【doc】鋼筋混凝土粘結(jié)滑移特性的研究現(xiàn)狀

1、鋼筋混凝土粘結(jié)滑移特性的研究現(xiàn)狀第3謄第4期2004年l2月南通工學(xué)院(自然科學(xué)版)JournalofNantongInstituteofTechnology(NaturalScience)V0】.3No.4Dec.2Oo4文章編號(hào):16715314(2004)04005106鋼筋混凝土粘結(jié)滑移特性的研究現(xiàn)狀陳建平,徐勛倩,包華(1.筑源設(shè)計(jì)有限公司,江蘇南通226007;2.南通大學(xué),江蘇南通226007)摘要:鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移性能是許多學(xué)者一直致力于研究的熱點(diǎn)課題.然而由于鋼筋與混凝土臨界面?zhèn)髁C(jī)理復(fù)雜,影響因素多,試驗(yàn)手段的不同和量測技術(shù)的差異等導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分散,因此至今尚未

2、得出比較一致的通用公式.文章主要從試驗(yàn)方法,本構(gòu)關(guān)系和有限元分析等方面對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逐一進(jìn)行簡述.關(guān)鍵詞:粘結(jié)滑移;試驗(yàn)方法;本構(gòu)關(guān)系;有限元分析中圖分類號(hào):TU528.571文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AResearchStatusoftheBond-slipbetweenReinforcingSteelBarandConcreteCHENJianping,XUXunqian”,BAOHua2(1.ZhuyuanDesignCompanyLtdNantong226000,China;2.NantongUniversity,Nantong226007,China)Abstract:Manyresearche

3、rshavebeendevotingthemselvestothestudyofthebendslipbetweenreinforcingsteelbarandcon-crete.However,becauseofthecomplexityofthetransferringforceontheinterfacebetweenthem,anumberoffactorsanddiffer-enttestsanddiversesurveyshaveledtosporadicexperimentaldata.s0wehaventhadanyuniformformulauptothepresent.In

4、thispaper,externalandinternalresearchstatusofthetests,theconstitutiverelationshipandFEManalysisRrediussedbrieflyonebyone.Keywords:bondslip;test;constitutiverelationship;FEManalysis:鋼筋和混凝土這兩種性質(zhì)不同的材料之所以能有效地結(jié)合在一起共同工作,主要是由于混凝土硬化后鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生了良好的粘結(jié)力.相對(duì)于這種結(jié)構(gòu)理論的其它領(lǐng)域的發(fā)展來說,人們對(duì)鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能的研究起步較晚,這主要是受到試驗(yàn)手段和計(jì)算理論

5、的局限所致.例如鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力和滑移的量測非常困難,早期缺乏準(zhǔn)確量測這些數(shù)據(jù)的設(shè)備和手段.另外,作為對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)性能進(jìn)行理論分析的一個(gè)重要方法和有力工具有限元法,是20世紀(jì)40年代提出的并隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展而得到廣泛應(yīng)用的.鋼筋混凝土粘結(jié)滑移理論滯后于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)理論的其它領(lǐng)域,而國內(nèi)在這方面的研究則更落后于國外.文章主要從研究粘結(jié)滑移的試驗(yàn)方法,粘結(jié)滑移經(jīng)驗(yàn)公式以及有限元分析粘結(jié)滑移問題等方面簡述國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀.1試驗(yàn)方法的發(fā)展在各種鋼筋混凝土構(gòu)件中,根據(jù)應(yīng)力性質(zhì)可以將粘結(jié)應(yīng)力分為兩大類,筋端錨固應(yīng)力和縫間粘結(jié)應(yīng)力,前者如簡支梁中伸入支座的鋼筋端部,后者如梁底開裂后兩條

6、裂縫間的粘結(jié)應(yīng)力.為了量測這些粘結(jié)應(yīng)力與相對(duì)滑移之間的關(guān)系,目前主要發(fā)展了三種試驗(yàn)方法,即:拉拔試驗(yàn)(也稱作拔出試驗(yàn)),粱式試驗(yàn)和軸拉試驗(yàn).拉拔試驗(yàn)的試件根據(jù)試件中是否配置橫向鋼筋分為兩類,無橫向配筋試件主要用于量測錨固粘結(jié)應(yīng)力和相對(duì)滑移量,當(dāng)鋼筋與昆凝土的粘結(jié)強(qiáng)度較高時(shí),這種試件大多發(fā)生劈拉破壞,不能充分反映鋼筋混凝土間粘結(jié)性能的全過程.英國的規(guī)范BSS110采用有橫向配筋的試件可以克服作者簡介:陳建平(1972一),男,江蘇南通人,南通筑源設(shè)計(jì)有限公司工程師,主要從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與研究.南通工學(xué)院(自然科學(xué)版)2004焦這個(gè)缺點(diǎn),有些國家的規(guī)范所采用試件尺寸視鋼筋直徑d的不同從10cm

7、5;10cm到22.5cm×22.5cm變化.由于拉拔試驗(yàn)具有試件制作簡單,成本低,試驗(yàn)易于進(jìn)行等特點(diǎn),應(yīng)用得比較廣泛.早期鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,一般簡單地進(jìn)行拉拔試驗(yàn)確定臨界錨長供設(shè)計(jì)者參考.在這種試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,稍加改進(jìn)可以模擬許多不同粘結(jié)錨固狀態(tài),例如:SomushianP在1989年采用了具有縱橫約束的拔出試驗(yàn),以模擬梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋的局部粘結(jié)強(qiáng)度nl,徐有鄰也在同一時(shí)期,采用配有雙支箍筋的拉拔試件探討了配箍率對(duì)錨固性能的影響.由于在鋼筋混凝土構(gòu)件中,鋼筋錨固區(qū)除了受拉力之外,通常同時(shí)作用有彎矩和剪力,而拉拔試驗(yàn)不能反映這種情況,為了更好地模擬鋼筋在梁端部的粘結(jié)錨固狀況,可采用梁式試

8、件.梁式試件又分為全梁式和半梁式兩類,常用于模擬梁的剪跨區(qū)的斜裂縫和正裂縫處的粘結(jié)錨固狀態(tài).梁式試驗(yàn)缺點(diǎn)是試件的尺寸較大,制作成本較高,且試驗(yàn)較復(fù)雜.軸拉試驗(yàn)主要用于測量縫間粘結(jié)應(yīng)力及相對(duì)滑移量,可以模擬混凝土梁在純彎段主裂縫間的粘結(jié)特性.試驗(yàn)時(shí),一對(duì)相互平衡的力作用在鋼筋的兩端,鋼筋與混凝土間產(chǎn)生粘結(jié)滑移.雙軸拉試驗(yàn)還可以模擬鋼筋搭接長度的粘結(jié)特性.目前試驗(yàn)方法有:拉拔試驗(yàn)(也稱作拔出試驗(yàn)),梁式試驗(yàn)和軸拉試驗(yàn).盡管試驗(yàn)方法有多種,但大多僅限于靜態(tài)的或擬靜態(tài)的試驗(yàn)研究.對(duì)于抗震要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,還應(yīng)研究動(dòng)態(tài)的粘結(jié)滑移性能,由實(shí)測粘結(jié)應(yīng)力的分布和鋼筋與混凝土間在界面上的相對(duì)滑移,得出沿界面上一些

9、代表位置上的局部粘結(jié)應(yīng)力和局部滑移之間的本構(gòu)關(guān)系,再將這個(gè)本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于有限元分析.進(jìn)而,為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù).2典型的粘結(jié)滑移(rs)本構(gòu)關(guān)系影響鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的因素有很多,這些影響因素大致歸納為四大類:混凝土強(qiáng)度和組成成分;鋼筋位置,受力方向與澆筑方向;鋼筋的直徑和表面形狀;鋼筋周圍的約束條件.1)混凝土強(qiáng)度和組成成分當(dāng)提高混凝土的強(qiáng)度時(shí),它和鋼筋的化學(xué)粘著力和機(jī)械咬合力隨之增加,因而可以提高粘結(jié)強(qiáng)度.試驗(yàn)表明,混凝土的強(qiáng)度.丘越高,粘結(jié)強(qiáng)度越大,但比值ru/則隨厶的提高而降低.有些試驗(yàn)還證明,混凝土的水泥用量,水灰比等也對(duì)其粘結(jié)性能有一定的影響.2)鋼筋位置,受力方向

10、與澆筑方向平位澆筑(即鋼筋水平布置,澆筑方向?yàn)榇怪狈较?時(shí),直接位于鋼筋下面的混凝土由于下沉及泌水,不能與鋼筋緊密接觸,使粘結(jié)強(qiáng)度降低,對(duì)于變形鋼筋,當(dāng)鋼筋的受力方向與混凝土結(jié)硬時(shí)的下沉方向相同時(shí),粘結(jié)強(qiáng)度降低,滑動(dòng)增大.3)鋼筋的直徑和表面形狀鋼筋的粘結(jié)面積與截面周界長度成正比,而拉應(yīng)力與截面積成反比,二者之比值(4/d)反映鋼筋的相對(duì)粘結(jié)面積,直徑較大(如d32inrn)的鋼筋,相對(duì)粘結(jié)面積減小,不利于極限粘結(jié)強(qiáng)度的提高.鋼筋的外形對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度有較大的影響,例如變形鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度高于光面鋼筋,變形鋼筋的肋高,肋間距不同也影響粘結(jié)強(qiáng)度.4)鋼筋周圍的約束條件鋼筋周圍的約束條件,如混凝土保護(hù)層厚

11、度,橫向配筋,縱筋間距等均直接影響鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度.保護(hù)層厚度增大,可提高外圍混凝土的劈裂抗力,因而使粘結(jié)強(qiáng)度提高;橫向配筋的存在延緩了徑向內(nèi)裂的發(fā)展,限制了劈裂裂縫的開展,因此能提高粘結(jié)強(qiáng)度.影響粘結(jié)強(qiáng)度的因素很多,使得鋼筋與混凝土界面的傳力機(jī)理復(fù)雜,試驗(yàn)所得的曲線比較分散,研究者擬合過許多粘結(jié)滑移曲線,但這些曲線之間也有較大差異,幾個(gè)較具代表性的關(guān)系式有:Nilson整理試驗(yàn)結(jié)果擬合得到的粘結(jié)滑移關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式:r=9.8×10s一5.74×10s+0.836×10(1)Houde和Mirza從62個(gè)變形鋼筋模擬縫間粘結(jié)強(qiáng)度的試件和6個(gè)模擬錨固粘結(jié)強(qiáng)

12、度的梁端試驗(yàn)得出一個(gè)用四次項(xiàng)表示的經(jīng)驗(yàn)公式:r=5.29×10s一2.52×10s+5.87×105335.47×10s(2)狄生林從梁式試件剪跨內(nèi)測點(diǎn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的公式為:r=6.59×10s一2.13×10s+0.22×10s(3)以上的式子中,r是粘結(jié)應(yīng)力,以MPa計(jì),滑移s是滑移,以mm計(jì).對(duì)式(1),(2),(3)的比較示于圖1中,圖中曲線1,2,3分別代表公式(1),(2),(3).分別對(duì)滑移s求陳建平,等:鋼筋混凝土粘結(jié)滑移特性的研究現(xiàn)狀導(dǎo)并令導(dǎo)數(shù)為零,或直接觀察圖l即可知道上述三式均在滑移s為0.01mm至

13、0.03mm時(shí)取得極大值.即達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),滑移量僅為0.010.03mm.但實(shí)際上若采用大直徑鋼筋進(jìn)行長錨試驗(yàn),在接近極限粘結(jié)強(qiáng)度時(shí),?？捎^察到高達(dá)lmm的滑移量,顯然這些不能反映鋼筋直徑和其它因素影響的經(jīng)驗(yàn)公式是不能在未加修改的情況下得到普遍應(yīng)用的.另外,從圖l還可以看出,Nilson和Houde的曲線都有下降段,而狄生林的曲線則沒有明顯的下降趁勢,考慮到Nilson和Houde的公式是從拉拔試驗(yàn)得出的,而式(3)則是擬合了梁式試件剪跨內(nèi)的測點(diǎn)數(shù)據(jù),可見應(yīng)力狀態(tài)亦能顯著影響粘結(jié)滑移曲線,正如狄生林在”鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析”一文中所描述:”簡單地取與應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)的表達(dá)形式似欠妥

14、當(dāng).加載中并未發(fā)現(xiàn)粘結(jié)應(yīng)力的大幅度下降.甚至在受裂縫顯著影響的測點(diǎn),雖然裂縫出現(xiàn)后粘結(jié)應(yīng)力明顯降低,但仍維持在一定水平上.可見裂縫附近握裹狀態(tài)并未完全破壞.”因而結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)配筋時(shí)一些參數(shù)的選取(如無粘結(jié)段的長度,錨固長度,鋼筋直徑等)缺乏必要和堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù).6.6675.8335.oo04.1673.3332.5001.6670.833銜硒應(yīng)刀/.MPtI/一狄生林/Curve3一,1.4-,一一一,jf/,ICUre2一Houde/,CUlyel一lsoz0.0D50-0l00l0I50.唧0.曬0.唧0.0350.oo0.0450.咖0.055O.60圖l典型粘結(jié)一滑移關(guān)系圖滑移/mm

15、經(jīng)驗(yàn)公式(1),(2),(3)形式都很簡單,這樣的常系數(shù)的多項(xiàng)式無法反映諸多的粘結(jié)錨固影響因素,因此,它們都只能適用于特定結(jié)構(gòu)在特定錨固條件下的情況.上世紀(jì)8O年代后期,中國建筑科學(xué)研究院的徐有鄰等人做了一系列試驗(yàn),系統(tǒng)地研究了混凝土強(qiáng)度,保護(hù)層厚度,錨固長度,配箍率,鋼筋直徑對(duì)粘結(jié)錨固性能的影響.徐有鄰在他的博士論文中給出了一個(gè)用分段函數(shù)描述的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系.將粘結(jié)滑移曲線分成五段(微滑移段,滑移段,劈裂段,下降段,殘余段)進(jìn)行描述,曲線上有四個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),也是表達(dá)式的控制點(diǎn),通過實(shí)測這些控制點(diǎn)的值,得出綜合考慮了鋼筋直徑,保護(hù)層厚度,配箍率等因素影響的分段函數(shù)表達(dá)式,并用一個(gè)位置函數(shù)同時(shí)考慮

16、不同錨固深度處的變化,建立了如下的rs關(guān)系:r:9(r).()(4)其中()是用來描述粘結(jié)滑移關(guān)系隨不同錨深變化的位置函數(shù),它可以用錨固深度來表示,具體參見文獻(xiàn)4】.(s)即是用控制點(diǎn)描述的粘結(jié)滑移分段表達(dá)式.大連理工大學(xué)在光圓鋼筋試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,又采用配有我國月牙紋鋼筋的梁式試件進(jìn)行了縫問粘結(jié)試驗(yàn)研究,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,建立了一個(gè)同時(shí)考慮了混凝土保護(hù)層厚度,混凝土和鋼筋彈性模量,裂縫間距等因素影響的rs關(guān)系式:27r.AAJ,si(25.36X10一ld一一5.04X10d.+0.29Xl03d),.,一I一一廣J式中,=E/Eo,E,Eo分別表示鋼筋和混凝土的彈性模量,Js表示單位長度上鋼

17、筋的表面積,是裂縫間距,代表離裂縫的距離,和分別為所研究點(diǎn)處的滑移和粘結(jié)應(yīng)力.比較上面所列舉的幾個(gè)rs經(jīng)驗(yàn)公式可知,式(1)(3)表達(dá)式非常簡潔,應(yīng)用起來也很簡單,缺點(diǎn)是無法反映諸多因素對(duì)粘結(jié)性能的影響,只能在小范圍內(nèi)適用;式(4)和(5)能綜合考慮各種粘結(jié)條件的影響,但表達(dá)式較復(fù)雜,應(yīng)用也較為困難.影響粘結(jié)的因素太多,以至于很難得到一個(gè)真正通用而又易于應(yīng)用的表達(dá)式,因此對(duì)于一些特殊的粘結(jié)問題,有必要進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)和研究.近幾年,一些研究者已經(jīng)開始這樣做了,例如,管品武,徐有鄰等人在1997年通過大量的冷軋扭鋼筋粘結(jié)錨固的拉拔試驗(yàn),較詳細(xì)地分析了冷軋扭鋼筋的粘結(jié)錨固機(jī)理,影響粘結(jié)錨固的主要因素

18、”;接著徐有鄰,管品武又在1998年用拉拔試驗(yàn)探討了螺旋肋鋼絲的粘結(jié)錨固性能,并統(tǒng)計(jì)回歸了粘結(jié)錨固強(qiáng)度;1999年薛偉辰,康清梁基于36個(gè)拉拔試件的試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)纖維塑料筋與不同介質(zhì)(混凝土,水泥灌漿,環(huán)氧樹脂)之間的粘結(jié)錨固性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究.隨著鋼筋?昆凝土結(jié)構(gòu)的耐久性成為熱門課題,銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)錨固性能也成為研究的焦點(diǎn),例如:西安建筑科技大學(xué)的王林科等人采用南通工學(xué)院(自然科學(xué)版)2004焦取自使用期已逾36年的某軋鋼車間屋面鋼筋混凝土擋風(fēng)支架梁作為試件,利用拉拔試驗(yàn),討論了銹后鋼筋混凝土粘結(jié)性能”州;中國礦業(yè)大學(xué)的袁迎曙等人則采用電化學(xué)原理對(duì)鋼筋混凝土拔出試件進(jìn)行加速銹

19、蝕并控制其銹蝕量,通過銹蝕變形鋼筋的拔出試驗(yàn)探討了銹蝕鋼筋混凝土的粘結(jié)退化性能”.上述關(guān)于粘結(jié)滑移的研究,主要有兩個(gè)熱點(diǎn),一是新品種鋼筋及其代用材料與混凝土的粘結(jié)滑移,另一個(gè)是鋼筋銹蝕后的粘結(jié)性能.為了給結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的配筋問題提供理論依據(jù),有必要對(duì)這種建筑中的抗震鋼筋與混凝土動(dòng)力粘結(jié)性能進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)研究.3粘結(jié)滑移有限元分析的發(fā)展用有限元法分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與一般固體力學(xué)中的有限元分析,在基本原理與方法上是一樣的,只是在進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散化時(shí),有它的特殊性.目前構(gòu)成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型主要有三種方式:整體式,組合式和分離式.整體式只能取得結(jié)構(gòu)物在外荷載作用下的宏觀反應(yīng)(如結(jié)構(gòu)的總體位移和應(yīng)力

20、分布情況等),組合式模型假定鋼筋和混凝土兩者之間的相互粘結(jié)很好,不會(huì)有相對(duì)滑移,故用有限元分析粘結(jié)滑移時(shí),只能使用分離式模型,將?昆凝土和鋼筋各自劃分成足夠小的單元,按照混凝土和鋼筋不同的力學(xué)性能選擇不同的單元形式.受到外力作用后.構(gòu)件中的鋼筋和混凝土之間在相互約束的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移,為模擬兩者之間這種粘結(jié)約束和相對(duì)滑移,需加入聯(lián)結(jié)單元.聯(lián)結(jié)單元的特點(diǎn)是,它能沿著與聯(lián)結(jié)面垂直的方向傳遞壓應(yīng)力,也能沿著與聯(lián)結(jié)面平行方向傳遞剪應(yīng)力,但不能傳遞拉應(yīng)力.近十幾年來,國內(nèi)外已提出了多種不同形式的聯(lián)(牯)結(jié)單元模式,這方面的研究情況反映在1981年,1987年Delft的兩次混凝土力學(xué)會(huì)議,1982年,

21、1992年的兩次”BondinConcrete”國際會(huì)議,以及1985年,1992年的兩次日,美RC有限元分析討論會(huì)的論文集中”.在鋼筋混凝土有限元分析中,粘結(jié)模型種類較多,有雙垂直彈簧粘結(jié)模型,粘結(jié)區(qū)單元,斜壓桿單元,四結(jié)點(diǎn)線性節(jié)理單元,六結(jié)點(diǎn)曲邊節(jié)理單元等.雙彈簧聯(lián)結(jié)單元(也稱為粘結(jié)鏈)在垂直于鋼筋和平行于鋼筋表面方向設(shè)置相互垂直的一組彈簧,這組彈簧是假想的力學(xué)模型,具有彈性剛度,但并無實(shí)際幾何尺寸,所以可以放置在需要設(shè)置聯(lián)結(jié)的任何地方,在空間問題中,可以使用兩兩正交的三彈簧單元.雙彈簧聯(lián)結(jié)單元具有形式簡單,可以方便地設(shè)置在鋼筋與混凝土單元之間,而不影響單元?jiǎng)澐值膬?yōu)點(diǎn),但它不能反映變形鋼筋

22、對(duì)混凝土的楔作用.四節(jié)點(diǎn)線性節(jié)理單元是一種退化了的四邊形單元,即寬度等于零的四邊形單元.它首先由Goodman用于巖石力學(xué)中作為節(jié)理單元,后又引伸用于各種邊界接觸面的單元,如鋼筋與混凝土間的粘結(jié)單元.由于這種單元寬度等于零,所以可以很方便地放置于鋼筋和混凝土之間而不影響單元的幾何劃分.又由于這種單元由四邊形單元退化而來,可以與四結(jié)點(diǎn)平面等參單元建立更為協(xié)調(diào)的關(guān)系.六結(jié)點(diǎn)曲邊節(jié)理單元的上下邊界都是曲線,單元的寬度可以采用有限厚度,也可假定為零,它是為了使節(jié)理單元能與八節(jié)點(diǎn)等參單元聯(lián)結(jié)而提出的.Groot在1981年提出了粘結(jié)區(qū)單元,這種單元假定鋼筋外圍有一厚度為B的圓柱體滑移層,它由一系列平行的

23、受壓錐體組成,用以模擬出現(xiàn)內(nèi)部斜裂縫后,混凝土被分割成錐狀的軟化層.粘結(jié)區(qū)單元在模擬粘結(jié)作用上比雙彈簧單元有本質(zhì)上的改進(jìn),它能反映變形鋼筋的楔作用,但由于它是有實(shí)際尺寸的軸對(duì)稱單元,用于二維或三維有限元分析時(shí),在單元?jiǎng)澐稚蠈砗艽蟮膹?fù)雜性,而且計(jì)算工作量大.滕智明教授基于長期試驗(yàn)研究和有限元分析的結(jié)果而提出的斜支柱(也稱斜壓桿)單元粘結(jié)模型,將界面上的切向粘結(jié)錨固作用和徑向擠壓作用綜合考慮,反映了變形鋼筋粘結(jié)錨固性能中的錐楔作用.斜壓桿單元具有彈性剛度卻無實(shí)際尺寸,能設(shè)置在單元結(jié)點(diǎn)處或界面處構(gòu)成連續(xù)的單元.有限元分析方法最初是在1943年提出的,并隨著電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展而得到廣泛的應(yīng)用,但

24、用有限元法來研究鋼筋混凝土構(gòu)件則相對(duì)較晚,它是在有限元方法在固體力學(xué)中取得大量研究成果的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,具體標(biāo)志事件是1967年美國工程師Ngo和Scordelis對(duì)鋼筋混凝土梁作出第一個(gè)有限元分析.雖然當(dāng)時(shí)對(duì)這一有限元分析作了較多簡化,如:鋼筋混凝土的本構(gòu)關(guān)系是線性的,梁的彎曲裂縫位置也是預(yù)先指定的,但它給鋼筋混凝土有限元分析確立了一個(gè)基本的模式,而且為了模擬鋼筋與混凝土之間的相互作用,Ngo和Scordelis還引入了專門的連接單元,可見,鋼筋混凝土間的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系是用有限元分析此類構(gòu)件的一個(gè)非常關(guān)鍵的問題.繼Ngo和Scordelis之后,許多工程師和學(xué)者也對(duì)鋼筋混凝土粘結(jié)滑移問題

25、作了有限元分析,其中包括:1970年Lutz分析了握裹層混凝土的應(yīng)力狀態(tài)陳建平,等:鋼筋混凝土粘結(jié)滑移特性的研究現(xiàn)狀及相應(yīng)變形”引;1973年R.Tepfers分析了鋼筋橫肋附近混凝土咬合齒的應(yīng)力狀態(tài)btl;1978年Nilson也對(duì)鋼筋混凝土梁作了有限元分析,并在分析中引入了鋼筋和混凝土及粘結(jié)滑移的非線性本構(gòu)關(guān)系,對(duì)裂縫的模擬也有所改進(jìn)”;1981年宋啟根采用在混凝土中設(shè)置內(nèi)部裂縫區(qū)的方法,不需預(yù)先對(duì)粘結(jié)滑移關(guān)系作出假定,對(duì)幾個(gè)典型的粘結(jié)試件作了有限元分析,并取得了一定成果【l引.還有許多工程師和學(xué)者所作的工作推動(dòng)了鋼筋混凝土粘結(jié)滑移的有限元分析的發(fā)展.值得一提的是,前人在用有限元分析鋼筋混

26、凝土的粘結(jié)滑移問題時(shí),一般的做法都是自行編寫程序進(jìn)行計(jì)算,例如Ngo和Scordelis第一次對(duì)鋼筋混凝土梁作有限元分析時(shí),采用的是自編制的有限元計(jì)算程序,這個(gè)程序相對(duì)簡單,其后許多研究者研制出很多程序,有些可以研究鋼筋混凝土梁,板,殼等結(jié)構(gòu),不少程序還能對(duì)三維的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜,動(dòng)力分析.這樣做的好處是能方便地實(shí)現(xiàn)新提出的單元類型或新的算法,但有一個(gè)最大的缺點(diǎn),那就是程序難以推廣應(yīng)用,因此成果也很難在同行中交流,而且不可避免地會(huì)造成許多重復(fù)勞動(dòng).另一方面,計(jì)算機(jī)的更新?lián)Q代非?？?軟件一般也得隨之升級(jí),而這類軟件維護(hù)工作通常需由專業(yè)的人員去做.前人的有限元程序常因跟不上計(jì)算機(jī)的升級(jí),缺少維

27、護(hù)工作而生存期不長.二十世紀(jì)七十年代初,美國出現(xiàn)了專門開發(fā)大型通用商業(yè)化有限元計(jì)算分析軟件的公司,如ANSYS,MSC等,由這些公司開發(fā)的ANSYS,MARC,NASTRAN等大型軟件可以用來分析結(jié)構(gòu),電磁場,流體力學(xué),機(jī)械學(xué)等各個(gè)學(xué)科的力學(xué)問題,通用性非常強(qiáng).采用這種商業(yè)化軟件進(jìn)行計(jì)算分析有如下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):一,由于這種商業(yè)化軟件的每一項(xiàng)功能都經(jīng)受過無數(shù)次工程計(jì)算的驗(yàn)證,因而有極高的正確性;二,ANSYS具有非常強(qiáng)的三維圖形處理功能,其中圖形前處理功能使得建模過程可視化,操作簡單快捷且不易出錯(cuò),而強(qiáng)大的圖形后處理功能又使計(jì)算結(jié)果可視化,能形象地表示各種變量的分布規(guī)律,而這部分圖形處理功能正是許多

28、自編制程序所不具備的;三,研究者可以從重復(fù)編寫代碼的勞苦中解脫出來,把精力集中到所研究的課題上,另外由于使用了統(tǒng)一的計(jì)算工具,不同的研究者可以方便地將研究成果進(jìn)行交流.考慮到這些因素,可采用了非線性分析功能強(qiáng)大的ANSYS(AnalysisSystem)軟件作為計(jì)算工具.同時(shí)利用ANSYS提供的二次開發(fā)功能,編寫了一些接口程序,以彌補(bǔ)這些軟件成品難以定制的缺陷.河海大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所對(duì)此進(jìn)行較為初步的研究的開發(fā),也獲得了具有一定科學(xué)價(jià)值的研究成果,但由于非線性粘結(jié)滑移性能的研究存在一定的局限性,因此,有必要進(jìn)行深入研究和結(jié)構(gòu)的仿真分析.4結(jié)論文章主要對(duì)國內(nèi)外研究粘結(jié)滑移的試驗(yàn)方法,本構(gòu)關(guān)系以及有限

29、元分析等方面的研究現(xiàn)狀逐一進(jìn)行闡述,縱上所述,主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論:(1)目前試驗(yàn)方法有:拉拔試驗(yàn)(也稱作拔出試驗(yàn)),梁式試驗(yàn)和軸拉試驗(yàn).盡管試驗(yàn)方法有多種,但大多僅限于靜態(tài)的或擬靜態(tài)的試驗(yàn)研究.對(duì)于抗震要求的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,還應(yīng)研究動(dòng)態(tài)的粘結(jié)滑移性能,由實(shí)測粘結(jié)應(yīng)力的分布和鋼筋與混凝土間在界面上的相對(duì)滑移,得出沿界面上一些代表位置上的局部粘結(jié)應(yīng)力和局部滑移之間的本構(gòu)關(guān)系,再將這個(gè)本構(gòu)關(guān)系應(yīng)用于有限元分析.進(jìn)而,為結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù).(2)由于影響粘結(jié)的因素太多,以至于很難得到一個(gè)真正通用而又易于應(yīng)用的表達(dá)式,因此對(duì)于一些特殊的粘結(jié)問題,有必要進(jìn)行單獨(dú)的試驗(yàn)和研究.關(guān)于粘結(jié)滑移的研究,主要有

30、兩個(gè)熱點(diǎn):一是新品種鋼筋及其代用材料與混凝土的粘結(jié)滑移,另一個(gè)是鋼筋銹蝕后的粘結(jié)性能.為了給結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的配筋問題提供理論依據(jù),有必要對(duì)這種建筑中的大直徑和高強(qiáng)度抗震鋼筋與混凝土動(dòng)力粘結(jié)性能進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)研究.(3)在用有限元分析鋼筋混凝土的粘結(jié)滑移問題時(shí),自行編寫程序進(jìn)行計(jì)算能方便地實(shí)現(xiàn)新提出的單元類型或新的算法,但自編程序難以推廣應(yīng)用,因此成果很難在同行中交流并造成許多重復(fù)勞動(dòng).而商業(yè)化軟件進(jìn)行計(jì)算分析有極高的正確性和較強(qiáng)的三維圖形處理功能,便與不同的研究人員的研究成果進(jìn)行交流.考慮到這些因素,可采用了非線性分析功能強(qiáng)大的ANSYS軟件作為計(jì)算工具.同時(shí)利用ANSYS提供的二次開發(fā)功能,編

31、寫了一些接口程序,以彌補(bǔ)這些軟件成品難以定制的缺陷.參考文獻(xiàn):【1J陳厚群.小灣拱壩的抗震研究【J】.云南水力發(fā)電,1997,(2)?56?南通工學(xué)院(自然科學(xué)版)2004焦【2】膝智明.鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力【R】.1978.【3】SoreushianPLocalBondofDeformedBarswithDifferentDiametersinConfinedConcrete【J】.AC1,Structural,1989,86.【4】徐有鄰.變形鋼筋一混凝土粘結(jié)錨固性能的試驗(yàn)研究【DJI.北京:清華大學(xué),1990.【5】狄生林.鋼筋混凝土梁的非線性有限元分析【J】.南京工學(xué)院,1984,1

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