混凝土结构中植筋的有限元数值模拟分析

宋瑶 靳小壮 贾磊

0 引言

植筋技术是一项简捷、有效的连接与锚固技术。它是在需连接的旧混凝土构件上根据结构受力情况,确定植筋钢筋的数量、规格、位置,在旧构件上经过钻孔、清孔、注入植筋粘结剂,再安放所需钢筋,使钢筋与混凝土通过粘结剂粘结在一起,然后浇筑新混凝土,从而完成新旧钢筋混凝土的有效连接,达到共同作用、整体受力的目的[1]。已有研究资料及工程应用实践证明,植筋具有性能可靠、操作简单、施工工期短的特点;另外,由于在钢筋混凝土结构上植筋锚固不必再进行大量的开凿挖洞,只需在植筋部位钻孔后,利用植筋粘结剂作为钢筋与混凝土之间的粘结材料,以保证植筋钢筋与混凝土的良好粘结,从而减轻对原有结构构件的损伤,也减少了加固改造工程的工程量;其次,因为植筋粘结剂对钢筋的粘结作用不是靠植筋钢筋与基材的胀压摩擦产生的力,而是利用粘结材料自身的粘结能力和一定的植筋深度,使植筋钢筋与基材有效地粘结在一起,并使植筋钢筋具有很强的拉拔力,从而保证了粘结强度[2]。因此,研究植筋技术对推动既有建筑物加固改造业的发展具有很大的现实意义及工程应用价值。

1 植筋的工作机理及受力特点

1.1 植筋的工作机理

植筋工作机理如图1所示,结构连接荷载通过植筋钢筋传递给植筋粘结剂,植筋粘结剂将荷载沿植筋长度方向传递给混凝土,这种传力机理主要靠钢筋与植筋粘结剂以及混凝土与植筋粘结剂之间的粘结作用来实现,其粘结作用的大小主要取决于植筋粘结剂与混凝土、植筋粘结剂与植筋钢筋之间接触面上的充满程度和浸润程度。

1.2 植筋的受力特点

综上所述,植筋的工作性能比一般的钢筋混凝土工作性能更为复杂,因此,影响植筋工作性能的因素很多,如植筋粘结剂的粘结性能、混凝土基材的强度、植筋施工质量、植筋钢筋的深度及植筋的间距和边距、植筋试件所处的使用环境等。此处将植筋问题简化成一维问题考虑,简化后的受力模型如图2所示。

2 有限元计算模型的建立

本文以钢筋混凝土柱内植入钢筋作为计算模型通过ANSYS有限元数值分析,模拟植筋钢筋的受力和变形状态,重点研究在不同孔径、不同植筋直径时植筋钢筋合理的植筋深度。

钢筋混凝土选用加入了混凝土的三维强度准则和由弥散钢筋单元组成的整体式钢筋模型Solid65单元来模拟,植筋粘结剂选用Solid65单元模拟,植筋钢筋选用Solid45单元来模拟,钢筋混凝土与植筋粘结剂之间、植筋粘结剂与植筋钢筋之间的结合面,利用目标单元Targe170和接触单元Conta174来模拟。根据常用植筋钢筋的不同直径建立四种计算模型,其植筋钢筋分别为Φ 12,Φ 16,Φ 20,Φ25。四种模型均采用混凝土等级为 C20的钢筋混凝土结构,HRB335级植筋钢筋,西安科技大学研制的无机植筋粘结剂。每种模型中,分别模拟在不同的植筋深度(6d,10d,15d)、不同的钻孔孔径下植筋拉拔力和粘结强度大小。

3 有限元计算结果及分析

根据数值模拟结果,不同直径的植筋钢筋在不同植筋长度和不同孔径时有限元计算结果基本一致,此处仅以Φ 16植筋钢筋为代表,分别分析不同植筋长度和不同孔径时的有限元计算结果。

3.1 植筋钢筋周围混凝土的等效应力云图

植筋长度(L)越大,沿植筋钢筋长度方向混凝土环向应力的影响区域越小,在接近孔口处的应力影响范围也相应减小。由分析可知,沿植筋钢筋长度方向混凝土环向应力的影响区域减小,说明沿植筋钢筋长度方向混凝土环向应力的影响区域是有限的,并非与植筋长度成正比,植筋钢筋承受的外荷载只在一定范围起作用,过长的植筋长度并不能提高植筋的拉拔力(见图3)。

3.2 植筋钢筋的应力云图

在孔口处植筋钢筋应力最大,沿植筋长度方向,其应力依次递减。结合前述可知,在接近孔口处植筋钢筋应力最大,沿植筋长度方向由外向内应力依次递减;此外,植筋长度较小时,高应力区较大,相反,植筋长度较大时,平均应力比较低(见图4)。

3.3 植筋长度对极限拉拔力及试件破坏特征的影响

当植筋长度为6d时,混凝土破坏,植筋钢筋未屈服;当植筋长度为10d时,混凝土破坏,植筋钢筋未屈服,但拉拔力较6d时有所增大;当植筋长度为15d时,植筋钢筋屈服的同时,混凝土也出现破坏。由此得出,当植筋长度小于15d时,植筋拉拔力随着植筋长度的增大而增大,当植筋长度不小于15d时,植筋钢筋屈服的同时,混凝土也出现破坏,即达到合理的植筋深度;其次,当植筋钢筋直径越大时,其植筋拉拔力越大。

3.4 不同植筋孔径时的有限元计算结果

根据数值模拟结果,不同植筋长度在不同植筋孔径时的有限元计算结果基本一致,此处仅以Φ 16钢筋,植筋深度10d为代表,分析在不同植筋孔径时的有限元计算结果。

当植筋钢筋直径不变时,植筋拉拔力随着植筋孔径的增大一定程度上会有所加大,但当无限制增大植筋孔径,其植筋拉拔力增大幅度不大。以Φ 16 HRB335级钢筋,植筋长度 10d为例,当植筋孔径为 22 mm时,其拉拔力为40.2 kN;植筋孔径增大为26 mm时,其拉拔力为45 kN;植筋孔径为30 mm时,拉拔力为47.4 kN;植筋孔径大于30 mm时,其承载力变化不大,约为51.8 kN。在实际工程中,由于植筋粘结剂弹性模量较小,孔径的增大会导致结构体系滑移增大,且会增大钻孔难度及植筋粘结剂用量,因此综合考虑在长期荷载作用下植筋粘结剂徐变、经济性以及施工难度等因素,结合数值模拟研究结果,建议在拉拔力满足设计要求的前提下,植筋孔径的增大应适可而止,建议取植筋孔径为 d+(6～14)mm。

4 结语

1)沿植筋钢筋长度方向混凝土环向应力的影响区域是有限的,并非与植筋长度成正比,植筋钢筋承受的外荷载只在一定范围起作用,过长的植筋长度并不能提高植筋的拉拔力。2)植筋钢筋应力分布为接近孔口处正应力最大,沿植筋深度方向由外向内正应力依次递减。3)当植筋深度达到15d时,植筋钢筋屈服且混凝土发生破坏。建议工程中植筋长度不小于15d。4)植筋孔径无限制的增大,对承载力的提高意义不大。建议植筋孔径取 d+(6～14)mm。

[1]李惠强.建筑结构诊断鉴定与加固修复[M].武汉:华中科技大学出版社,2002.

[2]过镇海.混凝土的强度和本构关系[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[3]郝文化.ANSYS土木工程应用实例[M].北京:中国水利水电出版社,2005.