混凝土构件植筋受横向力作用的数值模拟

宋佼佼，田锦邦

（晋中职业技术学院，山西 晋中030600）

既有建筑物的加固改造中，混凝土结构的加固占50%。钢筋混凝土植筋的锚固技术可分为预埋式锚固和后锚固两种。其中，后锚固技术以其施工方便、性能可靠、布置灵活等优点得到越来越广泛的应用。后锚固连接构件按工作原理和构造的不同，可分为机械式锚栓（如膨胀型锚栓、扩孔型锚栓、后切底型锚栓等）和粘结式锚栓（化学锚栓、化学植筋或螺杆等）。化学锚栓与机械锚栓的长度一般都固定，化学植筋（螺杆）与化学锚栓的作用机理相近，只是埋置深度可以根据需要灵活设置，尤其是化学植筋更是以其传力性能稳定、施工方便、工期短、成本低的连接技术而大量应用于工业与民用建筑、道路桥梁、水电工程和海洋工程，也成为近年来的研究热点。国内在植筋技术方面的研究多限于单根植筋简单受力性能，所以植筋技术的应用普及还需要通过大量研究，使其形成一套完整的植筋技术，从而使该技术进一步理论化、规范化。

本文主要分析钢筋混凝土在横向力作用下混凝土的破坏，并分析结果，为工程应用提供一定的科学依据。

一、钢筋混凝土植筋的有限元建模

进入ANSYS软件前处理器，开始建模以及其他前处理操作。其中钢筋单元类型为Structure Sol⁃id45。钢筋材料模型为2号材料。然后定义混凝土材料模型，材料弹性模量为2.55e10，泊松比0.3，并在其中指定混凝土的开口裂缝剪应力传递系数、闭合裂缝剪应力传递系数、轴心抗拉强度以及轴心抗压强度。最后钢筋混凝土植筋采用分离式模型。

二、混凝土植筋的数值模拟分析

对模型施加位移边界以及横向力进入通用后处理器进行模拟并读入结果。（注：下图表示混凝土整个开裂过程按时间进程的4个阶段，混凝土中的小圆圈代表该处混凝土的开裂）

图1 第一子步混凝土开裂图

图2 第二子步混凝土开裂图

图3 第三子步混凝土开裂图

图4 第四子步混凝土开裂图

从4个阶段的开裂过程可以得知，混凝土的开裂最先从钢筋与混凝土的接触部分开裂，然后沿着混凝土外表面的45°方向先出现裂缝，接着沿45°方向的周围也开始出现裂缝，最后蔓延至混凝土的各个部分。从内部的开裂云图可知，沿着植筋周围的混凝土开裂现象最为严重，混凝土内部的开裂比外部要严重。

三、结论

从模拟分析可知，混凝土的破坏首先从钢筋插入混凝土的周围部分开始，第一子步沿着混凝土45°方向开裂最为明显，随着子步的增加，其裂缝逐渐蔓延至混凝土的各个部分。

混凝土内部破坏远大于外部破坏的形式，从一半的混凝土模型破坏形式可以看出，当外部有裂缝时，钢筋混凝土中还有许多单元未出现开裂，因此在混凝土的外部刚出现一些裂缝时，混凝土并没有完全破坏，可以继续使用。

钢筋混凝土植筋系统的破坏形态不仅与植筋的锚固深度有关，还与钢筋的屈服强度和混凝土受到的约束、混凝土的性质有关。植筋深度较大时钢筋强度储备较大，其强度可充分发挥。

本文采用ANSYS有限元软件对各类情况进行了模拟计算，试验中材料系数的选择、埋深、植筋系数、试验方法均与实际应用情况类似，计算结果显示破坏形式、钢筋内力以及混凝土应力、应变以及开裂等基本与实际情况相似，总的来看，模拟计算结果能够较好反映实际受力情况。

ANSYS软件中提供了专门针对混凝土材料的有限元单元SOLID 65，并提供了相应的强度准则和本构关系，将其和ANSYS 中其他各种单元进行正确的组合使用，可以用于分析各种复杂的混凝土结构和构件。如果处理好建模，分网，求解中的各种细节问题，将取得良好结果。

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