基于ABAQUS锚固槽钢拉拔性能试验研究及有限元分析

付 佩 许 笛 刘祖华

(1. 同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092； 2. 中咨华科交通建设技术有限公司, 北京 100195)

基于ABAQUS锚固槽钢拉拔性能试验研究及有限元分析

付 佩1,*许 笛2刘祖华1

(1. 同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092； 2. 中咨华科交通建设技术有限公司, 北京 100195)

德国PEC锚固槽钢作为一种槽式预埋件，可以对各种结构元件进行固定。为了解PEC锚固槽钢的拉拔锚固性能，对TA型号的锚固槽钢进行拉拔加载试验、理论分析以及有限元分析。详细介绍了试验方法和试验结果，并将试验结果与欧洲锚固槽钢规范理论计算结果进行对比。此外，根据试验提供的条件，利用有限元软件ABAQUS对锚固槽钢的拉拔试验进行模拟，并详细比较有限元分析结果与试验结果。结果表明，试验结果与理论计算结果、有限元分析结果吻合较好，可供类似项目参考。

预埋槽钢， 拉拔锚固性能， 拉拔加载试验， 欧洲锚固槽钢规范， 有限元分析

1 引 言

德国PEC锚固槽钢作为一种槽式预埋件，可以对各种结构元件进行固定，且具有便于安装和可调节的特点。随着建筑业的发展，槽式预埋件在钢筋混凝土结构中的应用越来越普遍。我国应用较广的是钢板与锚筋焊接的预埋件[1]，然而对于锚固槽钢我国并未有专门的规范设计。锚固槽钢作为预埋件在国外应用较广，并有相应的设计规范[2]。槽式预埋件在国外广泛应用于幕墙、桥面排水系统等的固定，近年来我国也有人做了相关研究[3-4]。本文所介绍PEC-TA型锚固槽钢为常规型锚固槽钢，它是一种能承受较大荷载的预埋件，主要由槽钢和锚腿组成，槽钢用于连接各结构元件，锚腿直接埋置于混凝土中，提供固定结构元件的抗力。在建筑业中，锚固槽钢应用较广，如玻璃幕墙和铝挂板幕墙等的安装固定，其连接固定是通过T形螺栓完成。现场安装可靠、便捷、快速，不需要进行电焊或钻孔，并且可以通过预埋槽钢长度方向预留的空间来调整设计或施工产生的误差。目前关于这种锚固槽钢的拉拔性能研究较少。本文主要对TA-52/34型号的锚固槽钢进行拉拔加载试验，利用大型通用有限元程序ABAQUS对预埋件拉拔进行了数值模拟，以了解锚固槽钢在混凝土中的拉拔锚固性能。

2 试验概况

2.1 试验设计[5]

试验所采用的预埋槽钢及T形螺栓均由德国PEC公司提供。本次试验试件数量为3组，试件由预埋槽钢和混凝土基材组成，见图1。

图1 加载示意图(单位：mm)

PEC-TA-52/34-350 mm预埋槽钢，材质为QStE380，表面热镀锌处理，槽钢背后焊接有3根工字形锚腿，锚腿为宽40 mm、厚5 mm的钢板条，锚腿端部宽20 mm。混凝土基材尺寸为968 mm×672 mm×309 mm(长×宽×厚)，强度等级为C45。槽钢埋置于混凝土块的浇筑顶面。

2.2 加载方法

本次试验是通过一个连接件对预埋槽钢进行拉拔加载。连接件由一根M24螺杆和一块厚为25 mm的钢板焊接而成，厚钢板通过两个T形螺栓与槽钢连接。拉拔力由一个穿心千斤顶施加，通过M24螺杆来拉拔连接件，再通过两个T形螺栓来拉拔预埋槽钢。试验采用自平衡体系，千斤顶的反力通过两个钢梁分散到四个位于混凝土试件表面的支承点。图1为加载示意图。

2.3 测量方法

作用于锚固槽钢的拉拔力，由安装在螺杆上的荷载传感器得到(图2)。在拉拔试验过程中，所有测量仪器都接入DH3816静态应变测试仪和计算机，所有的测量数据都存入计算机磁盘。

图2 拉拔加载图

加载时用YHD位移传感器测量槽钢底部内表面拉拔位移，以此代表锚固槽钢的拉拔位移。同时观察混凝土块的受力变形情况和混凝土块的开裂、破坏形式。

2.4 试验结果

拉拔试验的结果统计见表1。3组试件均为混凝土受拉破坏，混凝土裂缝明显，槽钢与T形螺栓连接处出现局部凸起。取一个槽钢试验说明试验现象。

试验以稳定的速率进行加载，加载至143 kN时，槽钢边缘附近的混凝土表面首先出现细小裂缝；加载至约171 kN时，槽钢周围混凝土出现碎裂现象；加载至约205 kN时，试件上表面从槽钢的角部向外方向突然出现斜向裂缝，并迅速变宽、延伸至混凝土试件侧面，混凝土块达到破坏，并在槽钢中部两侧垂直方向各出现一条裂缝。试件破坏后外表面裂缝情况见图3。

表1 拉拔试验结果汇总

Table 1 Data of pullout test

图3 试件外表面裂缝情况

试验得到试件的最大拉拔力(破坏荷载)为206.07 kN。试验后观察破坏试件，其破坏形式为锥体破坏；槽钢发生了明显的弯曲变形，但未被拔出；锚腿端部与基材接触处混凝土被压碎;同时，槽钢卷边受力外张致使附近混凝土被压碎，上部混凝土被拉裂。试件内部破坏情况见图4。

图4 试件内部混凝土破坏情况

2.5 混凝土锥体破坏承载力

锚腿端部焊接或冲压有锚板的预埋件，在拉拔荷载作用下，如埋深较浅，通常破坏形式为受拉混凝土锥体破坏。从试验现象可以判断试件的破坏形式为混凝土锥体破坏。根据欧洲锚固槽钢规范CEN/TS 1992-4-3：2009[2]，混凝土锥体破坏公式为

(1)

(2)

(3)

式中，αch为考虑槽钢(锚槽)对混凝土锥体破坏荷载影响的修正系数，可参考欧洲相关规范，其值不大于1；fck,cube为混凝土立方体抗压强度标准值(N/mm2)；hef为槽钢锚腿有效埋置深度(mm)。

根据式(1)—式(3)，当混凝土为C45时，计算得到试件混凝土锥体破坏极限承载力理论计算值为214.09 kN。根据表1，对比三个试件的最大拉拔力可知，受拉混凝土锥体破坏试验结果与规范CEN/TS 1992-4-3：2009[2]理论计算结果符合较好。

3 试验有限元模拟分析

3.1 有限元模型的建立

ABAQUS是一套功能强大的基于有限元方法的工程模拟软件。在非线性分析中，ABAQUS能自动选择合适的载荷增量和收敛准则，同时，在分析过程中也能不断地调整这些参数值，以确保获得精确的解答。

3.1.1 材料的选用[6-7]

利用ABAQUS进行建模，模型由三部分组成：由钢材组成的预埋槽钢、T形螺栓和混凝土组成的外部结构。

屈服准则描述了初始屈服准则随着塑性应变的增量是怎样发展的。对于建筑用钢材来说，ABAQUS使用的强化准则有三种：等向强化准则，随动强化准则以及混合强化准则。本文试验研究为静力单向加载，采用等向强化准则，其本构关系采用理想双线性弹塑性模型，屈服强度取为380 MPa，弹性模量为2.06×105MPa。

ABAQUS中模拟混凝土的常用材料模型：弥散开裂模型(smeared cracking model)和损伤塑性模型(damaged plasticity model)。本文在计算时采用混凝土损伤塑性模型。损伤塑性模型是一个基于连续介质的弹塑性模型，通过引入损伤指标来对弹性刚度进行折减以模拟混凝土的刚度退化，它同时适用于单调加载和往复加载等情况。损伤塑性模型是在Lubliner,Lee和Fenves的模型基础上建立的，不考虑高静水压力作用下的混凝土行为，其主要描述混凝土及其他准脆性材料在相对较低围压下(小于4.5倍单轴极限抗压应力)不可逆的损伤效应以及相关的破坏机制[6]。单轴本构关系是损伤塑性模型的基础，根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[1]附录C中曲线定义混凝土的单轴受压本构关系。ABAQUS中在定义混凝土单轴受压应力-应变关系时，采用的是应力和塑性应变的关系曲线，需要将曲线中应变转换成塑性应变，具体公式为

εpl=ε-σ/E

(4)

式中，E是初始弹性模量。

单轴受拉本构关系需要定义抗拉强度值ft和软化段，即达到抗拉强度后的应力-应变曲线。在达到抗拉强度之前，混凝土受拉按弹性处理；达到抗拉强度后，按定义的软化曲线取值。在定义混凝土软化段时，极限拉应变及其对应的残余强度对有限元计算的收敛性有较大的影响，残余强度取0.1ft。其他相关取值参照实测值。

有限元模型中，混凝土、锚腿、槽钢和T形螺栓采用弹塑性8节点的线性减缩积分六面体实体单元C3D8R单元进行模拟。

3.1.2 接触类型选择[7]

在拉拔试验中，由于槽钢、锚腿外表面较为光滑，故模拟分析中没有考虑混凝土与钢材之间的粘结力。模型中槽钢与混凝土接触部位、锚腿(除端部外)与混凝土竖向接触部位皆未设置接触对，只在锚腿端部与混凝土接触部位设置了接触对，采用表面与表面接触。其中，钢材为主面，混凝土为从面，用有限滑移公式来描述接触面之间的滑移。接触属性主要设置了切向行为与法向行为；采用允许“弹性滑移”的罚摩擦公式描述接触的切向行为，采用“硬”接触来描述接触的法向行为。

3.1.3 边界条件的确定

试验中，试件是平放在钢台座上，采用自平衡的方式均匀加载。有限元模型把地面作为刚性平面，并对混凝土块模型下表面和侧表面施加位移约束，这样边界条件与试验一致。

3.1.4 荷载的施加

文中荷载施加在两个T形螺栓上，螺栓通过与槽钢翼缘的接触对将力传递给下部槽钢，和试验加载方式一致。文中模型由于面面接触问题，属于高度接触非线性，以及混凝土材料的非线性，为加强收敛，用*control设置较大的允许迭代次数，以较合理的时间代价得到精确解。分析时给模型施加和试验荷载接近的荷载，模拟计算收敛。

3.2 有限元分析

根据有限元模型分析求解结果，对比槽钢与混凝土在最终阶段的模型变形、应力等云图，对试验结果进行更直观的分析。图5为混凝土块外表面在拉力作用下的Mises应力云图，从其应力分布可以看出混凝土较大应力分布区域与试验中混凝土产生的裂缝形状区域(图3)基本一致。图6、图7为混凝土块纵、横向剖面Mises应力云图。由于锚腿是直接埋置于混凝土块体中，在槽钢受拉拔作用时，锚腿端部与混凝土之间会形成一定面积的直接冲压，锚腿与混凝土之间的相互作用较大，试验中锚腿端部与混凝土块连接处混凝土破碎明显，从剖面应力云图可知锚腿端部处混凝土有明显的应力集中现象，与试验较为一致(图4)。图8、图9为槽钢Mises应力云图和变形云图，最大变形发生在施加拉拔荷载的T形螺栓与槽钢连接处，槽钢卷边外张明显，埋置于混凝土块中的锚腿基本都达到钢材屈服强度。

根据槽钢和混凝土的应力云图，槽钢应力较大区域主要集中在槽钢与T形螺栓连接处以及锚腿处，最大应力420 MPa，锚腿大部分区域应力在屈服强度380 MPa附近，槽钢未完全进入塑性；混凝土应力较大区域主要集中在锚腿端部与混凝土接触处，局部区域最大应力已达55.0 MPa，已达到混凝土抗压极限，混凝土块濒临破坏。

图5 混凝土外表面Mises应力云图

图6 混凝土纵向剖面Mises应力云图

图7 混凝土横向剖面Mises应力云图

图8 槽钢Mises应力云图

注：U2方向与锚腿长度方向一致，且以向上为正。图9 槽钢U2向变形云图

在整个受力过程中，槽钢和混凝土变形较小，直到混凝土块达到破坏。试验破坏形式为混凝土受拉破坏，槽钢未完全进入塑性。试验极限荷载并未使有限元模型达到承载极限，可能原因较多，如实际试验混凝土浇筑养护条件、初始缺陷、试验边界条件等等。

有限元模拟和试验测得的荷载—位移曲线对比见图10，从三组试验曲线可以看出明显的弹性区段和塑性区段；图中虚线为有限元模拟结果，可见有限元结果与试验结果比较接近。

图10 有限元分析与试验结果对比曲线

4 结 论

通过对PEC-TA-52/34-350 mm预埋槽钢进行拉拔加装试验以及有限元模拟，可以得到以下结论：

(1)通过对比试验最大拉拔力与欧洲锚固槽钢规范CEN/TS 1992-4-3：2009理论计算结果，两者符合较好。

(2)根据试验提供的条件建立有限元模型，利用ABAQUS对PEC-TA-52/34预埋槽钢的施加拉拔荷载为试验所得的极限荷载，通过有限元分析可知，此荷载并未使有限元模型达到破坏，但是其结果中混凝土和槽钢较大应力分布区域与试验中裂缝和变形产生区域较为一致，并通过对比荷载-位移曲线，可知有限元模拟与试验结论基本一致。

(3)从试验及有限元分析可知，预埋槽钢试件在拉拔荷载作用下，均是混凝土破坏，即脆性破坏，槽钢未完全进入塑性，则说明试验中预埋槽钢的拉拔性能没有得到充分展现，建议再做此类试验时应选用更高强度等级的混凝土。

本论文的研究工作得到德国PEC公司的支持，特表感谢。

[ 1 ] 中华人民共和国建设部.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2010.

Ministry of Construction of People’s Republic of China．GB 50010—2010 Concrete structure design code[S]．Beijing：China Architecture and Building Press, 2010. (in Chinese)

[ 2 ] CEN/TS 1992-4-3：2009.Design of fastenings for use in concrete- Part 4-3: Anchor channels[S]. CEN 2009.

[ 3 ] 徐淑美,周德源,毕大勇.预埋式槽型锚轨拉拔性能的试验研究[J].结构工程师,2010,26(5)：111-116.

Xu Shumei, Zhou Deyuan, Bi Dayong. Test study on tensile behavior of cast-in channels[J].Structural Engineers,2010,26(5): 111-116. (in Chinese)

[ 4 ] 郑圆圆,刘祖华,袁苗苗.哈芬预埋槽钢抗震试验研究[J].结构工程师,2013,29(5)：132-138.

Zheng Yuanyuan, Liu Zuhua, Yuan Miaomiao. Experimental research on seismic resistance of the halfen cast-in channels[J].Structural Engineers,2013,29(5):132-138. (in Chinese)

[ 5 ] 姚振刚,刘祖华.建筑结构试验[M].上海：同济大学出版社,2008.

Yao Zhengang, Liu Zuhua. Architectural structure experimentation[M].Shanghai: Tongji University Press, 2008. (in Chinese)

[ 6 ] 庄茁.ABAQUS,STANDARD有限元软件入门指南[M].北京：清华大学出版社,1998.

Zhuang Zhuo. ABAQUS,STANDARD finite element software getting started guide [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1998.(in Chinese)

[ 7 ] 王金昌,陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州：浙江大学出版社,2006.

Wang Jinchang, Chen Yekai. ABAQUS applications in civil engineering[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2006.(in Chinese)

Finite Element Analysis and Experimerimental Research of Pullout Bearing Capacity of Cast-in Channels using ABAQUS

FU Pei1,*XU Di2LIU Zuhua1

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction of Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Zhongzi Huake Traffic Construction Technology Co, Ltd, Beijing 100195,China)

Germany PEC Cast-in Channel, a kind of trough embedded parts,is suited for the fixing of different construction elements. In order to know the pullout anchorage performance of TA anchor channels, we had performed the pullout loading test,the theoretical analysis and the finite element analysis. The test procedure and test results were presented.The test results were compared with the theoretical results of the European anchor channel code.What’s more, based on the experiment, a finite element model was built. ABAQUS software was used to analyze the behavior of the cast-in channels. The test results were compared with the finite element analysis results.The comparison shows that the finite element analysis results and the theoretical results are consistent with the experiment ones. The test and analysis method could be reference for similar projects.

cast-in channel, pullout anchorage performance, pullout loading test, European anchor channel code, finite element analysis

2014-06-06

*联系作者，Email:hanfws18@163.com