摩擦系數對鋼筋混凝土界面粘結滑移的影響

陳厚飛 周斌 沈遠戈

摘要：鋼筋混凝土兩者之間的粘結滑移關系比較復雜，中外學者做了大量試驗研究，得出了兩者粘結—滑移本構關系的經驗公式。本文通過選用構件的粘結滑移模型及合適的材料單元模型，建立三維有限元分析模型，改變鋼筋混凝土間摩擦系數，利用ANSYS進行全過程的模擬分析，得出了摩擦系數對鋼筋混凝土界面粘結滑移的影響。

關鍵詞：摩擦系數；鋼筋混凝土；粘結滑移；ANSYS

The effect of Friction coefficient on reinforced concrete interface bond-slip

Abstract：It is complex between Reinforced concrete bond-slip，Chinese and foreign scholars made a lot of experiments，they got the empirical formula. In this paper，through selecting proper material constitutive relationship and bond-slip model，3-D finite element analysis model is established，Change the friction coefficient，and simulate analysis in all process，finally got the effect of Friction coefficient on reinforced concrete interface bond-slip.

Key words：friction coefficient；reinforced concrete；bond-slip；ANSYS

1前言

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土兩種具有不同物理力學性質的材料組合而成的，二者的性能互補，是迄今結構工程中應用最成功、最廣泛的組合材料。自上世紀六十年代以來，鋼筋與混凝土之間的粘結滑移性能是許多學者一直致力于研究的熱點課題[1]。本文以鋼筋混凝土圓柱的粘結模擬作為模擬試驗，通過試驗所確定的鋼筋與混凝土的基本力學性能指標，采用彈性接觸問題有限元法，按空間軸對稱方法來解決鋼筋與混凝土的相互作用，引入無厚度接觸面計算模型，得到鋼筋與混凝土的粘結應力分布情況，改變不同摩擦系數值對鋼筋與混凝土間的粘結滑移量的模擬圖，以及得到的摩擦系數與不同應力的曲線圖

2鋼筋混凝土粘結滑移性能

鋼筋和混凝土構成一種組合結構材料的基本條件是二者之間有可靠的粘結和錨固。考慮鋼筋與混凝土間的粘結滑移問題，對其結構應用在房屋建筑工程，橋梁和交通工程，水利和海港工程，地下工程，特殊工程等，具有重要意義提高結構的抗震性能及使用壽命。鋼筋混凝土之間具有足夠的粘結作用時，鋼筋才不會被拔出，鋼筋與混凝土之間的粘結力或抗滑移力主要由三部分組成：膠著力，摩阻力，咬合力[2]。其中摩阻力是混凝土收縮握裹鋼筋而產生的阻滑作用力。由于混凝土凝固時收縮，包裹鋼筋的混凝土將壓緊鋼筋，對鋼筋產生垂直于摩擦面的壓應力。這種壓應力越大，接觸面的粗糙程度越大，鋼筋與混凝土之間的摩阻力就越大。它取決于混凝土發生收縮或者荷載和反力等對鋼筋的徑向壓應力，以及二者間的摩擦系數等。可見，粘結作用的實質是鋼筋通過它將部分拉力傳遞給混凝土，使二者共同受力，達到提高鋼筋混凝土構件強度的目的。而研究發現影響粘結性能的主要因素有：鋼筋的直徑和表面形狀、混凝土強度和組成成分、保護層厚度以及鋼筋的埋長、橫向鋼筋、構件受力狀態。鋼筋與混凝土之間的粘結問題可以歸納為錨固粘結如圖1（a）和裂縫間的局部粘結如圖1（b）兩種類型[1][2]。

3鋼筋與混凝土粘結滑移的有限元模擬

考慮鋼筋和混凝土之間的粘結滑移時，通常在鋼筋和混凝土的相應結點之間設置聯結單元，常用的單元形式有界面單元和彈簧單元。平面問題中界面單元是一種退化的四邊形單元，寬度為零，可以方便地放置于混凝土單元和鋼筋單元之間而不影響其單元劃分，而且可以建立更為協調的關系。然而，聯結單元的存在是基于兩種材料的接觸面上存在相對滑移這一假設的，而實際上“ 滑移”是一種綜合現象，是鋼筋周圍的混凝土中內部裂縫形成和發展的結果，因而聯結單元只能近似反映鋼筋與混凝土之間的粘結滑移關系。彈簧單元模型形式現在也應用在鋼筋與混凝土粘結滑移的求解中[3]。本文單元形式采用有界面單元，在進行有限元分析時如何合理離散化結構對結果計算精度起到至關重要的作用。鋼筋混凝土有限元模型按鋼筋模擬方法的不同，可分為分離式、組合式和整體式三種模型[4]。本文采用分離式模型，同時考慮鋼筋與混凝土之間的粘結滑移，建立三維空間模型。

本文利用ANSYS軟件，改變摩擦系數模擬鋼筋混凝土粘結滑移，文中的鋼筋選用光圓鋼棒。基于ANSYS的鋼筋混凝土—光圓鋼棒粘結滑移的分析步驟：

（1）以交互方式進入ANSYS的GUI界面；

（2）定義單元類型，實常數，材料屬性；

（3）定義相關標量參數，建立初始整體模型

4基于ANSYS鋼筋混凝土粘結滑移的數值模擬

4.1模型幾何尺寸

外層混凝土半徑：=0.05m，長度=1m；鋼筋半徑：=0.01m，長度 =2m；混凝土圓柱孔半徑：=0.008，長度=1m

4.2基于ANSYS的混凝土和鋼筋單元選取和模型建立

1. 鋼筋單元

鋼筋均采用BRICK 6NODE Solid185單元[7]，采用雙線性隨動強化模型（BKIN），屈服準則為Mises準則。彈性模量為 MPa，泊松比為0.3。

2. 混凝土單元

混凝土材料采用Solid65單元[7]，彈性模量為MPa，泊松比為0.2。

3. 建立模型

4.3改變摩擦系數對鋼筋混凝土粘結—滑移的模擬

在不同的摩擦系數下對鋼筋混凝土粘結滑移不同應力的影響見表1

5結語

本文采用有限元分析程序ANSYS軟件對鋼筋混凝土的粘結滑移進行了仿真模擬，取不同的摩擦系數值，通過選取合適的粘結曲線，得到鋼筋與混凝土界面粘結滑移的簡單規律：由各數據關系圖及對應各應力圖可以看出，在過盈量r取值一定的情況下，摩擦系數越大，Mises應力值的變化出現起伏，鋼筋混凝土的接觸應力變化的整體趨勢是變大的，鋼筋與混凝土之間的摩擦應力也越大，滑移量也逐漸減小。也通過得到的受拉鋼筋的粘結應力在各個方面的應力值，表明縱向的粘結應力是影響鋼筋與混凝土粘結的主要因素，這與實際是相符的。為結構抗震設計中的配筋問題提供理論依據，更好的研究鋼筋混凝土粘結滑移關系。隨著高強混凝土的應用愈來愈普遍，而對高強混凝土與鋼筋之間共同作用的特性尚未進行全面的研究，其粘結滑移關系式仍待進一步研究。

參考文獻：

[1]劉佩璽，徐永清，劉福勝.鋼筋混凝土結構粘結滑移分析在ANSYS中的實現[J].山東農業大學學報（自然科學版）. 2007，38（1）：125-130

[2]鄭曉燕，吳勝興. 鋼筋混凝土結構粘結滑移本構關系建立方法的研究[J].四川建筑科學研究.2006，32（1）：18-21

[3]林新志.考慮粘結滑移的組合式單元模型研究與應用[D].南京：河海大學碩士學位論文，2005.

[4]牟曉光，王清湘，司炳君. 鋼筋與混凝土粘結試驗及有限元模擬[J].計算力學學報.2007，24（3）：379-384

作者簡介：

[1]陳厚飛；浙江省工業設計研究院；工程師；1984.10.

[2]周斌，1986.01，臺州市城鄉規劃設計研究院；工程師。

[3]沈遠戈，1984.03，山東省建筑設計研究院；工程師。