張城赫

【摘 要】在我國，植筋錨固技術(shù)的分析和應(yīng)用起步較晚，而且主要以實驗研究和實際中的應(yīng)用總結(jié)為主。從技術(shù)發(fā)展的觀點上看，利用有限元數(shù)值分析方法建立植筋錨固系統(tǒng)中的各部分單元模型，對于分析其后續(xù)的破壞機(jī)理和傳力途徑是十分必要、也是十分有優(yōu)勢的。本文將以ansys有限元數(shù)值分析軟件為基礎(chǔ)建立植筋錨固系統(tǒng)各部分單元模型，并提供一個相對較完整的非線性分析步驟，來建立植筋錨固系統(tǒng)受力分析的理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵字】植筋系統(tǒng)，后錨固，ansys有限元分析，接觸單元

第一章 概述

1.1概述

隨著建筑業(yè)的迅速發(fā)展，我國逐步進(jìn)入建筑物的改造和加固的高峰期，有相當(dāng)一部分建筑物已經(jīng)進(jìn)入中老年期，亟待進(jìn)行檢測和加固處理。在所有加固方法中，植筋錨固技術(shù)作為一種重要的后加固方法，以其便捷、經(jīng)濟(jì)、實用等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于建筑物加固領(lǐng)域。同時，由于一些設(shè)計上的偏差和施工上的失誤，一些新興建筑物也需要進(jìn)行加固處理，這些都為植筋錨固技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的空間。

1.2植筋錨固系統(tǒng)簡介

植筋錨固技術(shù)是建筑物加固的重要手段之一，其方法是在結(jié)構(gòu)需改造加固的部位按工程實際需要經(jīng)過定位、鉆孔、灌漿、植筋等工序?qū)ㄖ飳嵭懈脑?，使其滿足設(shè)計要求并承受正常使用荷載。

1.3研究的意義和作用

在我國，植筋錨固技術(shù)的分析和應(yīng)用起步較晚，而且主要以實驗研究和實際中的應(yīng)用總結(jié)為主。從技術(shù)發(fā)展的觀點上看，利用有限元數(shù)值分析方法建立植筋錨固系統(tǒng)中的各部分單元模型，對于分析其后續(xù)的破壞機(jī)理和傳力途徑是十分必要、也是十分有優(yōu)勢的。本文將以ansys有限元數(shù)值分析軟件為基礎(chǔ)建立植筋錨固系統(tǒng)各部分單元模型，并提供一個相對較完整的非線性分析步驟，來建立植筋錨固系統(tǒng)受力分析的理論基礎(chǔ)。

第二章 植筋錨固技術(shù)原理和破壞模式

2.1植筋錨固原理

植筋錨固系統(tǒng)的原理是材料的相互結(jié)合。通過化學(xué)粘結(jié)劑—植筋膠，將鋼筋固定于混凝土基材鉆孔中，通過粘結(jié)作用，以實現(xiàn)加固部位錨固的一種組件。與鋼筋直接錨固在混凝土中不同，鋼筋與混凝土之間的應(yīng)力傳遞需要通過植筋膠來完成這個過程，植筋膠作為傳力介質(zhì)將植入筋鋼筋所受荷載沿植筋長度方向傳遞給基材混凝土，因此植筋傳力機(jī)理主要靠植入鋼筋與植筋膠之間的粘結(jié)力與混凝土與植筋膠之間的粘結(jié)作用來實現(xiàn)的。所以這三者之間的粘結(jié)力和植筋膠本身的性質(zhì)決定了植入鋼筋與混凝土之間的錨固性能，從而影響到整個構(gòu)件的受力性能。

2.2基本破壞模式

1） 植筋膠和鋼筋的粘結(jié)界面達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞

2） 植筋膠與混凝土的粘結(jié)界面達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞

3） 鋼筋本身達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度而破壞

4） 混凝土本身達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，發(fā)生剝落甚至產(chǎn)生裂縫

5） 植筋膠本身達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞

第三章ansys建模分析計算

3.1材料模型

3.1.1鋼筋單元：本次實驗中所有類型的鋼筋均采用ansys有限元分析中的link8三維桿單元。該單元通過兩個節(jié)點、橫截面積、初始應(yīng)變及材料屬性來定義。該單元需要輸入的實常數(shù)有兩項：AREA（橫截面面積）、ISTRN（初始應(yīng)變值）。其材料特性包括彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、密度等，可較好的模擬單元的塑形、蠕變、應(yīng)力剛化等特性。

3.1.2混凝土單元：混凝土單元采用ansys有限元分析中的solid65三維混凝土實體單元，該模型具有拉裂與壓碎的功能。在用solid65來模擬混凝土?xí)r，其輸入的參數(shù)主要包括：彈性模量、泊松比、張開與閉合滑移面的剪切強(qiáng)度縮減系數(shù)、抗拉與抗壓強(qiáng)度、極限雙軸抗壓強(qiáng)度，剩余參數(shù)均采用系統(tǒng)默認(rèn)值。主要的關(guān)鍵字包括：大變形控制（k1）、混凝土線性解的輸出控制（k5）、混凝土非線性解輸出控制（k6）、開裂后應(yīng)力松弛考慮選項（k7）其中，k1選擇為不考慮大變形，k7選擇為考慮開裂后應(yīng)力松弛，經(jīng)證明，考慮開裂后應(yīng)力松弛有助于計算收斂。

3.1.3粘結(jié)劑單元：本次植筋錨固系統(tǒng)粘結(jié)滑移有限元分析采用非線性彈簧單元combine39模擬。定義combine39單元需要兩個節(jié)點和一條總體的F-D曲線，曲線上的節(jié)點，如D1，F(xiàn)1；D2，F(xiàn)2等等所代表的是結(jié)構(gòu)分析中力與相對平移的關(guān)系，即彎矩與旋轉(zhuǎn)的關(guān)系由此來定義非線性彈簧單元的受力性質(zhì)，不需要再定義材料性質(zhì)。對于雙向的或三向的彈簧單元，彈簧之間的距離不可為0，因為單元之間力的方向是通過連接兩個節(jié)點的直線來定義的。對于F-D曲線的描述，國內(nèi)外已經(jīng)做了大量工作，其中一部分成果已經(jīng)應(yīng)用到了實際當(dāng)中，本文參考楊勇在《型鋼混凝土粘結(jié)滑移基本原理及應(yīng)用研究》（西安建筑科技大學(xué) 2003）中的結(jié)論，來描述F-D曲線，該曲線具有普遍意義。

3.2非線性分析步驟

3.2.1建立模型，并劃分網(wǎng)絡(luò)

在此步中，需要建立接觸實體的實體模型。與ansys結(jié)構(gòu)分析過程相同，需要設(shè)置好單元類型、實常數(shù)、材料特性，用恰當(dāng)?shù)膯卧愋徒o接觸實體劃分網(wǎng)絡(luò)。

GUI： Main

Menu>preprocessor>mesh>mapped>3 or 4 sided

Main Menu>pneprocessor>mesh>mapped>4 or 6 sided

3.2.2識別接觸對

目標(biāo)面與接觸面合稱為一個接觸對。對于剛性—柔性接觸，目標(biāo)面總是剛性的，接觸面總是柔性的。在ansys數(shù)值分析當(dāng)中，目標(biāo)單元用targe170模擬，接觸單元用cantact174模擬，用這兩個單元來定義3D實體接觸單元。

3.2.3指定目標(biāo)面和接觸面

在植筋錨固系統(tǒng)中，有兩個接觸面，即混凝土與植筋膠的接觸、植筋膠與鋼筋的接觸。根據(jù)第二步中的說明，在植筋錨固系統(tǒng)中，對于混凝土與植筋膠的接觸中，混凝土應(yīng)為目標(biāo)面，用targe170模擬，植筋膠應(yīng)為接觸面，用cantact174模擬；對于植筋膠與鋼筋的接觸，植筋膠應(yīng)為接觸面，用contact174模擬，鋼筋應(yīng)為目標(biāo)面，用targe170模擬

3.2.4定義剛性目標(biāo)面

在二維情況下，剛性目標(biāo)面的形狀可以通過一系列直線、圓弧和拋物線來描述，。在生成目標(biāo)單元之前，須定義單元類型。

GUI：main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete

隨后須設(shè)置目標(biāo)單元的實常數(shù)

命令：Real

GUI：main menn>preprocessor>real constants

對targe170僅需設(shè)置實常數(shù)R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目標(biāo)單元時，需要指定實常數(shù)R1、R2，為了直接生成目標(biāo)單元，使用下面的命令和菜單路徑：

命令：TSHAP

GUI：main menu>preprocessor>modeling-create>Elements>Elem Attributes

隨后指定單元形狀即可，根據(jù)植筋錨固系統(tǒng)的實際情況，單元性狀為圓曲面。

3.2.5定義柔性目標(biāo)面

柔性目標(biāo)面的定義與剛性目標(biāo)面的定義相同，但不同的是需使用contant174來定義表面。

3.2.6設(shè)置單元關(guān)鍵字和實常數(shù)

程序使用九個實常數(shù)和一些單元關(guān)鍵字來控制面—面的接觸行為，實常數(shù)和關(guān)鍵字的取值和確定直接反應(yīng)與實際情況的吻合程度，可在確定范圍取值之間微調(diào)參數(shù)，以實現(xiàn)最大程度模擬實際情況，比較重要的實常數(shù)和關(guān)鍵字有（除有特別說明，剩余參數(shù)均取ansys默認(rèn)值）：

實常數(shù)：

1、R1和R2定義目標(biāo)單元幾何形狀

2、 FKN定義法向接觸剛度因子：一般控制在0.01—10之間，考慮植筋膠性能等因素取0.275

3、TOLN定義最大的滲透范圍：決定單元的接觸應(yīng)力，太大可能會導(dǎo)致單元高估接觸力而使計算不收斂或者接觸面之間脫落解除關(guān)系，對于埋置深度為15d—25d的植筋錨固系統(tǒng)，其值可在0.1—0.2之間用線性內(nèi)插法選取

4、ICONT定義初始靠近因子

5、PINB定義“pinball”區(qū)域

6、PMIN和PMAX定義初始滲透的容許范圍

7、TAUMAR指定最大的接觸摩擦

命令：R

GUI：main menu>preprocessor>real constant

單元關(guān)鍵字：

每種接觸單元都有好幾個關(guān)鍵字，對大多數(shù)的接觸問題省卻的關(guān)鍵字是合適的，而在某些情況下，可能需要改變省卻值，來控制接觸行為。

1、接觸算法（KEYOPT（2））：對面─面的接觸單元，程序可以使用擴(kuò)增的拉格朗日算法或罰函數(shù)方法，通過使用單元關(guān)鍵字KETOPT（2）來指定。

2、 出現(xiàn)超單元時的應(yīng)力狀態(tài)（KEYOPT（3））

3、 接觸方位點的位置（KEYOPT（4））

4、 剛度矩陣的選擇（KEYOPT（6））

5、 時間步長控制（KEYOPT（7））

6、 初始滲透影響（KEYOPT（9））

7、 接觸表面情況（KEYOPT（12））

GUI：main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete

在此之外，還需要設(shè)置的有：

1、接觸剛度：

所有的接觸問題都需要定義接觸剛度，兩個表面之間滲透量的大小取決了接觸剛度，過大的接觸剛度可能會引起總剛矩陣的病態(tài)，而造成收斂困難，一般來諮，應(yīng)該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸滲透小到可以接受，但同時又應(yīng)該讓接觸剛度足夠小以使不會引起總剛矩陣的病態(tài)問題而保證收斂性，為了取得一個較好的接觸剛度值，可以按下面的步驟過行。

1）開始時取一個較低的值，低估些值要比高估些值好因為由一個較低的接觸剛度導(dǎo)致透透問題要比過高的接觸剛度導(dǎo)致的收斂性困難要容易解決

2）對前幾個子步進(jìn)行計算

3）檢查滲透量和每一子步中的平衡迭代次數(shù)，如果總體收斂困難是由過大的滲透引起的那么可能低估了FKN的值或者是將FTOLN的值取得大小，如果總體的收斂困難是由于不平衡力和位移增量達(dá)到收斂值需要過多的迭代次數(shù)，而不是由于過大的滲透量，那么FKN的值可能被高估

4）按需要調(diào)查FKN或FTOLN的值，重新分析

2、摩擦類型：

摩擦類型采用的是基本的庫倫摩擦類型里面的粘結(jié)接觸，摩擦系數(shù)取0.25，并根據(jù)植筋膠的力學(xué)性能指定指定最大等效剪應(yīng)力，一般取25KN/mm2，當(dāng)超過此最大剪應(yīng)力時，滑動發(fā)生靜動摩擦系數(shù)比去為1.0

3.2.7控制剛性目標(biāo)的運(yùn)動

3.2.8施加必要的邊界和約束條件：按實際情況加載邊界條件，加載過程與其他的分析類型相同。

3.2.9定義求解荷載步選項

接觸問題的收斂性隨問題不同而不同，時間步長必須足夠大以描述適當(dāng)?shù)慕佑| 。如果時間步太大，則接觸力的光滑傳遞會被破壞，設(shè)置精確時間步長的可信賴的方法是打開自動時間步長。

命令：Autots，on

GUI：Main Menu>Solution>-load step opts-Time/Frequence>Time&Time step

/Time& substeps

設(shè)置合理的平衡迭代次數(shù)，一個合理的平衡迭代次數(shù)通常在25和50之間

命令：NEQIT

GUI：Main Menu>Solution>-load step opts-Nonlinear>Equilibriwm iter

3.2.10求解：求解過程與一般的非線性分析過程相同。

第四章 結(jié)語

植筋錨固技術(shù)作為一種重要的后加固方法，以其便捷、經(jīng)濟(jì)、實用等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于建筑物加固領(lǐng)域。同時，隨著有限元理論的不斷成熟和計算機(jī)的廣泛應(yīng)用，越來越多的有限元分析軟件開始應(yīng)用于工程領(lǐng)域，所以如何正確的建立植筋系統(tǒng)的ansys有限元模型從而進(jìn)一步為下一步的數(shù)據(jù)分析做好準(zhǔn)備顯得十分必要。本文著重以ansys有限元分析軟件為基礎(chǔ)，從選取材料模型到建立植筋系統(tǒng)接觸單元模型給出了詳細(xì)的步驟，更好的模擬了植筋錨固系統(tǒng)的實際情況，從而為下一步的分析打下了基礎(chǔ)。