钢筋与混凝土粘结性能的数值模拟方法.pdf
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1、第 3 7卷第 4期 2 0 1 1年 8月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 钢筋与混凝土粘结性能的数值模拟方法 王 栋 , 牛荻涛 , 胡晓鹏 ( 1 同济大学土木工程学院, 上海2 0 0 0 9 2 ; 2 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: 钢筋与混凝土的粘结是这两种材料之间的一种复杂的相互作用 , 是两者共同工作的前提。本文概括了粘结性能的研 究现状, 并重点介绍目前国内外提出的主要数值模拟方法的基本理论、 各 自的优缺点及适用范围, 同时对各种数值模拟方法 进行了横向
2、比较, 指出了数值模拟存在的缺陷, 为准确模拟钢筋与混凝土之间的粘结作用提供了参考。 关键词: 粘结性能; 数值模拟; 有限元模型; 界面元模型 中图分类 - : T U 3 7 5 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 1 0 4 Nu m e r i c a l s i mul a t i o n me t h o d s O f b o n d be h a v i o r be t we e n s t e e l b a r s a n d c onc r e t e W ANG Do n g , NI U Di t a
3、o , HU Xi a o p e n g ( 1 C o l l e g e o f C MI E n g i n e e ri n g , T o n g j i U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 , C h i n a ; 2 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g , X i a n U n i v e rsi t y o f A r c h i t e c t u r e a n d T e c h n o l o g y , X i a n 7 1 0 0 5
4、 5 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e b o n d b e h a v i o r b e t w e e n s t e e l b a rs a n d c o n c r e t e i s a c o mp l e x i n t e r a c t i o n b e t we e n t h e t wo ma t e r i a l s and t h e p r e r e q u i s i t e f o r t h e m t o wo r k t o g e t h e r T h i s p a p e r s u mma
5、riz e d t h e r e s e a r c h s t a t u s o n b 0 n d beh a v i o r , a n d e mp h a s i s o n b asi c t h e o r y , me ri t s a n d d e me ri t s a n d a p p l i c a t i o n s c o p e o f t h e ma i n n u me ri c al s i mu l a t i o n me t h o d s i n t r o d u c e d a t h o me a n d a b r o a d a
6、n p r e s e n t , t h e d e fi c i e n c i e s o f t h e me t h o d s a re p o i n t ed o u t and a h o ri z o n t a l c o mp a r i s o n i s ma d e, i n o r d e r t o o ff e r r e f e r e n c e t o p r e c i s e s i mu l a t i o n o f b o n d b e h a vio r b e t w e e n s t e e l b a r s a n d c o
7、n c r e t e Ke y wo r d s : b o n d b e h a v i o r b e t w e e n s t e e l b a r s a n d c o n c r e t e ; n u me ri c a l s i mu l a t i o n me t h o d s ; fi n i t e e l e me n t mo d e l ; i n t e r f a c e s t r e s s e l e me n t mod e l 0 引 言 钢筋和混凝土构成一种组合材料的基本条件是 二者之间有可靠 的粘结和锚 固, 从 而保证在荷载作 用下
8、力能够在混凝土和钢筋的交界处实现传递, 这 样钢筋才能发挥承担弯矩的作用, 从而建立起结构 承载所必需的工作应力。钢筋与混凝土之间的粘结 作用是钢筋混凝土结构承受弯矩的前提, 是分析诸 如钢筋端部锚固粘结与裂缝间粘结的不同应力状态 等理论问题和混凝土构件各种性能的基础 , 因此, 对 粘结问题 的研究在理论和工程实践中都有十分重大 的意 义。 1 粘结力概述 1 1 粘结力的定义 在钢筋混凝土结构 中, 钢筋受力后将发生纵向 收稿 日期 : 2 0 1 0 1 1 - 0 5 作者简介 : 王栋( 1 9 8 4一) , 男 , 陕西 西安人 , 博士在读 , 主要从 事结 构耐久性及可靠性研
9、究。 Ema l l : wd o n g 1 9 8 4 0 4 2 6h o t ma i l c o m 变形趋势, 为保证变形协调共同工作, 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 凝土之间的粘结力。 1 2粘结力的组成 目前, 较公认的钢筋与混凝土之间的粘结力主 要由三部分组成: 1 ) 水泥胶凝体与钢筋表面的化学胶着力。化 学胶着力是混凝土中的水泥凝胶体与钢筋表面产生 的吸附胶着作用 , 并且随着相对滑动而消失。 2 ) 钢筋 与混凝 土接触 面间 的摩擦力 。摩擦力 是由于混凝土硬化收缩对钢筋产生的握裹挤压
10、作 用, 因此, 随着接触面摩擦系数的增大而增大。 3 ) 钢筋与混凝土之间的机械咬合力。机械咬 合力对于光面钢筋主要是由于表面的凹凸不平产生 的 , 对于变形钢筋 , 则主要是 由于两者的相互嵌套形 成。 对于光圆钢筋 , 在钢筋与混凝土发生相对 滑移 前, 粘结力主要表现为化学胶着力, 而发生滑移后, 则取决于摩擦力和由于钢筋表面凹凸不平产生的咬 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 合作用。对于变形 钢筋 , 虽然化学胶着力和机械摩 擦力也存在 , 但钢筋与混凝土之间的粘结则主要决 定于钢筋表面凸出肋与混凝土嵌套产生的咬合力 。 2数值模拟 为准确模拟钢筋与混凝土之间的粘结作用, 国 内外
11、提出了许多数值模拟方法, 目前采用最广泛 的 数值模拟方法有两种 : 有限元模拟和界面元模拟。 2 1有限元模拟 自2 O世纪 6 0年代美国学者把有限元引入钢筋 混凝土结构的分析以来, 有限元已经成为对混凝土 问题进行研究的一种典型的数值模型。 2 1 1 有限元分析模型 钢筋和混凝土粘结作用 的有 限元分析模型主要 有三种 : 1 ) 分离式 。分离式模型将 混凝土和钢筋 各 自 划分为足够小的单元, 分别计算混凝土单元和钢筋 单元的单元刚度矩阵, 然后集成整体刚度矩阵。分 离式模型对微观受力机理分析时优势明显, 可以考 虑到钢筋与混凝土之间的粘结滑移。该模型的缺点 是在钢筋量大且不规则时
12、, 刚度矩阵计算量大 , 且容 易出现应力集 中拉坏混凝土的现象 。 2 ) 组合式。组合式模型假定 钢筋和混凝 土两 种材料之间有可靠粘结, 采用了统一的位移模式。 选择单元时, 对于有筋区和无筋区分别采用带筋和 不带筋的实体单元 以缩小钢筋 区域 , 然后集成整体 刚度矩阵。组合式模型单元数量少 , 能宏观模拟钢 筋 混凝土结构构件的承载能力。该模型的缺点是当 钢筋布置不规则时, 单元刚度计算很麻烦 , 且无法模 拟钢筋与混凝土之间的滑移。 3 ) 整体式。整体式模型将钢筋混凝土视为均 质材料, 将钢筋弥散于混凝土中, 其作用在于改变混 凝 土材料的力学参数。整体式模型单元划分少 、 计
13、算量小 , 可适应复配筋 的情况。该模型 的缺点是当 钢筋分布不均匀时不能采用 , 且不易得到钢筋 内力 。 整体式模型不能反映钢筋混凝土这种非均质材料的 微观受力机理 。 由于整体式模型和组合式模型无法准确模拟钢 筋与混凝土的粘结滑移, 其假定对粘结滑移的微观 分析影响很大 , 对钢筋 与混凝土 的粘结滑移性 能的 研究常采用分离式模型。 2 1 2 粘结 单元 构件受到外力作用后, 钢筋和混凝土之间在相 互约束的同时会产生相对滑移。为模拟两者的粘结 约束和相对滑移, 常需加入粘结单元。粘结单元在 空间上有位置而无几何体积 , 便于插入于钢筋 与混 凝土之间。粘结单元能沿着与联结面垂直的方向
14、传 递压应力 , 也能沿着与联结面平行方向传递剪应力。 目前 , 提出的粘结单元主要有以下几种。 1 ) 弹簧单元。弹簧单元 是在钢筋 和 昆 凝 土之 间设置的一种特殊的单元, 如图 l ( a ) 所示。弹簧单 元由一组相互正交的2根( 平面问题) 或 3 根( 空间 问题) 弹簧组成, 如图 l ( b ) , ( c ) 所示, 平行钢筋长 度方向的弹簧模拟钢筋与混凝土的粘结滑移, 其他 方向弹簧模拟混凝土对钢筋 的挤压。这组弹簧具有 弹性刚度, 但没有实际尺寸, 可以设置在钢筋和混凝 土单元之间而不影响单元划分。弹簧单元形式简 单, 力学概念明确, 便于应用; 缺点是不能反映变形 钢
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