付 佩 許 笛 劉祖華

(1. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092； 2. 中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司, 北京 100195)

基于ABAQUS錨固槽鋼拉拔性能試驗(yàn)研究及有限元分析

付 佩1,*許 笛2劉祖華1

(1. 同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所，上海 200092； 2. 中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司, 北京 100195)

德國(guó)PEC錨固槽鋼作為一種槽式預(yù)埋件，可以對(duì)各種結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行固定。為了解PEC錨固槽鋼的拉拔錨固性能，對(duì)TA型號(hào)的錨固槽鋼進(jìn)行拉拔加載試驗(yàn)、理論分析以及有限元分析。詳細(xì)介紹了試驗(yàn)方法和試驗(yàn)結(jié)果，并將試驗(yàn)結(jié)果與歐洲錨固槽鋼規(guī)范理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。此外，根據(jù)試驗(yàn)提供的條件，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)錨固槽鋼的拉拔試驗(yàn)進(jìn)行模擬，并詳細(xì)比較有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果。結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果、有限元分析結(jié)果吻合較好，可供類(lèi)似項(xiàng)目參考。

預(yù)埋槽鋼， 拉拔錨固性能， 拉拔加載試驗(yàn)， 歐洲錨固槽鋼規(guī)范， 有限元分析

1 引 言

德國(guó)PEC錨固槽鋼作為一種槽式預(yù)埋件，可以對(duì)各種結(jié)構(gòu)元件進(jìn)行固定，且具有便于安裝和可調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，槽式預(yù)埋件在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍。我國(guó)應(yīng)用較廣的是鋼板與錨筋焊接的預(yù)埋件[1]，然而對(duì)于錨固槽鋼我國(guó)并未有專門(mén)的規(guī)范設(shè)計(jì)。錨固槽鋼作為預(yù)埋件在國(guó)外應(yīng)用較廣，并有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范[2]。槽式預(yù)埋件在國(guó)外廣泛應(yīng)用于幕墻、橋面排水系統(tǒng)等的固定，近年來(lái)我國(guó)也有人做了相關(guān)研究[3-4]。本文所介紹PEC-TA型錨固槽鋼為常規(guī)型錨固槽鋼，它是一種能承受較大荷載的預(yù)埋件，主要由槽鋼和錨腿組成，槽鋼用于連接各結(jié)構(gòu)元件，錨腿直接埋置于混凝土中，提供固定結(jié)構(gòu)元件的抗力。在建筑業(yè)中，錨固槽鋼應(yīng)用較廣，如玻璃幕墻和鋁掛板幕墻等的安裝固定，其連接固定是通過(guò)T形螺栓完成?，F(xiàn)場(chǎng)安裝可靠、便捷、快速，不需要進(jìn)行電焊或鉆孔，并且可以通過(guò)預(yù)埋槽鋼長(zhǎng)度方向預(yù)留的空間來(lái)調(diào)整設(shè)計(jì)或施工產(chǎn)生的誤差。目前關(guān)于這種錨固槽鋼的拉拔性能研究較少。本文主要對(duì)TA-52/34型號(hào)的錨固槽鋼進(jìn)行拉拔加載試驗(yàn)，利用大型通用有限元程序ABAQUS對(duì)預(yù)埋件拉拔進(jìn)行了數(shù)值模擬，以了解錨固槽鋼在混凝土中的拉拔錨固性能。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)[5]

試驗(yàn)所采用的預(yù)埋槽鋼及T形螺栓均由德國(guó)PEC公司提供。本次試驗(yàn)試件數(shù)量為3組，試件由預(yù)埋槽鋼和混凝土基材組成，見(jiàn)圖1。

圖1 加載示意圖(單位：mm)

PEC-TA-52/34-350 mm預(yù)埋槽鋼，材質(zhì)為QStE380，表面熱鍍鋅處理，槽鋼背后焊接有3根工字形錨腿，錨腿為寬40 mm、厚5 mm的鋼板條，錨腿端部寬20 mm?；炷粱某叽鐬?68 mm×672 mm×309 mm(長(zhǎng)×寬×厚)，強(qiáng)度等級(jí)為C45。槽鋼埋置于混凝土塊的澆筑頂面。

2.2 加載方法

本次試驗(yàn)是通過(guò)一個(gè)連接件對(duì)預(yù)埋槽鋼進(jìn)行拉拔加載。連接件由一根M24螺桿和一塊厚為25 mm的鋼板焊接而成，厚鋼板通過(guò)兩個(gè)T形螺栓與槽鋼連接。拉拔力由一個(gè)穿心千斤頂施加，通過(guò)M24螺桿來(lái)拉拔連接件，再通過(guò)兩個(gè)T形螺栓來(lái)拉拔預(yù)埋槽鋼。試驗(yàn)采用自平衡體系，千斤頂?shù)姆戳νㄟ^(guò)兩個(gè)鋼梁分散到四個(gè)位于混凝土試件表面的支承點(diǎn)。圖1為加載示意圖。

2.3 測(cè)量方法

作用于錨固槽鋼的拉拔力，由安裝在螺桿上的荷載傳感器得到(圖2)。在拉拔試驗(yàn)過(guò)程中，所有測(cè)量?jī)x器都接入DH3816靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀和計(jì)算機(jī)，所有的測(cè)量數(shù)據(jù)都存入計(jì)算機(jī)磁盤(pán)。

圖2 拉拔加載圖

加載時(shí)用YHD位移傳感器測(cè)量槽鋼底部?jī)?nèi)表面拉拔位移，以此代表錨固槽鋼的拉拔位移。同時(shí)觀察混凝土塊的受力變形情況和混凝土塊的開(kāi)裂、破壞形式。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

拉拔試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。3組試件均為混凝土受拉破壞，混凝土裂縫明顯，槽鋼與T形螺栓連接處出現(xiàn)局部凸起。取一個(gè)槽鋼試驗(yàn)說(shuō)明試驗(yàn)現(xiàn)象。

試驗(yàn)以穩(wěn)定的速率進(jìn)行加載，加載至143 kN時(shí)，槽鋼邊緣附近的混凝土表面首先出現(xiàn)細(xì)小裂縫；加載至約171 kN時(shí)，槽鋼周?chē)炷脸霈F(xiàn)碎裂現(xiàn)象；加載至約205 kN時(shí)，試件上表面從槽鋼的角部向外方向突然出現(xiàn)斜向裂縫，并迅速變寬、延伸至混凝土試件側(cè)面，混凝土塊達(dá)到破壞，并在槽鋼中部?jī)蓚?cè)垂直方向各出現(xiàn)一條裂縫。試件破壞后外表面裂縫情況見(jiàn)圖3。

表1 拉拔試驗(yàn)結(jié)果匯總

Table 1 Data of pullout test

圖3 試件外表面裂縫情況

試驗(yàn)得到試件的最大拉拔力(破壞荷載)為206.07 kN。試驗(yàn)后觀察破壞試件，其破壞形式為錐體破壞；槽鋼發(fā)生了明顯的彎曲變形，但未被拔出；錨腿端部與基材接觸處混凝土被壓碎;同時(shí)，槽鋼卷邊受力外張致使附近混凝土被壓碎，上部混凝土被拉裂。試件內(nèi)部破壞情況見(jiàn)圖4。

圖4 試件內(nèi)部混凝土破壞情況

2.5 混凝土錐體破壞承載力

錨腿端部焊接或沖壓有錨板的預(yù)埋件，在拉拔荷載作用下，如埋深較淺，通常破壞形式為受拉混凝土錐體破壞。從試驗(yàn)現(xiàn)象可以判斷試件的破壞形式為混凝土錐體破壞。根據(jù)歐洲錨固槽鋼規(guī)范CEN/TS 1992-4-3：2009[2]，混凝土錐體破壞公式為

(1)

(2)

(3)

式中，αch為考慮槽鋼(錨槽)對(duì)混凝土錐體破壞荷載影響的修正系數(shù)，可參考?xì)W洲相關(guān)規(guī)范，其值不大于1；fck,cube為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(N/mm2)；hef為槽鋼錨腿有效埋置深度(mm)。

根據(jù)式(1)—式(3)，當(dāng)混凝土為C45時(shí)，計(jì)算得到試件混凝土錐體破壞極限承載力理論計(jì)算值為214.09 kN。根據(jù)表1，對(duì)比三個(gè)試件的最大拉拔力可知，受拉混凝土錐體破壞試驗(yàn)結(jié)果與規(guī)范CEN/TS 1992-4-3：2009[2]理論計(jì)算結(jié)果符合較好。

3 試驗(yàn)有限元模擬分析

3.1 有限元模型的建立

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的基于有限元方法的工程模擬軟件。在非線性分析中，ABAQUS能自動(dòng)選擇合適的載荷增量和收斂準(zhǔn)則，同時(shí)，在分析過(guò)程中也能不斷地調(diào)整這些參數(shù)值，以確保獲得精確的解答。

3.1.1 材料的選用[6-7]

利用ABAQUS進(jìn)行建模，模型由三部分組成：由鋼材組成的預(yù)埋槽鋼、T形螺栓和混凝土組成的外部結(jié)構(gòu)。

屈服準(zhǔn)則描述了初始屈服準(zhǔn)則隨著塑性應(yīng)變的增量是怎樣發(fā)展的。對(duì)于建筑用鋼材來(lái)說(shuō)，ABAQUS使用的強(qiáng)化準(zhǔn)則有三種：等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，隨動(dòng)強(qiáng)化準(zhǔn)則以及混合強(qiáng)化準(zhǔn)則。本文試驗(yàn)研究為靜力單向加載，采用等向強(qiáng)化準(zhǔn)則，其本構(gòu)關(guān)系采用理想雙線性彈塑性模型，屈服強(qiáng)度取為380 MPa，彈性模量為2.06×105MPa。

ABAQUS中模擬混凝土的常用材料模型：彌散開(kāi)裂模型(smeared cracking model)和損傷塑性模型(damaged plasticity model)。本文在計(jì)算時(shí)采用混凝土損傷塑性模型。損傷塑性模型是一個(gè)基于連續(xù)介質(zhì)的彈塑性模型，通過(guò)引入損傷指標(biāo)來(lái)對(duì)彈性剛度進(jìn)行折減以模擬混凝土的剛度退化，它同時(shí)適用于單調(diào)加載和往復(fù)加載等情況。損傷塑性模型是在Lubliner,Lee和Fenves的模型基礎(chǔ)上建立的，不考慮高靜水壓力作用下的混凝土行為，其主要描述混凝土及其他準(zhǔn)脆性材料在相對(duì)較低圍壓下(小于4.5倍單軸極限抗壓應(yīng)力)不可逆的損傷效應(yīng)以及相關(guān)的破壞機(jī)制[6]。單軸本構(gòu)關(guān)系是損傷塑性模型的基礎(chǔ)，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010—2010)[1]附錄C中曲線定義混凝土的單軸受壓本構(gòu)關(guān)系。ABAQUS中在定義混凝土單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系時(shí)，采用的是應(yīng)力和塑性應(yīng)變的關(guān)系曲線，需要將曲線中應(yīng)變轉(zhuǎn)換成塑性應(yīng)變，具體公式為

εpl=ε-σ/E

(4)

式中，E是初始彈性模量。

單軸受拉本構(gòu)關(guān)系需要定義抗拉強(qiáng)度值ft和軟化段，即達(dá)到抗拉強(qiáng)度后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在達(dá)到抗拉強(qiáng)度之前，混凝土受拉按彈性處理；達(dá)到抗拉強(qiáng)度后，按定義的軟化曲線取值。在定義混凝土軟化段時(shí)，極限拉應(yīng)變及其對(duì)應(yīng)的殘余強(qiáng)度對(duì)有限元計(jì)算的收斂性有較大的影響，殘余強(qiáng)度取0.1ft。其他相關(guān)取值參照實(shí)測(cè)值。

有限元模型中，混凝土、錨腿、槽鋼和T形螺栓采用彈塑性8節(jié)點(diǎn)的線性減縮積分六面體實(shí)體單元C3D8R單元進(jìn)行模擬。

3.1.2 接觸類(lèi)型選擇[7]

在拉拔試驗(yàn)中，由于槽鋼、錨腿外表面較為光滑，故模擬分析中沒(méi)有考慮混凝土與鋼材之間的粘結(jié)力。模型中槽鋼與混凝土接觸部位、錨腿(除端部外)與混凝土豎向接觸部位皆未設(shè)置接觸對(duì)，只在錨腿端部與混凝土接觸部位設(shè)置了接觸對(duì)，采用表面與表面接觸。其中，鋼材為主面，混凝土為從面，用有限滑移公式來(lái)描述接觸面之間的滑移。接觸屬性主要設(shè)置了切向行為與法向行為；采用允許“彈性滑移”的罰摩擦公式描述接觸的切向行為，采用“硬”接觸來(lái)描述接觸的法向行為。

3.1.3 邊界條件的確定

試驗(yàn)中，試件是平放在鋼臺(tái)座上，采用自平衡的方式均勻加載。有限元模型把地面作為剛性平面，并對(duì)混凝土塊模型下表面和側(cè)表面施加位移約束，這樣邊界條件與試驗(yàn)一致。

3.1.4 荷載的施加

文中荷載施加在兩個(gè)T形螺栓上，螺栓通過(guò)與槽鋼翼緣的接觸對(duì)將力傳遞給下部槽鋼，和試驗(yàn)加載方式一致。文中模型由于面面接觸問(wèn)題，屬于高度接觸非線性，以及混凝土材料的非線性，為加強(qiáng)收斂，用*control設(shè)置較大的允許迭代次數(shù)，以較合理的時(shí)間代價(jià)得到精確解。分析時(shí)給模型施加和試驗(yàn)荷載接近的荷載，模擬計(jì)算收斂。

3.2 有限元分析

根據(jù)有限元模型分析求解結(jié)果，對(duì)比槽鋼與混凝土在最終階段的模型變形、應(yīng)力等云圖，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更直觀的分析。圖5為混凝土塊外表面在拉力作用下的Mises應(yīng)力云圖，從其應(yīng)力分布可以看出混凝土較大應(yīng)力分布區(qū)域與試驗(yàn)中混凝土產(chǎn)生的裂縫形狀區(qū)域(圖3)基本一致。圖6、圖7為混凝土塊縱、橫向剖面Mises應(yīng)力云圖。由于錨腿是直接埋置于混凝土塊體中，在槽鋼受拉拔作用時(shí)，錨腿端部與混凝土之間會(huì)形成一定面積的直接沖壓，錨腿與混凝土之間的相互作用較大，試驗(yàn)中錨腿端部與混凝土塊連接處混凝土破碎明顯，從剖面應(yīng)力云圖可知錨腿端部處混凝土有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，與試驗(yàn)較為一致(圖4)。圖8、圖9為槽鋼Mises應(yīng)力云圖和變形云圖，最大變形發(fā)生在施加拉拔荷載的T形螺栓與槽鋼連接處，槽鋼卷邊外張明顯，埋置于混凝土塊中的錨腿基本都達(dá)到鋼材屈服強(qiáng)度。

根據(jù)槽鋼和混凝土的應(yīng)力云圖，槽鋼應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在槽鋼與T形螺栓連接處以及錨腿處，最大應(yīng)力420 MPa，錨腿大部分區(qū)域應(yīng)力在屈服強(qiáng)度380 MPa附近，槽鋼未完全進(jìn)入塑性；混凝土應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在錨腿端部與混凝土接觸處，局部區(qū)域最大應(yīng)力已達(dá)55.0 MPa，已達(dá)到混凝土抗壓極限，混凝土塊瀕臨破壞。

圖5 混凝土外表面Mises應(yīng)力云圖

圖6 混凝土縱向剖面Mises應(yīng)力云圖

圖7 混凝土橫向剖面Mises應(yīng)力云圖

圖8 槽鋼Mises應(yīng)力云圖

注：U2方向與錨腿長(zhǎng)度方向一致，且以向上為正。圖9 槽鋼U2向變形云圖

在整個(gè)受力過(guò)程中，槽鋼和混凝土變形較小，直到混凝土塊達(dá)到破壞。試驗(yàn)破壞形式為混凝土受拉破壞，槽鋼未完全進(jìn)入塑性。試驗(yàn)極限荷載并未使有限元模型達(dá)到承載極限，可能原因較多，如實(shí)際試驗(yàn)混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)條件、初始缺陷、試驗(yàn)邊界條件等等。

有限元模擬和試驗(yàn)測(cè)得的荷載—位移曲線對(duì)比見(jiàn)圖10，從三組試驗(yàn)曲線可以看出明顯的彈性區(qū)段和塑性區(qū)段；圖中虛線為有限元模擬結(jié)果，可見(jiàn)有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較接近。

圖10 有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)PEC-TA-52/34-350 mm預(yù)埋槽鋼進(jìn)行拉拔加裝試驗(yàn)以及有限元模擬，可以得到以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)最大拉拔力與歐洲錨固槽鋼規(guī)范CEN/TS 1992-4-3：2009理論計(jì)算結(jié)果，兩者符合較好。

(2)根據(jù)試驗(yàn)提供的條件建立有限元模型，利用ABAQUS對(duì)PEC-TA-52/34預(yù)埋槽鋼的施加拉拔荷載為試驗(yàn)所得的極限荷載，通過(guò)有限元分析可知，此荷載并未使有限元模型達(dá)到破壞，但是其結(jié)果中混凝土和槽鋼較大應(yīng)力分布區(qū)域與試驗(yàn)中裂縫和變形產(chǎn)生區(qū)域較為一致，并通過(guò)對(duì)比荷載-位移曲線，可知有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)論基本一致。

(3)從試驗(yàn)及有限元分析可知，預(yù)埋槽鋼試件在拉拔荷載作用下，均是混凝土破壞，即脆性破壞，槽鋼未完全進(jìn)入塑性，則說(shuō)明試驗(yàn)中預(yù)埋槽鋼的拉拔性能沒(méi)有得到充分展現(xiàn)，建議再做此類(lèi)試驗(yàn)時(shí)應(yīng)選用更高強(qiáng)度等級(jí)的混凝土。

本論文的研究工作得到德國(guó)PEC公司的支持，特表感謝。

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Finite Element Analysis and Experimerimental Research of Pullout Bearing Capacity of Cast-in Channels using ABAQUS

FU Pei1,*XU Di2LIU Zuhua1

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction of Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Zhongzi Huake Traffic Construction Technology Co, Ltd, Beijing 100195,China)

Germany PEC Cast-in Channel, a kind of trough embedded parts,is suited for the fixing of different construction elements. In order to know the pullout anchorage performance of TA anchor channels, we had performed the pullout loading test,the theoretical analysis and the finite element analysis. The test procedure and test results were presented.The test results were compared with the theoretical results of the European anchor channel code.What’s more, based on the experiment, a finite element model was built. ABAQUS software was used to analyze the behavior of the cast-in channels. The test results were compared with the finite element analysis results.The comparison shows that the finite element analysis results and the theoretical results are consistent with the experiment ones. The test and analysis method could be reference for similar projects.

cast-in channel, pullout anchorage performance, pullout loading test, European anchor channel code, finite element analysis

2014-06-06

*聯(lián)系作者，Email:hanfws18@163.com