钢筋套筒灌浆连接技术有限元分析①

陈 洪， 张竹芳

(1.同济大学建筑工程系;上海 200092;2.福州港口管理局，福建 福州 35000)

钢筋套筒灌浆连接技术自发明以来已有40余年的历史.作为预制混凝土结构关键技术之一，20世纪60年代首次应用于38层高的阿拉莫阿纳酒店预制柱中，开创了柱续接的刚性接头[1].随后日本TTK公司经过改良，长度变短，在日本获得认证并推广至其他地区[2].1983年美国混凝土协会ACI在报告中将钢筋套筒灌浆连接技术列入钢筋连接主要技术之一[3].近年来，我国内地逐步引入该技术，一些相关的技术和标准正在制定中[4，5].

钢筋套筒灌浆连接技术的原理是通过铸造的中空型套筒，钢筋从两端插入套筒内部，不进行搭接或融接，钢筋与套筒间灌注高强度微膨胀灌浆料.其连接机理主要是借助砂浆微膨胀特性加强套筒对其的围束作用，使灌浆料与钢筋、套筒内侧间的正向作用力得到增强，连接的钢筋通过该正向力与粗糙表面产生摩擦力，来传递钢筋应力.

关于套筒灌浆连接的单向拉伸承载力已进行了不少试验研究[6～9]，但由于试验不确定因素较多，离散性大，另外，通过有限元数值分析可以研究套筒灌浆连接在各种作用下的受力性能，拓展模型试验研究的成果.所以为进一步研究钢筋套筒灌浆连接的破坏机理，有必要进行有限元数值分析.

1 数值模型

1.1 材料参数

本文在同济大学吴小宝试验[9]的基础上建立有限元模型.计算模型中共包含有灌浆料、套筒和钢筋三种材料，其材料参数取值如下所述.

1.1.1 灌浆料

截至目前，关于灌浆料的应力应变关系尚无成熟的理论模型，因此在本文的有限元分析中，借用混凝土的本构模型来建立灌浆料的本构模型.灌浆料轴心抗压强度fc取0.76倍灌浆料棱柱体抗压强度试验值，混凝土的抗拉强度采用文献[10]的公式计算:

混凝土泊松比取为0.2.混凝土的受压应力应变曲线按规范[11]下列公式确定:

当x≤1时

当x＞1时

式中αa，αd——单轴受压应力－应变曲线上升段、下降段的参数值，按规范[11]取值.f*c—灌浆料的单轴抗压强度，取灌浆料棱柱体抗压强度;

灌浆料抗拉本构关系采用双线性模型，开裂前为线弹性，抗拉与抗压弹性模量相等;开裂后采用线性软化模型，软化模量根据断裂能准则计算，如图2所示.

根据 Model Code1990[12]，混凝土的断裂能计算方法为:

式中，fc为灌浆料的抗压强度，取值同上;对于灌浆料，粒径较小，取 α =0.02.

图1 混凝土单轴受拉应力应变曲线

图2 混凝土受拉软化模型

图3 套筒灌浆连接模型

1.1.2 钢 筋

试验[9]中采用的是具有明显流幅的软钢，因此在本文的有限元分析中，钢材的本构关系采用理想化的三折线模型.其中的弹性模量Es、屈服强度fy、屈服平台长度Δεy及极限强度fu根据材性试验确定，泊松比ν取为0.3.

1.1.3 套 筒

套筒材料采用理想的弹塑性模型，根据规范[13]，屈服强度取370MPa，弹性模量取2.1×105MPa.

图4 直径14mm钢筋连接试件荷载－变形曲线的有限元模拟结果

1.2 单元类型

灌浆料及钢筋均采用C3D8R单元，该单元对位移的求解有比较精确的结果，而且当网格存在扭曲变形时，分析精度不会受到大的影响.套筒采用S4R单元(4节点四边形有限膜应变线性减缩积分壳单元)，其性能稳定，使用范围很广.

1.3 有限元模型的建立

本文采用ABAQUS进行有限元分析.ABAQUS软件是国际上公认的最先进的大型通用非线性有限元软件之一，可以用来分析复杂的固体力学、结构力学系统，以及处理非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题[14].根据标准[4]，套筒形成接头的抗拉强度和变形性能应符合JGJ 107中Ⅰ级接头的规定.因此一般情况下，要求套筒连接中滑移量较小，发生的破坏为钢筋拉断破坏.在本文的有限元分析中假设其连接中各部件粘结良好，不考虑滑移的影响.套筒和灌浆料以及灌浆料和套筒之间均采用接触Tie绑定(Tie)在一起.各个部件按实际尺寸建模，并分别赋予材性试验中确定的材料性质[9]，采用结构化的网格划分方式，如图3所示.

图5 直径16mm钢筋连接试件荷载－变形曲线的有限元模拟结果

2 数值模拟结果与分析

2.1 承载力

将有限元分析所得的结果与试验结果[9]做对比，如表1所示.表中Py′和Pu′分别表示有限元分析得到的屈服荷载和极限荷载，Py是试验得到的屈服荷载结果，P为按钢筋拉断时的强度计算的理论承载力.由表可知，除H400－14以外(由于材料的离散性及偏心可能造成试件H400－14中的钢筋强度低于材性试验中的数据，与其他组数据相比，误差较大)，数值模拟得到的屈服荷载与试验结果十分接近，最大误差为3%，平均误差1%，变异系数为0.0210.由于没有考虑粘结滑移的影响，有限元分析得到的峰值荷载均为钢筋拉断时的荷载，同理论计算值相比，最大误差为3%，平均误差为1%，变异系数为0.0164.因此，如果套筒接头满足JGJ 107中Ⅰ级接头的规定，则按本文的分析方法能够提供符合精度要求的承载力结果.

图6 直径20mm钢筋连接试件荷载－变形曲线的有限元模拟结果

表1 有限元分析结果与试验结果的对比

图7 直径22mm钢筋连接试件荷载－变形曲线的有限元模拟结果

2.2 荷载变形曲线

图4至图7为各试件荷载变形曲线有限元结果与试验结果的对比.由图可知，各试件受拉荷载－变形曲线形状模拟结果与试验曲线基本相同.在钢筋屈服之前，有限元曲线与试验曲线基本重合;钢筋屈服之后，由于钢筋本构关系采用的是理想化的三折线模型，强化段为一条直线，而实际钢材的强化段为一条上凸的曲线，因此，在钢筋进入强化阶段后，有限元荷载变形曲线与试验曲线稍有差异，不过仍基本相符.在承载力后期，由于有限元结果为钢筋拉断，而试验为钢筋拔出破坏，两条曲线才逐渐偏离.所以，若套筒接头发生的破坏模式为钢筋拉断，则有限元分析能很好地模拟其在单调荷载作用下的变形性能.

2.3 套筒受力情况

典型的套筒应力分布如图8所示，最大应力出现在套筒中部.在整个受力阶段，套筒应力最大值未超过370MPa，处于弹性状态.故满足标准[4]规定的套筒在连接受力时是安全的.

图8 套筒应力分布图

3 结论

基于通用有限元分析软件ABAQUS，采用三维实体模型对钢筋套筒灌浆连接的单调拉伸试验进行了数值模拟，得到以下结论:

(1)在数值模拟中，可参照混凝土的本构模型确定灌浆料的本构模型;

(2)若套筒连接满足JGJ107中Ⅰ级接头的规定，则在有限元分析中可不考虑钢筋与灌浆料的粘结滑移作用，得到的承载力及变形结果与实际基本相符，可满足工程要求;

(3)套筒在连接受力过程中，处于弹性阶段，满足安全要求;

(4)数值模拟结果与试验吻合良好，说明所建立的有限元模型正确，可以用于进一步参数分析和机理研究.

[1]Precast/Prestressed Concrete Institute.New Precast Prestressed System Saves Money in Hawaii Hotel[J].PCI Journal，1973，18(3):10－13.

[2]NMB Splice－ sleeve Systems Historical Events[EB/OL].http://www.splicesleeve.com/history.html.

[3]ACI Committee 439.Mechanical Connections of Reinforcement Bars[R].1983:24－35.

[4]钢筋连接用灌浆套筒(征求意见稿)[S].2011.

[5]钢筋套筒连接用灌浆料(征求意见稿)[S].2011.

[6]EINEA A，YAMANE T，TADROS M K.Grout－ filled Pipe Splices for Precast Concrete Construction[J].PCI Journal，1995，40(1):82－93.

[7]LING J H，ABD RAHMANAB，MIRASA AK，et al.Performance of CS－sleeve under Direct Tensile Load:Part1:Failure Modes[J].Malaysian Journal of Civil Engineering，2008，20(1):89－106.

[8]GOH H M.Parametric Study of Steel Grouted Splice Sleeve with Integrated Double Springs under Axial Tension[D].Johore Johor Bahru:Universiti Teknologi Malaysia，2009:1－68.

[9]吴小宝.钢筋套筒灌浆连接受力性能研究[D]上海:同济大学，2013.

[10]过镇海.钢筋混凝土原理.北京:清华大学出版社，1999.

[11]中华人民共和国建设部.混凝土结构设计规范 GB50010－2002[S].北京:中国建筑工业出版社，2002.

[12]CEB－FIP.Model Code 1990.Concrete Structure.Lausanne，1993.

[13]中华人民共和国家标准.GB/T1348－2009球墨铸铁件[S].北京:中国标准出版社，2009.

[14]江见鲸，陆新征，叶列平.混凝土结构有限元分析[M].北京:清华大学出版社，2005.