基于ANSYS的植筋錨固系統參數化建模

張城赫

【摘 要】在我國，植筋錨固技術的分析和應用起步較晚，而且主要以實驗研究和實際中的應用總結為主。從技術發展的觀點上看，利用有限元數值分析方法建立植筋錨固系統中的各部分單元模型，對于分析其后續的破壞機理和傳力途徑是十分必要、也是十分有優勢的。本文將以ansys有限元數值分析軟件為基礎建立植筋錨固系統各部分單元模型，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受力分析的理論基礎。

【關鍵字】植筋系統，后錨固，ansys有限元分析，接觸單元

第一章 概述

1.1概述

隨著建筑業的迅速發展，我國逐步進入建筑物的改造和加固的高峰期，有相當一部分建筑物已經進入中老年期，亟待進行檢測和加固處理。在所有加固方法中，植筋錨固技術作為一種重要的后加固方法，以其便捷、經濟、實用等優勢廣泛應用于建筑物加固領域。同時，由于一些設計上的偏差和施工上的失誤，一些新興建筑物也需要進行加固處理，這些都為植筋錨固技術的應用和發展提供了廣闊的空間。

1.2植筋錨固系統簡介

植筋錨固技術是建筑物加固的重要手段之一，其方法是在結構需改造加固的部位按工程實際需要經過定位、鉆孔、灌漿、植筋等工序對建筑物實行改造，使其滿足設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，植筋錨固技術的分析和應用起步較晚，而且主要以實驗研究和實際中的應用總結為主。從技術發展的觀點上看，利用有限元數值分析方法建立植筋錨固系統中的各部分單元模型，對于分析其后續的破壞機理和傳力途徑是十分必要、也是十分有優勢的。本文將以ansys有限元數值分析軟件為基礎建立植筋錨固系統各部分單元模型，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受力分析的理論基礎。

第二章 植筋錨固技術原理和破壞模式

2.1植筋錨固原理

植筋錨固系統的原理是材料的相互結合。通過化學粘結劑—植筋膠，將鋼筋固定于混凝土基材鉆孔中，通過粘結作用，以實現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，因此植筋傳力機理主要靠植入鋼筋與植筋膠之間的粘結力與混凝土與植筋膠之間的粘結作用來實現的。所以這三者之間的粘結力和植筋膠本身的性質決定了植入鋼筋與混凝土之間的錨固性能，從而影響到整個構件的受力性能。

2.2基本破壞模式

1） 植筋膠和鋼筋的粘結界面達到極限強度而破壞

2） 植筋膠與混凝土的粘結界面達到極限強度而破壞

3） 鋼筋本身達到設計強度而破壞

4） 混凝土本身達到極限強度而破壞，發生剝落甚至產生裂縫

5） 植筋膠本身達到極限強度而破壞

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。該單元通過兩個節點、橫截面積、初始應變及材料屬性來定義。該單元需要輸入的實常數有兩項：AREA（橫截面面積）、ISTRN（初始應變值）。其材料特性包括彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、密度等，可較好的模擬單元的塑形、蠕變、應力剛化等特性。

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來模擬混凝土時，其輸入的參數主要包括：彈性模量、泊松比、張開與閉合滑移面的剪切強度縮減系數、抗拉與抗壓強度、極限雙軸抗壓強度，剩余參數均采用系統默認值。主要的關鍵字包括：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力松弛，經證明，考慮開裂后應力松弛有助于計算收斂。

3.1.3粘結劑單元：本次植筋錨固系統粘結滑移有限元分析采用非線性彈簧單元combine39模擬。定義combine39單元需要兩個節點和一條總體的F-D曲線，曲線上的節點，如D1，F1；D2，F2等等所代表的是結構分析中力與相對平移的關系，即彎矩與旋轉的關系由此來定義非線性彈簧單元的受力性質，不需要再定義材料性質。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點的直線來定義的。對于F-D曲線的描述，國內外已經做了大量工作，其中一部分成果已經應用到了實際當中，本文參考楊勇在《型鋼混凝土粘結滑移基本原理及應用研究》（西安建筑科技大學 2003）中的結論，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，并劃分網絡

在此步中，需要建立接觸實體的實體模型。與ansys結構分析過程相同，需要設置好單元類型、實常數、材料特性，用恰當的單元類型給接觸實體劃分網絡。

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

目標面與接觸面合稱為一個接觸對。對于剛性—柔性接觸，目標面總是剛性的，接觸面總是柔性的。在ansys數值分析當中，目標單元用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指定目標面和接觸面

在植筋錨固系統中，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。根據第二步中的說明，在植筋錨固系統中，對于混凝土與植筋膠的接觸中，混凝土應為目標面，用targe170模擬，植筋膠應為接觸面，用cantact174模擬；對于植筋膠與鋼筋的接觸，植筋膠應為接觸面，用contact174模擬，鋼筋應為目標面，用targe170模擬

3.2.4定義剛性目標面

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

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

隨后須設置目標單元的實常數

命令：Real

GUI：main menn>preprocessor>real constants

對targe170僅需設置實常數R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目標單元時，需要指定實常數R1、R2，為了直接生成目標單元，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，根據植筋錨固系統的實際情況，單元性狀為圓曲面。

3.2.5定義柔性目標面

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

3.2.6設置單元關鍵字和實常數

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

實常數：

1、R1和R2定義目標單元幾何形狀

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：決定單元的接觸應力，太大可能會導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系，對于埋置深度為15d—25d的植筋錨固系統，其值可在0.1—0.2之間用線性內插法選取

4、ICONT定義初始靠近因子

5、PINB定義“pinball”區域

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

單元關鍵字：

每種接觸單元都有好幾個關鍵字，對大多數的接觸問題省卻的關鍵字是合適的，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，程序可以使用擴增的拉格朗日算法或罰函數方法，通過使用單元關鍵字KETOPT（2）來指定。

2、 出現超單元時的應力狀態（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，而造成收斂困難，一般來諮，應該選取足夠大的接觸剛度以保證接觸滲透小到可以接受，但同時又應該讓接觸剛度足夠小以使不會引起總剛矩陣的病態問題而保證收斂性，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致透透問題要比過高的接觸剛度導致的收斂性困難要容易解決

2）對前幾個子步進行計算

3）檢查滲透量和每一子步中的平衡迭代次數，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到收斂值需要過多的迭代次數，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接觸，摩擦系數取0.25，并根據植筋膠的力學性能指定指定最大等效剪應力，一般取25KN/mm2，當超過此最大剪應力時，滑動發生靜動摩擦系數比去為1.0

3.2.7控制剛性目標的運動

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的接觸 。如果時間步太大，則接觸力的光滑傳遞會被破壞，設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

設置合理的平衡迭代次數，一個合理的平衡迭代次數通常在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 結語

植筋錨固技術作為一種重要的后加固方法，以其便捷、經濟、實用等優勢廣泛應用于建筑物加固領域。同時，隨著有限元理論的不斷成熟和計算機的廣泛應用，越來越多的有限元分析軟件開始應用于工程領域，所以如何正確的建立植筋系統的ansys有限元模型從而進一步為下一步的數據分析做好準備顯得十分必要。本文著重以ansys有限元分析軟件為基礎，從選取材料模型到建立植筋系統接觸單元模型給出了詳細的步驟，更好的模擬了植筋錨固系統的實際情況，從而為下一步的分析打下了基礎。