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浙江大学学报(工学版)  2023, Vol. 57 Issue (8): 1573-1584    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2023.08.010
土木工程、交通工程     
基于肋尺度精细化建模的机械锚固钢筋拉拔性能模拟
王玲茂1(),赵唯坚1,2,*()
1. 浙江大学 建筑工程学院,浙江 杭州 310058
2. 浙江大学 平衡建筑研究中心,浙江 杭州 310028
Simulation on pullout behavior of mechanical anchorage reinforcing bars based on refined rib-scale modeling
Ling-mao WANG1(),Wei-jian ZHAO1,2,*()
1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2. Center for Balance Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310028, China
 全文: PDF(6006 KB)   HTML
摘要:

为了揭示钢筋的机械锚固与黏结锚固共同工作的机理,减小锚具大小和锚固长度,基于变形钢筋的黏结力主要来自机械咬合作用,提出一种肋尺度精细化建模方法. 采用DIANA 10.4有限元(FE)软件分别对机械锚固、黏结锚固以及两者共同工作的3种钢筋拔出试验进行数值仿真分析. 结果表明:弯钩基本属于黏结锚固机制,钢筋肋间混凝土齿键的剪切破坏导致黏结失效;机械锚固为局部承压机制,锚固板下混凝土处于三轴受压状态,局部压应力超过单轴抗压强度3倍以上. 当机械锚固和黏结段共存时,由于钢筋和锚头的位置关系,锚固区将发生加载初期以黏结锚固为主到加载后期两者共同工作的应力重分布,荷载分担比例主要取决于黏结段长度和荷载水平. 在无须假定黏结滑移关系的情况下,肋尺度模型能够较好地反映锚固钢筋的宏观力学响应和细观工作机理.

关键词: 机械锚固黏结肋尺度精细化模型有限元模拟拔出试验    
Abstract:

To reveal the combining mechanism of mechanical anchorage and bond, and to reduce the anchorage size and length, a refined rib-scale modeling approach was proposed based on the fact that the bond of deformed bars mainly comes from the mechanical interaction. Based on the finite element (FE) software DIANA 10.4, numerical simulations of three kinds of reinforcement pullout tests, where mechanical anchorage worked alone, bond worked alone and the two worked together, were carried out, respectively. Results show that the bond mechanism dominates the failure of hooked bar, which is caused by the shear failure of concrete keys between reinforcement ribs. The mechanical anchorage is controlled by local bearing mechanism, where the concrete beneath the anchor plate is under triaxial compression and the local compressive stress is more than three times of the uniaxial compressive strength. When mechanical anchorage and bond coexist, due to the position relationship between the reinforcement and anchor head, the bond plays a major role at the initial stage of loading, and with the increasing applied load, stress redistribution will occur in the anchorage zone where the mechanical anchorage and bond work together at the later stage. The load distribution ratio is mainly depended on the bond length and load level. Without assuming the bond-slip relationship, the macro-mechanical response and microscopic working mechanism of anchored bars can be well reflected by the rib-scale model.

Key words: mechanical anchorage    bond    refined rib-scale model    finite element simulation    pullout test
收稿日期: 2022-08-23 出版日期: 2023-08-31
CLC:  TU 317.1  
基金资助: 国家自然科学基金资助项目(51879230)
通讯作者: 赵唯坚     E-mail: 22012275@zju.edu.cn;zhaoweijian@zju.edu.cn
作者简介: 王玲茂(1998—),女,硕士生,从事装配式结构研究. orcid.org/0000-0002-8762-7193. E-mail: 22012275@zju.edu.cn
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王玲茂
赵唯坚

引用本文:

王玲茂,赵唯坚. 基于肋尺度精细化建模的机械锚固钢筋拉拔性能模拟[J]. 浙江大学学报(工学版), 2023, 57(8): 1573-1584.

Ling-mao WANG,Wei-jian ZHAO. Simulation on pullout behavior of mechanical anchorage reinforcing bars based on refined rib-scale modeling. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2023, 57(8): 1573-1584.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2023.08.010        https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2023/V57/I8/1573

图 1  摩擦焊接锚固板钢筋
图 2  带锚固板钢筋拔出试件的几何尺寸
工况 锚固板 钢筋
形状 d/mm t/mm D/mm
1 圆形 65 19 32
2 圆形 70 22 32
3 圆形 70 26 32
表 1  带锚固板钢筋拔出试件的详细参数
工况 E/GPa ν fyfyk)/MPa fufuk)/MPa
1 191 0.3 384(345) 605(490)
2 191 0.3 431(390) 653(560)
3 191 0.3 529(490) 714(620)
表 2  钢筋的材料性能参数(A组)
图 3  带锚固板钢筋拔出试验加载装置
图 4  U形弯钩钢筋拔出试件的几何尺寸
图 5  冷挤压套管钢筋
图 6  冷挤压套管钢筋拔出试件的几何尺寸
图 7  带锚固板钢筋拔出试验的有限元模型(A组)
图 8  弯钩钢筋肋的几何形状示意图
图 9  钢筋与混凝土接触面连接特性示意图
图 10  U形弯钩钢筋拔出试验的有限元模型(B组)
图 11  冷挤压套管钢筋拔出试验的有限元模型(C组-无黏结)
图 12  冷挤压套管钢筋拔出试验的有限元模型(C组-有黏结)
分组 工况 Ec/GPa ν fcm/MPa fctm/MPa Gf/(N·mm?1)
A组 1 29.4 0.2 32.4 2.52 0.137
2 29.1 0.2 32.1 2.50 0.137
3 30.1 0.2 33.2 2.58 0.137
B组 ? 31.8 0.2 35.0 2.70 0.138
C组 ? 41.9 0.2 46.1 3.40 0.145
表 3  混凝土的材料性能参数
图 13  钢筋应力-位移曲线(A组)
图 14  混凝土的主压应力(A组)
图 15  混凝土的变形(A组)
图 16  带锚固板钢筋的Mises应力(A组)
图 17  钢筋应力-位移曲线(B组)
图 18  黏结区域混凝土主拉应变(B组)
图 19  混凝土主压应变(B组)
图 20  钢筋应力-位移曲线(C组)
图 21  钢筋应力-应变曲线(C组-情况2:有黏结)
图 22  钢筋轴向应变分布(C组-情况2:有黏结)
图 23  锚固区荷载分担比例的演化过程
图 24  混凝土主拉应变(C组)
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