混凝土結(jié)構(gòu)中植筋的有限元數(shù)值模擬分析

宋瑤 靳小壯 賈磊

0 引言

植筋技術(shù)是一項簡捷、有效的連接與錨固技術(shù)。它是在需連接的舊混凝土構(gòu)件上根據(jù)結(jié)構(gòu)受力情況,確定植筋鋼筋的數(shù)量、規(guī)格、位置,在舊構(gòu)件上經(jīng)過鉆孔、清孔、注入植筋粘結(jié)劑,再安放所需鋼筋,使鋼筋與混凝土通過粘結(jié)劑粘結(jié)在一起,然后澆筑新混凝土,從而完成新舊鋼筋混凝土的有效連接,達到共同作用、整體受力的目的[1]。已有研究資料及工程應(yīng)用實踐證明,植筋具有性能可靠、操作簡單、施工工期短的特點;另外,由于在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上植筋錨固不必再進行大量的開鑿?fù)诙?只需在植筋部位鉆孔后,利用植筋粘結(jié)劑作為鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)材料,以保證植筋鋼筋與混凝土的良好粘結(jié),從而減輕對原有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷,也減少了加固改造工程的工程量;其次,因為植筋粘結(jié)劑對鋼筋的粘結(jié)作用不是靠植筋鋼筋與基材的脹壓摩擦產(chǎn)生的力,而是利用粘結(jié)材料自身的粘結(jié)能力和一定的植筋深度,使植筋鋼筋與基材有效地粘結(jié)在一起,并使植筋鋼筋具有很強的拉拔力,從而保證了粘結(jié)強度[2]。因此,研究植筋技術(shù)對推動既有建筑物加固改造業(yè)的發(fā)展具有很大的現(xiàn)實意義及工程應(yīng)用價值。

1 植筋的工作機理及受力特點

1.1 植筋的工作機理

植筋工作機理如圖1所示,結(jié)構(gòu)連接荷載通過植筋鋼筋傳遞給植筋粘結(jié)劑,植筋粘結(jié)劑將荷載沿植筋長度方向傳遞給混凝土,這種傳力機理主要靠鋼筋與植筋粘結(jié)劑以及混凝土與植筋粘結(jié)劑之間的粘結(jié)作用來實現(xiàn),其粘結(jié)作用的大小主要取決于植筋粘結(jié)劑與混凝土、植筋粘結(jié)劑與植筋鋼筋之間接觸面上的充滿程度和浸潤程度。

1.2 植筋的受力特點

綜上所述,植筋的工作性能比一般的鋼筋混凝土工作性能更為復(fù)雜,因此,影響植筋工作性能的因素很多,如植筋粘結(jié)劑的粘結(jié)性能、混凝土基材的強度、植筋施工質(zhì)量、植筋鋼筋的深度及植筋的間距和邊距、植筋試件所處的使用環(huán)境等。此處將植筋問題簡化成一維問題考慮,簡化后的受力模型如圖2所示。

2 有限元計算模型的建立

本文以鋼筋混凝土柱內(nèi)植入鋼筋作為計算模型通過ANSYS有限元數(shù)值分析,模擬植筋鋼筋的受力和變形狀態(tài),重點研究在不同孔徑、不同植筋直徑時植筋鋼筋合理的植筋深度。

鋼筋混凝土選用加入了混凝土的三維強度準則和由彌散鋼筋單元組成的整體式鋼筋模型Solid65單元來模擬,植筋粘結(jié)劑選用Solid65單元模擬,植筋鋼筋選用Solid45單元來模擬,鋼筋混凝土與植筋粘結(jié)劑之間、植筋粘結(jié)劑與植筋鋼筋之間的結(jié)合面,利用目標單元Targe170和接觸單元Conta174來模擬。根據(jù)常用植筋鋼筋的不同直徑建立四種計算模型,其植筋鋼筋分別為Φ 12,Φ 16,Φ 20,Φ25。四種模型均采用混凝土等級為 C20的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),HRB335級植筋鋼筋,西安科技大學(xué)研制的無機植筋粘結(jié)劑。每種模型中,分別模擬在不同的植筋深度(6d,10d,15d)、不同的鉆孔孔徑下植筋拉拔力和粘結(jié)強度大小。

3 有限元計算結(jié)果及分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,不同直徑的植筋鋼筋在不同植筋長度和不同孔徑時有限元計算結(jié)果基本一致,此處僅以Φ 16植筋鋼筋為代表,分別分析不同植筋長度和不同孔徑時的有限元計算結(jié)果。

3.1 植筋鋼筋周圍混凝土的等效應(yīng)力云圖

植筋長度(L)越大,沿植筋鋼筋長度方向混凝土環(huán)向應(yīng)力的影響區(qū)域越小,在接近孔口處的應(yīng)力影響范圍也相應(yīng)減小。由分析可知,沿植筋鋼筋長度方向混凝土環(huán)向應(yīng)力的影響區(qū)域減小,說明沿植筋鋼筋長度方向混凝土環(huán)向應(yīng)力的影響區(qū)域是有限的,并非與植筋長度成正比,植筋鋼筋承受的外荷載只在一定范圍起作用,過長的植筋長度并不能提高植筋的拉拔力(見圖3)。

3.2 植筋鋼筋的應(yīng)力云圖

在孔口處植筋鋼筋應(yīng)力最大,沿植筋長度方向,其應(yīng)力依次遞減。結(jié)合前述可知,在接近孔口處植筋鋼筋應(yīng)力最大,沿植筋長度方向由外向內(nèi)應(yīng)力依次遞減;此外,植筋長度較小時,高應(yīng)力區(qū)較大,相反,植筋長度較大時,平均應(yīng)力比較低(見圖4)。

3.3 植筋長度對極限拉拔力及試件破壞特征的影響

當(dāng)植筋長度為6d時,混凝土破壞,植筋鋼筋未屈服;當(dāng)植筋長度為10d時,混凝土破壞,植筋鋼筋未屈服,但拉拔力較6d時有所增大;當(dāng)植筋長度為15d時,植筋鋼筋屈服的同時,混凝土也出現(xiàn)破壞。由此得出,當(dāng)植筋長度小于15d時,植筋拉拔力隨著植筋長度的增大而增大,當(dāng)植筋長度不小于15d時,植筋鋼筋屈服的同時,混凝土也出現(xiàn)破壞,即達到合理的植筋深度;其次,當(dāng)植筋鋼筋直徑越大時,其植筋拉拔力越大。

3.4 不同植筋孔徑時的有限元計算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果,不同植筋長度在不同植筋孔徑時的有限元計算結(jié)果基本一致,此處僅以Φ 16鋼筋,植筋深度10d為代表,分析在不同植筋孔徑時的有限元計算結(jié)果。

當(dāng)植筋鋼筋直徑不變時,植筋拉拔力隨著植筋孔徑的增大一定程度上會有所加大,但當(dāng)無限制增大植筋孔徑,其植筋拉拔力增大幅度不大。以Φ 16 HRB335級鋼筋,植筋長度 10d為例,當(dāng)植筋孔徑為 22 mm時,其拉拔力為40.2 kN;植筋孔徑增大為26 mm時,其拉拔力為45 kN;植筋孔徑為30 mm時,拉拔力為47.4 kN;植筋孔徑大于30 mm時,其承載力變化不大,約為51.8 kN。在實際工程中,由于植筋粘結(jié)劑彈性模量較小,孔徑的增大會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)體系滑移增大,且會增大鉆孔難度及植筋粘結(jié)劑用量,因此綜合考慮在長期荷載作用下植筋粘結(jié)劑徐變、經(jīng)濟性以及施工難度等因素,結(jié)合數(shù)值模擬研究結(jié)果,建議在拉拔力滿足設(shè)計要求的前提下,植筋孔徑的增大應(yīng)適可而止,建議取植筋孔徑為 d+(6～14)mm。

4 結(jié)語

1)沿植筋鋼筋長度方向混凝土環(huán)向應(yīng)力的影響區(qū)域是有限的,并非與植筋長度成正比,植筋鋼筋承受的外荷載只在一定范圍起作用,過長的植筋長度并不能提高植筋的拉拔力。2)植筋鋼筋應(yīng)力分布為接近孔口處正應(yīng)力最大,沿植筋深度方向由外向內(nèi)正應(yīng)力依次遞減。3)當(dāng)植筋深度達到15d時,植筋鋼筋屈服且混凝土發(fā)生破壞。建議工程中植筋長度不小于15d。4)植筋孔徑無限制的增大,對承載力的提高意義不大。建議植筋孔徑取 d+(6～14)mm。

[1]李惠強.建筑結(jié)構(gòu)診斷鑒定與加固修復(fù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.

[2]過鎮(zhèn)海.混凝土的強度和本構(gòu)關(guān)系[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[3]郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2005.