钢筋套筒灌浆连接技术有限元分析

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1、钢筋套筒灌浆连接技术有限元分析陈洪1 ， 张竹芳2( 1 同济大学建筑工程系; 上海 200092; 2 福州港口管理局，福建 福州 35000)摘要:对于预制装配混凝土结构关键技术之一的钢筋套筒灌浆连接技术，已进行了不少试验研究，但试验不确定因素较多，离散性大 为研究这种连接在各种作用下的受力性能，拓展模型试验研究的成果，有必要建立可靠正确的有限元模型 本文在已有试验的根底上，采用 ABAQUS 软 件，模拟钢筋套筒灌浆连接的受力性能 数值模拟结果与试验吻合良好，说明所建立的有限元模 型正确，可以用于进一步参数分析和机理研究关键词:套筒灌浆连接; 有限元; 单调拉伸; 力学性能中图分类号:文

2、献标识码:TU528A钢筋套筒灌浆连接技术自创造以来已有 40余年的历史 作为预制混凝土结构关键技术之一， 20 世纪 60 年代首次应用于 38 层高的阿拉莫阿纳 酒店预制柱中，开创了柱续接的刚性接头1 随后 日本 TTK 公司经过改进，长度变短，在日本获得认 证并推广至其他地区2 1983 年美国混凝土协会 ACI 在报告中将钢筋套筒灌浆连接技术列入钢筋 连接主要技术之一3 近年来，我国内地逐步引入 该技术，一些相关的技术和标准正在制定中4，5钢筋套筒灌浆连接技术的原理是通过铸造的 中空型套筒，钢筋从两端插入套筒内部，不进行搭 接或融接，钢筋与套筒间灌注高强度微膨胀灌浆 料 其连接机理主要

3、是借助砂浆微膨胀特性加强套 筒对其的围束作用，使灌浆料与钢筋、套筒内侧间 的正向作用力得到增强，连接的钢筋通过该正向力 与粗糙外表产生摩擦力，来传递钢筋应力关于套筒灌浆连接的单向拉伸承载力已进行 了不少试验研 究6 9，但由于试验不确定因素较 多，离散性大，另外，通过有限元数值分析可以研究 套筒灌浆连接在各种作用下的受力性能，拓展模型 试验研究的成果 所以为进一步研究钢筋套筒灌浆 连接的破坏机理，有必要进行有限元数值分析1数值模型有限元模型计算模型中共包含有灌浆料、套筒和钢筋三种材料，其材料参数取值如下所述灌浆料1 1 1截至目前，关于灌浆料的应力应变关系尚无成熟的理论模型，因此在本文的有限元

4、分析中，借用 混凝土的本构模型来建立灌浆料的本构模型 灌浆料轴心抗压强度 fc 取 0 76 倍灌浆料棱柱体抗压强度试验值，混凝土的抗拉强度采用文献10的公 式计算:ft = 0 33fc混凝土泊松比取为 0 2 混凝土的受压应力应 变曲线按标准以下公式确定:当 x 1 时1 /21123y =+ ( 3 2a ) x + ( a 2) xa x当 x1 时x c fcy =x =y =d ( x 1)+ x2*式中 a ，d 单轴受压应力 应变曲线上升段、下降段的参数值，按标准11 取值 灌浆f*c料的单轴抗压强度，取灌浆料棱柱体抗压强度; 灌浆料抗拉本构关系采用双线性模型，开裂前为线弹性，

5、抗拉与抗压弹性模量相等; 开裂后采用 线性软化模型，软化模量根据断裂能准那么计算，如图 2 所示根据 Model Code199012，混凝土的断裂能计算方法为:1 1材料参数本文在同济大学吴小宝试验9的根底上建立收稿日期: 2021 03 14作者简介: 陈洪( 1987 ) 男 福建龙岩人 同济大学建筑工程系硕士()佳 木 斯 大 学 学 报自然科学版2021 年342fc( 10)0 7Gf =式中，fc 为灌浆料的抗压强度，取值同上; 对于灌浆料，粒径较小，取 = 0 02图 1混凝土单轴受拉应力应变曲线图 4 直径 14mm 钢筋连接试件荷载 变形曲线的有限元模拟结果图 2混凝土受拉

6、软化模型单元类型1 2灌浆料及钢筋均采用 C3D8 单元，该单元对位移的求解有比拟精确的结果，而且当网格存在扭 曲变形时，分析精度不会受到大的影响 套筒采用 S4 单元( 4 节点四边形有限膜应变线性减缩积分 壳单元) ，其性能稳定，使用范围很广有限元模型的建立1 3本文采用 ABAQUS 进行有限元分析 ABAQUS软件是国际上公认的最先进的大型通用非线性有 限元软件之一，可以用来分析复杂的固体力学、结 构力学系统，以及处理非常庞大复杂的问题和模拟 高度非线性问题 根据标准 ，套筒形成接头的 抗拉强度和变形性能应符合 JGJ 107 中级接头 的规定 因此一般情况下，要求套筒连接中滑移量 较

7、小，发生的破坏为钢筋拉断破坏 在本文的有限 元分析中假设其连接中各部件粘结良好，不考虑滑 移的影响 套筒和灌浆料以及灌浆料和套筒之间均图 3套筒灌浆连接模型筋1 1 2钢试验9 中采用的是具有明显流幅的软钢，因此在本文的有限元分析中，钢材的本构关系采用理 想化的三折线模型 其中的弹性模量 Es 、屈服强度 fy 、屈服平台长度 y 及极限强度 fu 根据材性试验 确定，泊松比 取为 0 31441 1 3套筒套筒材料采用理想的弹塑性模型，根据标准13，屈服强度取 370MPa，弹性模量取 2 1 105 MPa陈洪，等: 钢筋套筒灌浆连接技术有限元分析第 3 期343采用接触 Tie 绑定(

8、Tie) 在一起 各个部件按实际尺寸建模，并分别赋予材性试验中确定的材料性 质9，采用结构化的网格划分方式，如图 3 所示载，同理论计算值相比，最大误差为 3% ，平均误差为 1% ，变异系数为 0 0164 因此，如果套筒接头满 足 JGJ 107 中级接头的规定，那么按本文的分析方 法能够提供符合精度要求的承载力结果图 6 直径 20mm 钢筋连接试件荷载 变形曲线的有限元模拟结果表 1有限元分析结果与试验结果的比照图 5 直径 16mm 钢筋连接试件荷载 变形曲线的有限元模拟结果屈服荷载( kN)极限荷载( kN)数值模拟结果与分析2编号Py / PyPu / PuPy PyPu PuH

9、400 14H400 16 H400 20 H400 22 H500 14 H500 16 H500 20 H500 2276100134173851271762066899138179841251782071 121 010 970 971 011 020 991 001041381912591161562402881011381882561141542402871 031 001 021 011 021 011 001 002 1承载力将有限元分析所得的结果与试验结果9做对 比，如表 1 所示 表中 Py 和 Pu 分别表示有限元分 析得到的屈服荷载和极限荷载，Py 是试验得到的屈服荷载结

10、果，P 为按钢筋拉断时的强度计算的理 论承载力 由表可知，除 H400 14 以外( 由于材料 的离散性及偏心可能造成试件 H400 14 中的钢 筋强度低于材性试验中的数据，与其他组数据相 比，误差较大) ，数值模拟得到的屈服荷载与试验 结果十分接近，最大误差为 3% ，平均误差 1% ，变 异系数为 0 0210 由于没有考虑粘结滑移的影响， 有限元分析得到的峰值荷载均为钢筋拉断时的荷注: 由于材料的离散性及偏心可能造成试件H400 14 中的钢筋强度低于材性试验中的数据， 与其他组数据相比，误差较大，故在平均值及变异 系数计算中未考虑 H400 14 试验数据平均值变异系数0 99平均值

11、1 010 0210变异系数0 0164()佳木斯大学学报自 然 科 学 版2021 年344未超过 370MPa，处于弹性状态 故满足标准4规定的套筒在连接受力时是平安的图 8 套筒应力分布图3结论基于通用有限元分析软件 ABAQUS，采用三维实体模型对钢筋套筒灌浆连接的单调拉伸试验进 行了数值模拟，得到以下结论:( 1) 在数值模拟中，可参照混凝土的本构模型 确定灌浆料的本构模型;( 2) 假设套筒连接满足 JGJ107 中级接头的规 定，那么在有限元分析中可不考虑钢筋与灌浆料的粘 结滑移作用，得到的承载力及变形结果与实际根本 相符，可满足工程要求;( 3) 套筒在连接受力过程中，处于弹性

12、阶段， 满足平安要求;( 4) 数值模拟结果与试验吻合良好，说明所建 立的有限元模型正确，可以用于进一步参数分析和 机理研究图 7 直径 22mm 钢筋连接试件荷载 变形曲线的有限元模拟结果参考文献:1Precast / Prestressed Concrete Institute New Precast PrestressedSystem Saves Money in Hawaii HotelJ PCI Journal，1973，182 2荷载变形曲线( 3): 10 13图 4 至图 7 为各试件荷载变形曲线有限元结果与试验结果的比照 由图可知，各试件受拉荷载 变形曲线形状模拟结果与试验曲

13、线根本相同 在 钢筋屈服之前，有限元曲线与试验曲线根本重合; 钢筋屈服之后，由于钢筋本构关系采用的是理想化 的三折线模型，强化段为一条直线，而实际钢材的 强化段为一条上凸的曲线，因此，在钢筋进入强化 阶段后，有限元荷载变形曲线与试验曲线稍有差 异，不过仍根本相符 在承载力后期，由于有限元结 果为钢筋拉断，而试验为钢筋拔出破坏，两条曲线 才逐渐偏离 所以，假设套筒接头发生的破坏模式为 钢筋拉断，那么有限元分析能很好地模拟其在单调荷 载作用下的变形性能2NMB Splice sleeve Systems Historical EventsEB / OL ht-tp: / / www splices

14、leeve com / history htmlACI Committee 439 Mechanical Connections of einforcement Bars 1983: 24 35钢筋连接用灌浆套筒( 征求意见稿) S 2021钢筋套筒连接用灌浆料( 征求意见稿) S 2021EINEA A，YAMANE T，TADOS M K Grout filled Pipe Splices for Precast Concrete ConstructionJ PCI Journal， 1995，40( 1) : 82 93LING J H，ABD AHMANAB，MIASA AK，et a

15、l Performance of CS sleeve under Direct Tensile Load: Part1: Failure ModesJ Malaysian Journal of Civil Engineering，2021，20 ( 1 ) : 89 106GOH H M Parametric Study of Steel Grouted Splice Sleeve with Integrated Double Springs under Axial TensionD Johore Johor Bahru: Universiti Teknologi Malaysia，2021:

16、 1 68吴小宝 钢筋套筒灌浆连接受力性能研究D上海: 同济大3456782 3套筒受力情况9学，2021( 下转 349 页)典型的套筒应力分布如图 8 所示，最大应力出现在套筒中部 在整个受力阶段，套筒应力最大值朱奇，等: 波纹腹板 H 型钢梁受压翼缘局部稳定理论研究第 3 期349国，86106315AP 1988 03 30Johnson P，Cafolla J Local Flange Buckling In Plate Girders with Corrugated WebsJ Structures and Buildings，1997，122 ( 2) : 148 156Saye

17、d Ahmed，E Y Lateral Torsion Flexure Buckling of Corrugated Web Steel GirdersJ Structures Buildings， 2005，158: 53 69Sayed Ahmed，E Y Innovative Steel Plate Girders with Corru- gated Webs for Short Span BridgesC 4th Int Conf on Cur- rent and Future Trends in Bridge Design，construction and Main- tenance

18、，Kuala Lumpur，Malaysia，Oct 2005Sayed Ahmed，E Y Design Aspects of Steel I Girders with Corrugated Steel WebsJ Journal of Structural Engineering， 2007 ，7: 27 40刘鸿文，林建兴，曹曼玲 板壳理论M 杭州: 浙江大学出版社，1987: 163 165性 根据上述边界条件假设通过理论推导得到了波纹腹板梁翼缘局部失稳的三角级数解，并采用数值 方法求解了局部构件的屈曲荷载，得到的结果与有 限元结果比照误差很小，大局部在 5% 以内，满足 一般工程使用

19、的要求567参考文献:1Elgaaly M，Hamilton W and Seshadri AShear strength ofBeams with Corrugated WebsJ Journal of Structural Engi-neering，1996，122( 4) :390 39882郭彦林，张庆林 曲折腹板工形梁翼缘稳定性能研究J 建筑科学与工程学报，2007，24( 4) : 64 69Hamada Masaki Manufacture and Manufacturing oll for H shaped Steel Possessing Corrugated at Midd

20、le Part of Web: Ja- pan，54107778P 1981 04 13曹鸿德，才志华，张文志 波纹腹板 H 型钢梁的热轧工艺: 中394Theoretical esearch on Local Buckling Stability Behavior of CompressionFlanges in H shaped Members with Corrugated WebZHU Qi1 ， LI Guo qiang2( 1 School of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2 State K

21、ey Laboratory for Disaster eduction in CivilEngineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)Abstract:A theory model for local buckling stability behavior of flanges in H shaped members withtrapezoidal corrugated web was proposed The corrugated web was taken as an elastic rotation restraint to pr

22、eventlocal buckling behavior of the compression flange Based on the theory，the trigonometric series solution for cal- culating the elastic buckling stress of the compression flanges was developed Numerical analyses were then per- formed to investigate the validity of the boundary conditions and the

23、proposed theory Compared with plate web， corrugated web has a stronger restraint on the flangeKey words:trapezoidal corrugated web; width to thickness ratio of flange; elastic rotation restraint;local buckling; buckling stress櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜櫜( 上接 344 页)19931011过镇海 钢筋混凝土原理

24、 北京: 清华大学出版社，1999中华人民共和国建设部 混凝土结构设计标准 GB50010 2002S 北京: 中国建筑工业出版社，2002CEB FIP Model Code 1990 Concrete Structure Lausanne，13中华人民共和国家标准 GB / T1348 2021 球 墨 铸 铁 件S 北京: 中国标准出版社，2021 江见鲸，陆新征，叶列平 混凝土结构有限元分析M 北 京: 清华大学出版社，20051412Finite Element Analysis of the Grout Sleeve Splicing for Steel BarsCHEN Hong

25、1 ， ZHANG Zhu fang2( 1 Department of Building Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China; 2 Fuzhou Port Management Bureau，Fuzhou350000，China)Abstract:The grout sleeve splicing for steel bars is one of the key technologies of prefabricated concretestructures A few tests have been carried out

26、 on the mechanical performance of the technology However，thereare many uncertainties in tests，which lead to large discreteness It is necessary to establish an accurate and reli- able finite element model to study the mechanical properties of this connection under various loads A finite ele- ment mod

27、el using ABAQUS was developed basing on the existing tests The numerical results show good agree- ment with the test results，indicating that the finite element model is correct This model can be used for further parametric study and mechanism analysisKey words:grout sleeve splicing; finite element; monotonic tension; mechanical performance