摩擦系数对钢筋混凝土界面粘结滑移的影响

陈厚飞 周斌 沈远戈

摘要：钢筋混凝土两者之间的粘结滑移关系比较复杂，中外学者做了大量试验研究，得出了两者粘结—滑移本构关系的经验公式。本文通过选用构件的粘结滑移模型及合适的材料单元模型，建立三维有限元分析模型，改变钢筋混凝土间摩擦系数，利用ANSYS进行全过程的模拟分析，得出了摩擦系数对钢筋混凝土界面粘结滑移的影响。

关键词：摩擦系数；钢筋混凝土；粘结滑移；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

钢筋混凝土是由钢筋和混凝土两种具有不同物理力学性质的材料组合而成的，二者的性能互补，是迄今结构工程中应用最成功、最广泛的组合材料。自上世纪六十年代以来，钢筋与混凝土之间的粘结滑移性能是许多学者一直致力于研究的热点课题[1]。本文以钢筋混凝土圆柱的粘结模拟作为模拟试验，通过试验所确定的钢筋与混凝土的基本力学性能指标，采用弹性接触问题有限元法，按空间轴对称方法来解决钢筋与混凝土的相互作用，引入无厚度接触面计算模型，得到鋼筋与混凝土的粘结应力分布情况，改变不同摩擦系数值对钢筋与混凝土间的粘结滑移量的模拟图，以及得到的摩擦系数与不同应力的曲线图

2钢筋混凝土粘结滑移性能

钢筋和混凝土构成一种组合结构材料的基本条件是二者之间有可靠的粘结和锚固。考虑钢筋与混凝土间的粘结滑移问题，对其结构应用在房屋建筑工程，桥梁和交通工程，水利和海港工程，地下工程，特殊工程等，具有重要意义提高结构的抗震性能及使用寿命。钢筋混凝土之间具有足够的粘结作用时，钢筋才不会被拔出，钢筋与混凝土之间的粘结力或抗滑移力主要由三部分组成：胶着力，摩阻力，咬合力[2]。其中摩阻力是混凝土收缩握裹钢筋而产生的阻滑作用力。由于混凝土凝固时收缩，包裹钢筋的混凝土将压紧钢筋，对钢筋产生垂直于摩擦面的压应力。这种压应力越大，接触面的粗糙程度越大，钢筋与混凝土之间的摩阻力就越大。它取决于混凝土发生收缩或者荷载和反力等对钢筋的径向压应力，以及二者间的摩擦系数等。可见，粘结作用的实质是钢筋通过它将部分拉力传递给混凝土，使二者共同受力，达到提高钢筋混凝土构件强度的目的。而研究发现影响粘结性能的主要因素有：钢筋的直径和表面形状、混凝土强度和组成成分、保护层厚度以及钢筋的埋长、横向钢筋、构件受力状态。钢筋与混凝土之间的粘结问题可以归纳为锚固粘结如图1（a）和裂缝间的局部粘结如图1（b）两种类型[1][2]。

3钢筋与混凝土粘结滑移的有限元模拟

考虑钢筋和混凝土之间的粘结滑移时，通常在钢筋和混凝土的相应结点之间设置联结单元，常用的单元形式有界面单元和弹簧单元。平面问题中界面单元是一种退化的四边形单元，宽度为零，可以方便地放置于混凝土单元和钢筋单元之间而不影响其单元划分，而且可以建立更为协调的关系。然而，联结单元的存在是基于两种材料的接触面上存在相对滑移这一假设的，而实际上“ 滑移”是一种综合现象，是钢筋周围的混凝土中内部裂缝形成和发展的结果，因而联结单元只能近似反映钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系。弹簧单元模型形式现在也应用在钢筋与混凝土粘结滑移的求解中[3]。本文单元形式采用有界面单元，在进行有限元分析时如何合理离散化结构对结果计算精度起到至关重要的作用。钢筋混凝土有限元模型按钢筋模拟方法的不同，可分为分离式、组合式和整体式三种模型[4]。本文采用分离式模型，同时考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移，建立三维空间模型。

本文利用ANSYS软件，改变摩擦系数模拟钢筋混凝土粘结滑移，文中的钢筋选用光圆钢棒。基于ANSYS的钢筋混凝土—光圆钢棒粘结滑移的分析步骤：

（1）以交互方式进入ANSYS的GUI界面；

（2）定义单元类型，实常数，材料属性；

（3）定义相关标量参数，建立初始整体模型

4基于ANSYS钢筋混凝土粘结滑移的数值模拟

4.1模型几何尺寸

外层混凝土半径：=0.05m，长度=1m；钢筋半径：=0.01m，长度 =2m；混凝土圆柱孔半径：=0.008，长度=1m

4.2基于ANSYS的混凝土和钢筋单元选取和模型建立

1. 钢筋单元

钢筋均采用BRICK 6NODE Solid185单元[7]，采用双线性随动强化模型（BKIN），屈服准则为Mises准则。弹性模量为 MPa，泊松比为0.3。

2. 混凝土单元

混凝土材料采用Solid65单元[7]，弹性模量为MPa，泊松比为0.2。

3. 建立模型

4.3改变摩擦系数对钢筋混凝土粘结—滑移的模拟

在不同的摩擦系数下对钢筋混凝土粘结滑移不同应力的影响见表1

5结语

本文采用有限元分析程序ANSYS软件对钢筋混凝土的粘结滑移进行了仿真模拟，取不同的摩擦系数值，通过选取合适的粘结曲线，得到钢筋与混凝土界面粘结滑移的简单规律：由各数据关系图及对应各应力图可以看出，在过盈量r取值一定的情况下，摩擦系数越大，Mises应力值的变化出现起伏，钢筋混凝土的接触应力变化的整体趋势是变大的，钢筋与混凝土之间的摩擦应力也越大，滑移量也逐渐减小。也通过得到的受拉钢筋的粘结应力在各个方面的应力值，表明纵向的粘结应力是影响钢筋与混凝土粘结的主要因素，这与实际是相符的。为结构抗震设计中的配筋问题提供理论依据，更好的研究钢筋混凝土粘结滑移关系。随着高强混凝土的应用愈来愈普遍，而对高强混凝土与钢筋之间共同作用的特性尚未进行全面的研究，其粘结滑移关系式仍待进一步研究。

参考文献：

[1]刘佩玺，徐永清，刘福胜.钢筋混凝土结构粘结滑移分析在ANSYS中的实现[J].山东农业大学学报（自然科学版）. 2007，38（1）：125-130

[2]郑晓燕，吴胜兴. 钢筋混凝土结构粘结滑移本构关系建立方法的研究[J].四川建筑科学研究.2006，32（1）：18-21

[3]林新志.考虑粘结滑移的组合式单元模型研究与应用[D].南京：河海大学硕士学位论文，2005.

[4]牟晓光，王清湘，司炳君. 钢筋与混凝土粘结试验及有限元模拟[J].计算力学学报.2007，24（3）：379-384

作者简介：

[1]陈厚飞；浙江省工业设计研究院；工程师；1984.10.

[2]周斌，1986.01，台州市城乡规划设计研究院；工程师。

[3]沈远戈，1984.03，山东省建筑设计研究院；工程师。