋼筋與混凝土之間的摩擦應(yīng)力也越大，滑移量也逐漸減小。也通過得到的受拉鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力在各個方面的應(yīng)力值，表明縱向的粘結(jié)應(yīng)力是影響鋼筋與混凝土粘結(jié)的主要因素，這與實際是相符的。為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的配筋問題提供理論依據(jù)，更好的研究鋼筋混凝土粘結(jié)滑移關(guān)系。隨著高強(qiáng)混凝土的應(yīng)用愈來愈普遍，而對高強(qiáng)混凝土與鋼筋之間共同作用的特性尚未進(jìn)行全面的研究，其粘結(jié)滑移關(guān)系式仍待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉佩璽，徐永清，劉福勝.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移分析在ANSYS中的實現(xiàn)[J].山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）. 2007，38（1）：125-130

[2]鄭曉燕，吳勝興. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系建立方法的研究[J].四川建筑科學(xué)研究.2006，32（1）：18-21

[3]林新志.考慮粘結(jié)滑移的組合式單元模型研究與應(yīng)用[D].南京：河海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005.

[4]牟曉光，王清湘，司炳君. 鋼筋與混凝土粘結(jié)試驗及有限元模擬[J].計算力學(xué)學(xué)報.2007，24（3）：379-384

作者簡介：

[1]陳厚飛；浙江省工業(yè)設(shè)計研究院；工程師；1984.10.

[2]周斌，1986.01，臺州市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院；工程師。

[3]沈遠(yuǎn)戈，1984.03，山東省建筑設(shè)計研究院；工程師。