Please wait a minute...
浙江大学学报(工学版)
浙江大学学报(工学版)  2023, Vol. 57 Issue (4): 814-823    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2023.04.019
交通工程、土木工程     
钢筋套筒灌浆连接拉伸性能的精细有限元分析
鲍佳文1,2(),高强3,唐林4,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 310058
3. 沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168
4. 上海宝冶集团有限公司，上海 201900
Refined finite element analysis of tensile property of grout sleeve splicing of rebars
Jia-wen BAO1,2(),Qiang GAO3,Lin TANG4,Wei-jian ZHAO1,2,*()
1. College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
2. Center for Balance Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
3. School of Civil Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China
4. Shanghai Baoye Group Corporation, Shanghai 201900, China
 全文: PDF(3279 KB)   HTML
摘要：

为了揭示钢筋套筒灌浆连接接头的细观工作机理和内部灌浆料的开裂、破坏过程，利用DIANA 10.3有限元软件建立接头试件的肋尺度精细化有限元模型，研究轴向拉伸荷载下接头的连接性能. 结果表明，利用该模型能够准确地反映接头试件的破坏模式、极限承载力、荷载-位移曲线及钢筋和套筒的轴向应变分布规律；钢筋锚固区灌浆料中的圆锥状裂缝与接头轴向呈35°~45°夹角分布；灌浆键的剪切破坏会导致钢筋的机械咬合作用失效，造成套筒有效约束面内移；布置在钢筋自由端的套筒肋无法充分发挥对灌浆料的止推作用；纯灌浆段无法形成锥面斜压杆应力传递机制.
关键词： 钢筋套筒灌浆连接;  全灌浆套筒;  精细有限元模型;  有限元分析;  应变分布;  裂缝开展    
Abstract:

The rib-scale refined finite element (FE) model of the spliced specimen was established by using the FE software DIANA 10.3 to analyze the connection performance under the uniaxial tensile load in order to reveal the micro-working mechanism of the grouted sleeve connection, as well as the cracking development and failure mechanism of the inner grout material. Results show that the refined FE models can reflect the failure modes, the ultimate capacities, the load-displacement relationship, the strain distribution of the spliced bar and the sleeve. The captured cracks are conical cracks in the rebar anchorage zone, which are distributed at an angle between 35°~45° with the axial of the sleeve. The shear failure of the grout keys leads to the failure of rebar interlocking, resulting in the inward transfer of the effective confining surface of the sleeve. The sleeve rib, arranged at the free end of the anchored bar, cannot fulfill its resistant effect on the grout. The stress transfer mechanism with conical-compressive struts is not formed in the pure grouted zone.
Key words: grouted sleeve connection    whole grout sleeve    refined finite element model    finite element analysis    strain distribution    crack propagation
收稿日期: 2022-04-06 出版日期: 2023-04-21
CLC:  TU 317  
基金资助: 中央大学基础研究基金资助项目（2020QNA4029）；浙江大学平衡建筑研究中心资助项目
通讯作者: 赵唯坚     E-mail: 21912040@zju.edu.cn;zhaoweijian@zju.edu.cn
作者简介: 鲍佳文（1995—），男，硕士生，从事装配式混凝土结构的研究. orcid.org/0000-0001-5388-9753. E-mail： 21912040@zju.edu.cn
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
作者相关文章　　
鲍佳文
高强
唐林
赵唯坚

引用本文:

鲍佳文,高强,唐林,赵唯坚. 钢筋套筒灌浆连接拉伸性能的精细有限元分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2023, 57(4): 814-823.

Jia-wen BAO,Qiang GAO,Lin TANG,Wei-jian ZHAO. Refined finite element analysis of tensile property of grout sleeve splicing of rebars. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2023, 57(4): 814-823.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2023.04.019    或    https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2023/V57/I4/814

编号 钢筋 灌浆套筒 破坏模式
d/mm la/mm ls/mm N dr/mm ds/mm ts/mm
A1 25 100 380 5 25 43 4 拔出破坏
A2 25 150 380 5 25 43 4 拉断破坏
B1 25 125 430 5 30 43 4 拔出破坏
B2 25 175 430 5 30 43 4 拉断破坏
C1 25 150 480 6 30 43 4 拔出破坏
C2 25 200 480 6 30 43 4 拉断破坏
表 1  接头试件的几何参数
图 1  接头试件的几何构造
类别 Es/MPa fy/MPa fu/MPa A/%
钢筋-I 2.00×105 435 585 22.3
钢筋-II 2.00×105 435 625 26.4
套筒 2.06×105 390 505 21.0
表 2  钢筋和套筒的材料性能参数
图 2  应变片的布置
图 3  位移计布置及加载装置
图 4  套筒材料的本构曲线
图 5  钢筋材料的本构曲线
参数 数值
弹性模量Ec 23 GPa
泊松比ν 0.2
抗压强度fcm 80.2 MPa
抗拉强度ftm 4 MPa
断裂能Gf 0.161 N/mm
表 3  灌浆料的本构模型参数
图 6  灌浆料受压本构曲线
图 7  灌浆料的受拉本构曲线
图 8  模型边界条件及网格划分
试件 $P_{\rm{u}}^{'} $/kN $P_{\rm{u}}^{'} $/Pu δ′/mm δ′/δ 破坏模式
A1 233.16 1.03 7.61 1.23 拔出破坏（√）
A2 241.55 0.99 10.94 0.78 拉断破坏（√）
B1 241.09 0.99 11.98 0.96 拔出破坏（√）
B2 241.30 0.98 10.22 0.74 拉断破坏（√）
C1 241.74 0.98 11.66 1.03 拉断破坏（×）
C2 256.57 0.97 12.46 0.76 拉断破坏（√）
表 4  接头试件的有限元分析结果与试验结果的对比
图 9  试件破坏时的钢筋Von Mises应变云图
图 10  荷载-位移曲线模拟结果与试验结果对比
图 11  钢筋轴向应变分布的模拟结果与试验结果对比
图 12  套筒轴向应变分布的模拟结果与试验结果对比
图 13  钢筋机械咬合作用的示意图
图 14  灌浆料的开裂形态
图 15  A1试件灌浆料的主拉应变云图
图 16  A2试件灌浆料的主拉应变云图
图 17  灌浆套筒径向约束的隔离体示意图
图 18  套筒环向应变分布
1 中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢筋套筒灌浆连接应用技术规程: JGJ355-2015 [S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2015.
2 ZHENG Y, GUO Z, LIU J, et al Performance and confining mechanism of grouted deformed pipe splice under tensile load[J]. Advances in Structural Engineering, 2016, 19 (1): 86- 103
3 HAYASHI Y, SHIMIZU R, NAKATSUKA T, et al Bond stress-slip characteristics of reinforcing bars in grout-filled coupling steel sleeves[J]. Journal of Structural and Construction Engineering: Transactions of Architectural Institute of Japan, 1994, 59 (462): 131- 139
doi: 10.3130/aijs.59.131_3
4 HAYASHI Y, SHIMIZU R, NAKATSUKA T, et al Mechanical characteristics of grout-filled coupling sleeves of electric resistance welded steel tube under uniaxial tensile loads[J]. Concrete Research and Technology, 1994, 5 (2): 65- 75
5 罗小勇, 龙昊, 曹琨鹏 灌浆套筒连接装配式梁柱节点精细有限元模型[J]. 哈尔滨工程大学学报, 2021, 42 (5): 641- 648
LUO Xiao-yong, LONG Hao, CAO Kun-peng High-precision finite element model of prefabricated reinforced concrete beam-column joint with grout sleeve[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2021, 42 (5): 641- 648
6 YANG C, ZHANG L, ZHANG Z, et al Effective stress-strain relationship for grouted sleeve connection: modeling and experimental verification[J]. Engineering Structures, 2020, 210: 110300
7 王宁, 车文鹏, 武立伟, 等 新型12mm钢筋灌浆套筒连接力学性能试验研究及有限元分析[J]. 工业建筑, 2019, 49 (4): 81- 87
WANG Ning, CHE Wen-peng, WU Li-wei, et al Experimental research and finite element analysis of the mechanical properties of 12 millimeter steel bar grouting sleeve connection[J]. Industrial Construction, 2019, 49 (4): 81- 87
8 ELIYA H, MORCOUS G Non-proprietary bar splice sleeve for precast concrete construction[J]. Engineering Structures, 2015, 83: 154- 162
9 LIU C, PAN L, LIU H, et al Experimental and numerical investigation on mechanical properties of grouted-sleeve splices[J]. Construction and Building Materials, 2020, 260: 120441
doi: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120441
10 郑永峰, 郭正兴 变形灌浆套筒连接性能试验研究及有限元分析[J]. 建筑结构学报, 2016, 37 (3): 94- 102
ZHENG Yong-feng, GUO Zheng-xing Experimental study and finite element analysis on behavior of deformed grout-filled pipe splice[J]. Journal of Building Structures, 2016, 37 (3): 94- 102
11 赵军, 杜彦兵, 朱万旭, 等 灌浆套筒连接构件的有限元分析[J]. 混凝土, 2019, (10): 150- 154
ZHAO Jun, DU Yan-bing, ZHU Wan-xu, et al Finite element analysis of grouting coupler connection member[J]. Concrete, 2019, (10): 150- 154
12 赵军, 刘佳, 王飞程, 等 装配式新型灌浆套筒接头设计及有限元分析[J]. 三峡大学学报: 自然科学版, 2021, 43 (6): 56- 62
ZHAO Jun, LIU Jia, WANG Fei-cheng, et al Design and finite element analysis of assembled grouted deformed pipe splice[J]. Journal of China Three Gorges University: Natural Sciences, 2021, 43 (6): 56- 62
13 WU M, LIU H, DU X Effect of tapered head sleeve structural parameters on grouting connection joints deformation[J]. Journal of Materials in Civil Engineering, 2020, 32 (5): 4020083
doi: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0003174
14 LING J H, LIEW Y F, LEONG W K, et al Modelling the response of tapered head sleeve connection under tensile load using finite element method[J]. Asian Journal of Civil Engineering, 2017, 18 (5): 837- 852
15 张彬. 基于钢筋套筒灌浆料连接数值模拟及分析 [D]. 西安: 长安大学, 2017.
ZHANG Bin. Numerical simulation and analysis on the connection of grout sleeve splicing for rebars [D]. Xi’an: Chang’an University, 2017.
16 孙泽阳, 孙运楼, 郑忆, 等 考虑表面肋参数的钢-连续纤维复合筋与灌浆套筒界面性能研究[J]. 中国公路学报, 2022, 35 (2): 269- 278
SUN Ze-yang, SUN Yun-lou, ZHENG Yi, et al Study on bond performance between steel-FRP (fiber reinforced polymer) composite bars and grouted sleeves considering influence of surface ribs[J]. China Journal of Highway and Transport, 2022, 35 (2): 269- 278
17 唐林. 单向拉伸荷载下新型套筒灌浆连接长度试验研究 [D]. 沈阳: 沈阳建筑大学, 2017.
TANG Lin. Experimental study on the anchorage length of a new-type grouted pipe splice under incremental tensile load [D]. Shenyang: Shenyang Jianzhu University, 2017.
18 国家质量技术监督局. 水泥胶砂强度检验方法: GB/T 17671—1999 [S]. 北京: 国家质量技术监督局, 1999.
19 YUN X, GARDNER L Stress-strain curves for hot-rolled steels[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2017, 133: 36- 46
20 DIANA FEA BV. User’s manual-release 10.3-material library [EB/OL]. 2019-03-01. https://dianafea.com/manuals/d102/Diana.html.
21 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局. 钢筋混凝土用钢第2部分: 热轧带肋钢筋 (ISO 6935-2 : 2015): GB/T 1499.2-2018 [S]. 北京: 中国标准出版社, 2018.
22 DIANA FEA BV. User's manual-release 10.3-element library[EB/OL]. 2019-03-01. https://dianafea.com/manuals/d102/Diana.html.
23 高强, 赵唯坚 单向拉伸荷载下堆焊成型套筒灌浆连接性能试验研究[J]. 建筑结构学报, 2020, 43 (4): 208- 219
GAO Qiang, ZHAO Wei-jian Experimental study on connection performance of grouted welded sleeve under uniaxial tensile load[J]. Journal of Building Structures, 2020, 43 (4): 208- 219
24 林红威, 赵羽习 变形钢筋与混凝土黏结性能研究综述[J]. 建筑结构学报, 2019, 40 (1): 11- 27
LIN Hong-wei, ZHAO Yu-xi Bond behavior between concrete and deformed steel bar: a review[J]. Journal of Building Structures, 2019, 40 (1): 11- 27
[1] 陈廷国,郭召迪. 具有杆间扭转约束的轴心压杆稳定性研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2023, 57(3): 598-605.
[2] 刘彩霞,潘亭亭,孙一帆,李帅,刘平,黄英. 用于康复训练的分段式气动软体驱动器[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(6): 1127-1134.
[3] 张朝,黄正东,熊仲明,原晓露,许有俊,康佳旺. 地裂缝环境下钢筋混凝土框架结构的地震响应[J]. 浙江大学学报(工学版), 2022, 56(10): 2028-2036.
[4] 王洁,李钊,李子然. 全钢载重子午线轮胎胎面磨耗行为研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(9): 1615-1624.
[5] 王威,赵昊田,权超超,宋鸿来,李昱,周毅香. 墙趾可更换竖波钢板剪力墙抗剪承载力[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(8): 1407-1418.
[6] 曾星宇,李俊阳,王家序,唐挺,李聪. 基于有限元法的谐波双圆弧齿廓设计和修形[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(8): 1548-1557.
[7] 黄铭枫,魏歆蕊,叶何凯,叶建云,楼文娟. 大跨越钢管塔双平臂抱杆的风致响应[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(7): 1351-1360.
[8] 蒋君侠,廖海鹏. 重载智能堆垛装备刚度建模与结构优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(10): 1948-1959.
[9] 沈国辉,包玉南,郭勇,宋刚,王轶文. 输电线顺线路方向风荷载及分配模式[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1658-1665.
[10] 楼恺俊,俞峰,夏唐代,马健. 黏土中地下连续墙支护结构的稳定性分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(9): 1697-1705.
[11] 张征,张豪,柴灏,吴化平,姜少飞. 变刚度多稳态复合材料结构设计与性能分析[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(7): 1341-1346.
[12] 陈勇,李泳全,谢重磊,钱匡亮,张叶胜,程鹏允,叶轩佐. 钢管束剪力墙约束下砌体结构推覆试验研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(3): 499-511.
[13] 王立国,邵旭东,曹君辉,陈玉宝,何广,王洋. 基于超短栓钉的钢-超薄UHPC组合桥面性能[J]. 浙江大学学报(工学版), 2020, 54(10): 2027-2037.
[14] 童水光,苗嘉智,童哲铭,何顺,相曙锋,帅向辉. 内燃叉车车架静动特性有限元分析及优化[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(9): 1637-1646.
[15] 何绍衡,夏唐代,李连祥,于丙琪,刘泽勇. 地下水渗流对悬挂式止水帷幕基坑变形影响[J]. 浙江大学学报(工学版), 2019, 53(4): 713-723.