混凝土構件植筋受橫向力作用的數值模擬

宋佼佼，田錦邦

（晉中職業技術學院，山西 晉中030600）

既有建筑物的加固改造中，混凝土結構的加固占50%。鋼筋混凝土植筋的錨固技術可分為預埋式錨固和后錨固兩種。其中，后錨固技術以其施工方便、性能可靠、布置靈活等優點得到越來越廣泛的應用。后錨固連接構件按工作原理和構造的不同，可分為機械式錨栓（如膨脹型錨栓、擴孔型錨栓、后切底型錨栓等）和粘結式錨栓（化學錨栓、化學植筋或螺桿等）。化學錨栓與機械錨栓的長度一般都固定，化學植筋（螺桿）與化學錨栓的作用機理相近，只是埋置深度可以根據需要靈活設置，尤其是化學植筋更是以其傳力性能穩定、施工方便、工期短、成本低的連接技術而大量應用于工業與民用建筑、道路橋梁、水電工程和海洋工程，也成為近年來的研究熱點。國內在植筋技術方面的研究多限于單根植筋簡單受力性能，所以植筋技術的應用普及還需要通過大量研究，使其形成一套完整的植筋技術，從而使該技術進一步理論化、規范化。

本文主要分析鋼筋混凝土在橫向力作用下混凝土的破壞，并分析結果，為工程應用提供一定的科學依據。

一、鋼筋混凝土植筋的有限元建模

進入ANSYS軟件前處理器，開始建模以及其他前處理操作。其中鋼筋單元類型為Structure Sol?id45。鋼筋材料模型為2號材料。然后定義混凝土材料模型，材料彈性模量為2.55e10，泊松比0.3，并在其中指定混凝土的開口裂縫剪應力傳遞系數、閉合裂縫剪應力傳遞系數、軸心抗拉強度以及軸心抗壓強度。最后鋼筋混凝土植筋采用分離式模型。

二、混凝土植筋的數值模擬分析

對模型施加位移邊界以及橫向力進入通用后處理器進行模擬并讀入結果。（注：下圖表示混凝土整個開裂過程按時間進程的4個階段，混凝土中的小圓圈代表該處混凝土的開裂）

圖1 第一子步混凝土開裂圖

圖2 第二子步混凝土開裂圖

圖3 第三子步混凝土開裂圖

圖4 第四子步混凝土開裂圖

從4個階段的開裂過程可以得知，混凝土的開裂最先從鋼筋與混凝土的接觸部分開裂，然后沿著混凝土外表面的45°方向先出現裂縫，接著沿45°方向的周圍也開始出現裂縫，最后蔓延至混凝土的各個部分。從內部的開裂云圖可知，沿著植筋周圍的混凝土開裂現象最為嚴重，混凝土內部的開裂比外部要嚴重。

三、結論

從模擬分析可知，混凝土的破壞首先從鋼筋插入混凝土的周圍部分開始，第一子步沿著混凝土45°方向開裂最為明顯，隨著子步的增加，其裂縫逐漸蔓延至混凝土的各個部分。

混凝土內部破壞遠大于外部破壞的形式，從一半的混凝土模型破壞形式可以看出，當外部有裂縫時，鋼筋混凝土中還有許多單元未出現開裂，因此在混凝土的外部剛出現一些裂縫時，混凝土并沒有完全破壞，可以繼續使用。

鋼筋混凝土植筋系統的破壞形態不僅與植筋的錨固深度有關，還與鋼筋的屈服強度和混凝土受到的約束、混凝土的性質有關。植筋深度較大時鋼筋強度儲備較大，其強度可充分發揮。

本文采用ANSYS有限元軟件對各類情況進行了模擬計算，試驗中材料系數的選擇、埋深、植筋系數、試驗方法均與實際應用情況類似，計算結果顯示破壞形式、鋼筋內力以及混凝土應力、應變以及開裂等基本與實際情況相似，總的來看，模擬計算結果能夠較好反映實際受力情況。

ANSYS軟件中提供了專門針對混凝土材料的有限元單元SOLID 65，并提供了相應的強度準則和本構關系，將其和ANSYS 中其他各種單元進行正確的組合使用，可以用于分析各種復雜的混凝土結構和構件。如果處理好建模，分網，求解中的各種細節問題，將取得良好結果。

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