钢筋混凝土界面脱粘的有限元计算.pdf

第2 5 卷第3 期 2 0 0 8 年 9月 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) J o f HUS T( Ur b a n S c i e n c e E d i t i o n) Vo1 2 5 NO 3 S e p 2 0 0 8 钢筋混凝土界面脱粘的有限元计算 陈艳华 ，冯蕾蕾 ，代兆立 2 ，陈鸿雁 ( 1 河北理工 大学 建筑工程学 院，河北 唐 山 0 6 3 0 0 9 ；2 中国石油冀东油 田公司 ，河北 唐 山 0 6 3 2 0 0 ； 3 中石油辽河油田勘探开发研究院，辽宁 盘锦 1 2 4 0 1 0 ) 摘要：在不同加载方式下 ， 通 过 A DI N A 中 P a r a s o l i d和 N a t i v e 组合 建模 方法 ，建立 了钢筋 混凝 土界面脱粘 研究的三维有限元模型 。通过模型 参数 选择 ，实现 了对锚 固深度 、 保护层厚度 等因素的综合考虑 。依据计 算结果，探讨了锚固深度、保护层厚度、加载方式、钢筋和混凝土摩擦等对钢筋混凝土界面脱粘的影响。并 通过进一步分析，提出 了混凝土保护层厚度与钢筋直径 比、钢 筋锚固长度与直径 比等 的最优值 ，并针对荷载 作用方式和加载频率 ，提 出了工程防护建议 。 关键 词：钢筋混凝土；脱粘；循环荷载 ；界面 ；AD I NA 中图分类号：T U3 7 5 文献标 示码 ： 文章编号： 1 6 7 2 7 0 3 7 ( 2 0 0 8 ) 0 3 0 0 5 3 0 4 等幅和 变幅循环荷载 是实际工程 中的重要 荷载作用形式。然而循环荷载作用下的钢筋混凝 土构件，因其受力方式不同于一般的静载及单调 荷载作用 ，界面粘结强度及延性受到影响，改变 了整体结构的稳定性。所以对整个循环加载过程 中界面特性进行研究显得极为重要 。良好的界面 粘结力是钢筋和混凝土这两种物理一力学性能完 全不 同的材料能够正常工作 的必备条件。在外加 荷载作用下，钢筋与混凝土之间可能发生相对滑 移及界面脱粘现象 J 。 有关钢筋和混凝土粘结性能的研究有很多， 如从试验研究入手 ，建立钢筋与混凝土粘结的经 验型或半理论型本构关系式【 2 胡】 ， 直接影响着钢筋 与混凝土粘结耐久性的研 。 目前 ，随着计算 机技术的进步及其在工程领域的广泛应用 ，钢筋 混凝土界面粘结的有限元分析方法得到了迅速发 展 。 本文通过 ADI NA中 P a r a s o l i d和 Na t i v e组合 建模方法，建立了钢筋混凝土界面脱粘研 究的三 维有限元模型，并对循环加载方式下的界面脱粘 进行计算和分析。 1 三维 有限元模型建立 1 1 几何模型及荷载作用方式 采用剪切筒模型，将钢筋与混凝土简化为与 钢筋混凝土棱柱体尺寸相当的简体 。混凝土体采 用A DI NA的P a r a s o l i d 建模方式， 并通过A DI NA- M 下的布尔操作 ， 得到图1 所示三维几何模型。 对模 型中混凝土的底部实行全约束 ，钢筋 自由。施加 如图2 所示的循环荷载方式 。 图 21 l 7 4 R 1 0 萼 7 3 1 钢筋混凝土构件几何模 型 ( a ) 方案 1 收稿 日期 ：2 0 0 8 0 5 1 8 作者简介：陈艳 华 ( 1 9 7 2 一 ) ，女 ，山东掖县人 ，副教授 ，博 士，研究方 向为材料损伤及 结构 安全 ，c y h 4 2 7 1 6 3 c o m。 基金项目：国家自然科学基金 ( 5 0 6 7 8 0 5 9 ) ：河北省教育厅科研计划 ( 2 0 0 5 2 1 1 o 5 4 华中科技大学学报 ( 城市科学版 ) 2 1 山 1 -R 1 芝 ( b ) 方 案 2 图 2 加载方案 1 2 定义单元 钢筋和混凝土都采用 8节点的三维实体单 元 。分别为 1 混凝土材料和 2双线形弹性材料。 1 3 接触摩擦设定 ( 1 ) 设定总体接触摩擦控制参数， 将摩擦迭 代次数设为 5 。 ( 2 )定义三维接触组。接触类型为 3 一 D，初 步选定摩擦系数为 0 2 ，可以依据情况改变该值， 来模拟不同种类钢筋与混凝土之间的相互作用力。 ( 3 )定义接触面 。本模型设有四个接触面 。 ( 4 )定义接触对 。也可在此定义摩擦系数 ， 并且可以覆盖定义接触组时所设系数。 2 模型计算与结果分析 2 1 模型的破坏情况 通过模型的模拟运算，得到钢筋、混凝土的 最终变形如图 3( 其中显示变形放大了 1 0倍 ) 。 从 图中可以看 出试件首先在加载端混凝土处出现裂 纹 ，并且不断发展，最后混凝土发生断裂而破坏。 ( a ) 混凝土裂纹 发展 ( b ) 钢筋最终变形情况 图 3 钢 筋混凝土最后变形 破坏情况 2 2 不同参数的影响分析 2 2 1 锚 固长度的影响 图 4选取 了距加载端 同样距离的一段钢筋长 度进行研究。可 以看 出，加载初始 ，锚固长度越 大，滑移量越大 ，钢筋的一部分就越早脱粘 。随 着循环次数的增多，锚固长度最小的钢筋滑移突 然增大，发生破坏，其他锚固长度的钢筋滑移曲 线有逐渐接近的趋势，这说明适当的增加锚固长 度可 以延缓钢筋的脱粘。 锚固长度在 3 0 0 6 0 0 i n n l 之间较为合理 。 g 姜 漤 延 6 0 0n ln l 卜 - 5 0 0n ll l 4 0 0l i l l 3 0 0 i n i n 一 2 0 0 i n l n 距加载 端距 离 mm 图 4不同锚 固长度对滑移 的影 响 表 1 列出了有 限元计算钢筋脱粘情况 ，对于 锚固长度较大的构件，钢筋还未拔出就 已经超 出 混凝土的破坏 曲线 ，此时混凝土可能发生断裂或 者劈裂破坏 。由此可 以得出，不能无 限制的提高 锚固深度 ，应该将其定义在一个合适 的范围内。 锚固长度选择 4 0 0 5 0 0 iT l r n比较合理。 综上所述，锚 固长度选择 4 0 0 6 0 0 r n t n ，即 锚固长度与钢筋直径之比 为 2 0 3 0较为理想。 表 1 有限元计算界面脱粘 2 2 2 保护层厚度 的影响 从图 5可以看出加载初始 ，模型都有 5 0 mm 左右的脱粘 ，加载 3 5 s时保护层厚度最小的模犁 已经完全脱粘。加载至 1 3 4个循环时混凝 ： t ： 亢径 为 2 0 0 1T I 1T I 的模型钢筋脱粘。保护层对钏筋粘结 应力的增长有一定的作用，可以看出保护 厚度 D 取 2 5 0 3 0 0 mm 较 为合 理 。 0 06 E O 05 o 0 4 0 03 一 O 02 O O1 0 5 O 1 0 O I 5 O 2 00 2 5 0 t m川深瞍 mm ( a ) 初始加载( f = 5 S ) 一 D=1 5 OI I 】 m 一 D= 2 0 0 i n m - 一D= 2 5 0 n T J 一D= 3 0 0mm 人 簟 。 。 曩 一； 蠹 g 0 第 3期 陈艳华等：钢筋混凝土界面脱粘的有限元计算 5 5 E E 删 延 1 4 1 2 1 O O 8 0 6 0 4 0 2 、 O 5 0 l 0 0 l 5 O 2 0 0 2 5 0 锚 固深 度， mm 一 D=20 0m m 一 D-25 0 m m +D-3O Om m ( b ) 加 载 1 3 4个循环( t =- I 3 3 5 s ) 图 5 不 同循 环次数下的滑移情况 综上 ， 混凝土直径取 2 5 0 3 0 0 mm时为最优 ， 即混凝土保护层厚度与钢筋直径之 比为 5 7 5 7 。 2 2 3 加载方式的影响 相同锚固深度，相同直径 的钢筋 ，采用模型 基本参数， 在 图 2加载方式下得到 图 6所示结果。 图 6是在各种加载方式下加载端和 自由端的部分 滑移时程曲线。从图中看出无论是加载端还是 自 由端 ，其滑移时程曲线都与荷载有类似的变化规 律。因此可 以得出加载方式对构件 的破坏影响较 大 。设计构件 时应当充分考虑到构件所经受的外 加荷载作用方式，做 出相应的增强性能的措施 。 ( a ) 加载方式 l ( b ) 加 载 方 式 2 图 6 加载端 和 自由端的滑移时程 曲线 2 2 4 界面摩擦 的影响 图 7为加载端和 自由端的最大剪应力、轴 向 应变及滑移时程 曲线 。图中时间为加载至峰值 的 时间。从图中可 以看 出无论是最大剪应力还是轴 向应变 置接触 直线。 21 日 1 8 1 5 1 2 j 杂 9 6 ，设置接触组的 曲线为平滑直线，而不设 组的模型开始有一个上升段，之后为平滑 ， I I 一 。 f _ 一 O 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 t s 2 0 0 1 6 0 E 1 20 8 O 匠 暴4 O +不设接触组 一 一设接触组 ( a ) 最大剪应力时程 曲线 ，一 。 。 。 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 t s 0 0 4 0 0 3 漳 0 0 2 O O1 ( b ) 轴 向应变时程 曲线 +不 设接触组 一设接触组 +不设接触组 一设接 触组 U l U U 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 s ( c ) 滑 移时程 曲线 图 7 最大剪应力、轴 向应变及滑移 时程 曲线 考虑摩擦时最大剪应力和轴向应变都相应比 较大，这说明摩擦是影响界面脱粘的一个重要因 素 。从各图中还可看出摩擦使最大剪应力、轴向 应变和滑移 明显增大，说明钢筋混凝土之间是通 过骨料之间的咬合，即摩擦力来相互作用的，并 且可以通过调整摩擦 的大小来模拟钢筋与混凝土 之间的相互作用 。可用于模拟锚深 比较小的光圆 钢筋 。 3 结论 通过以上钢筋混凝土有 限元模型的建立与计 算分析 ，探讨了影响钢筋混凝土界面脱粘的主要 因素，得到如下结论： ( 1 )同样直径和脱粘长度的钢筋 ， 锚固长度 越大，脱粘速度越缓慢。在保证混凝土强度的情 5 6 华中科技大学学报 ( 城 市科 学版 ) 2 0 0 8年 况下选择较大的锚固长度，但锚固过长，不仅浪 费材料 ，而且所起 的作用不大 ，较 为理想的 为 2 0 3 0 。 ( 2 )同样直径 的钢筋， 混凝土的截面尺寸越 大，在钢筋截面上产生的粘结应力越大，当保护 层厚度 D与钢筋直径 d之比为 4 5以后粘结应力 增长得较慢 ，但是在此基础上适当的增加保护层 厚度 ，能够有效的增加钢筋脱粘时间，此时理想 的 Di d为 5 7 5 7 。 ( 3 ) 如果保持其它条件不变， 增大加载频率， 会加快钢筋 的脱粘速度。因此设计构件时应当充 分考虑到构件所经受的外加荷载作用方式，做 出 相应的增强性能的措施。 ( 4 ) 考虑钢筋和混凝土之间的摩擦时， 钢筋 表面的最大剪应力、轴 向应变和滑移都变大，说 明摩擦对钢筋和混凝土界面 的粘 结作用影 响很 大。 参考文献 1 】 过镇海，时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京： 清华 大学出版社， 2 0 0 3 【 2 高 向玲，李杰 钢 筋与混凝 土粘结 本构关系 的数 值模拟【 J 】 计算力学学报， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 1 ) ： 7 3 7 7 李 杰 ，高 向玲 ，艾 晓秋纤 维增韧 混凝土 与钢 筋 的粘 结 性 能研 究 【 J J 建筑 结 构学 报 ，2 0 0 4 ，2 5 ( 2 ) ： 99 1 03 Ka r i n Lu nd gr e n，Ke n t Gyt t t of t A mo de l f or t he Bo nd Be t we e n Co n c r e t e a n d R e i n f o r c e me n t【 J 1 Ma g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r t h ， 2 0 0 0 ， 5 2 ( 1 ) ： 5 3 6 3 赵羽 习，金伟 良钢筋 与混凝土粘 结本 构关系 的试 验研究 J _ 建筑结构学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 1 ) ： 3 2 3 7 汤广来 钢筋与混凝土粘结应力计算模式的研究【 J 】 合肥 工 业大 学学 报 ( 自然 科 学版 )，1 9 9 9 ，2 2 ( 5 ) ： 1 03 1 0 7 金 伟 良，赵羽 习随不同位置 变化 的钢 筋与 混凝土 的粘 结本构关 系【 J 】 浙江 大学学报 ( 工学 版) ，2 0 0 2 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 - 6 郑晓燕，吴胜兴，刘龙强动荷载作用下钢筋与混 凝 土 粘 结 锚 固试 验 研 究【 J J 混凝 土 与水 泥 制 品， 2 0 0 2 ， ( 6 ) ： 2 7 3 0 樊 涛，金伟 良 钢 筋与混凝 土粘 结耐久性 研究 的 发展 J 】 浙 江建筑， 2 0 0 1 ， ( 1 0 6 ) ： 2 9 3 1 朱廷，李方元高强混凝土与钢筋的粘结滑移模 型的探讨 C 第 十二届全国混凝土及预应力混凝土 学术会议论文集 2 0 0 3 Fi n i t e El e me n t Ca l c u l a t i o n o n I n t e r f a e i a l De b o n d i n g o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e CHEN Y a n h u a ， FENG Le i l e i ， DAIZh a o l i 2 ， CHEN Ho n g y a n 3 ( I S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ar c h i t e c t u r a l ， He b e i P o l y t e c h n i c Un i v e r s i t y , T a n g s h a n 0 6 3 0 0 9 ， Ch i n a ； 2 J i d o n g Oi l fi e l d Co mp a n y ， Ch i n a Na t i o n a l P e t r o l e u m Co r p o r a t i o n ， T a n g s h a n 0 6 3 2 0 0 ， Ch i n a ； 3 E x p l o r a t i o n and De v e l o p me n t R e s e a r c h I n s t i t u t e o f L i a o h e Oi l fi e l d ， P e t r o c h i n a ， P a n j i n 1 2 4 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e 3 一 D f i n i t e e l e me n t mo d e l u n d e r d i f f e r e n t l o a d i n g c o n d i t i o n i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g t h e c o mb i n e d me th o d o f Pa r a s o l i d a nd Na t i v e o f ADI NAAnc ho r de pt h， c o ve r t h i c k ne s s a n d S O on a r e c o n s i d e r e d s y n the t i c a l l y b y s e l e c t i ng d i f f e r e n t mo de l pa r a me t e r s Ac c o r d i n g t o t h e c a l c ul a t e d r e s u l t s ， t h e e f f e c t s o f a n c ho r d e pt h，c o v e r thi c kn e s s ，l o a d i n g mo d e a n d f r i c t i on o n i n t e r f a c i a l de bo n d i n g are di s c us s e dFu r t he r mo r e ，t h e o p t i mu m v a l u e s o f c ov e r t h i c k ne s s o f c o n c r e t e ， d i a me t e r r a t i o o f r e i n f or c i n g s t e e l ba r ， t h e r a t i o o f a n c ho r d e p t h a n d d i a me t e r ar e p r o p o s e d B a s e d o n t h e mo d e a n d t h e r a t e o f l o a d ， s o me s u g g e s t i o n s o n p r o j e c t p r o t e c t i o n are p u tf o r wa r d Ke y w o r d s ： R C ( R e i n for c e d c o n c r e t e ) ； d e b o n d i n g ； c y c l i c l o a d i n g ； i n t e rfa c e ； AD I N A