基于ANSYS的植筋锚固系统参数化建模

张城赫

【摘 要】在我国，植筋锚固技术的分析和应用起步较晚，而且主要以实验研究和实际中的应用总结为主。从技术发展的观点上看，利用有限元数值分析方法建立植筋锚固系统中的各部分单元模型，对于分析其后续的破坏机理和传力途径是十分必要、也是十分有优势的。本文将以ansys有限元数值分析软件为基础建立植筋锚固系统各部分单元模型，并提供一个相对较完整的非线性分析步骤，来建立植筋锚固系统受力分析的理论基础。

【关键字】植筋系统，后锚固，ansys有限元分析，接触单元

第一章 概述

1.1概述

随着建筑业的迅速发展，我国逐步进入建筑物的改造和加固的高峰期，有相当一部分建筑物已经进入中老年期，亟待进行检测和加固处理。在所有加固方法中，植筋锚固技术作为一种重要的后加固方法，以其便捷、经济、实用等优势广泛应用于建筑物加固领域。同时，由于一些设计上的偏差和施工上的失误，一些新兴建筑物也需要进行加固处理，这些都为植筋锚固技术的应用和发展提供了广阔的空间。

1.2植筋锚固系统简介

植筋锚固技术是建筑物加固的重要手段之一，其方法是在结构需改造加固的部位按工程实际需要经过定位、钻孔、灌浆、植筋等工序对建筑物实行改造，使其满足设计要求并承受正常使用荷载。

1.3研究的意义和作用

在我国，植筋锚固技术的分析和应用起步较晚，而且主要以实验研究和实际中的应用总结为主。从技术发展的观点上看，利用有限元数值分析方法建立植筋锚固系统中的各部分单元模型，对于分析其后续的破坏机理和传力途径是十分必要、也是十分有优势的。本文将以ansys有限元数值分析软件为基础建立植筋锚固系统各部分单元模型，并提供一个相对较完整的非线性分析步骤，来建立植筋锚固系统受力分析的理论基础。

第二章 植筋锚固技术原理和破坏模式

2.1植筋锚固原理

植筋锚固系统的原理是材料的相互结合。通过化学粘结剂—植筋胶，将钢筋固定于混凝土基材钻孔中，通过粘结作用，以实现加固部位锚固的一种组件。与钢筋直接锚固在混凝土中不同，钢筋与混凝土之间的应力传递需要通过植筋胶来完成这个过程，植筋胶作为传力介质将植入筋钢筋所受荷载沿植筋长度方向传递给基材混凝土，因此植筋传力机理主要靠植入钢筋与植筋胶之间的粘结力与混凝土与植筋胶之间的粘结作用来实现的。所以这三者之间的粘结力和植筋胶本身的性质决定了植入钢筋与混凝土之间的锚固性能，从而影响到整个构件的受力性能。

2.2基本破坏模式

1） 植筋胶和钢筋的粘结界面达到极限强度而破坏

2） 植筋胶与混凝土的粘结界面达到极限强度而破坏

3） 钢筋本身达到设计强度而破坏

4） 混凝土本身达到极限强度而破坏，发生剥落甚至产生裂缝

5） 植筋胶本身达到极限强度而破坏

第三章ansys建模分析计算

3.1材料模型

3.1.1钢筋单元：本次实验中所有类型的钢筋均采用ansys有限元分析中的link8三维杆单元。该单元通过两个节点、横截面积、初始应变及材料属性来定义。该单元需要输入的实常数有两项：AREA（横截面面积）、ISTRN（初始应变值）。其材料特性包括弹性模量、泊松比、热膨脹系数、密度等，可较好的模拟单元的塑形、蠕变、应力刚化等特性。

3.1.2混凝土单元：混凝土单元采用ansys有限元分析中的solid65三维混凝土实体单元，该模型具有拉裂与压碎的功能。在用solid65来模拟混凝土时，其输入的参数主要包括：弹性模量、泊松比、张开与闭合滑移面的剪切强度缩减系数、抗拉与抗压强度、极限双轴抗压强度，剩余参数均采用系统默认值。主要的关键字包括：大变形控制（k1）、混凝土线性解的输出控制（k5）、混凝土非线性解输出控制（k6）、开裂后应力松弛考虑选项（k7）其中，k1选择为不考虑大变形，k7选择为考虑开裂后应力松弛，经证明，考虑开裂后应力松弛有助于计算收敛。

3.1.3粘结剂单元：本次植筋锚固系统粘结滑移有限元分析采用非线性弹簧单元combine39模拟。定义combine39单元需要两个节点和一条总体的F-D曲线，曲线上的节点，如D1，F1；D2，F2等等所代表的是结构分析中力与相对平移的关系，即弯矩与旋转的关系由此来定义非线性弹簧单元的受力性质，不需要再定义材料性质。对于双向的或三向的弹簧单元，弹簧之间的距离不可为0，因为单元之间力的方向是通过连接两个节点的直线来定义的。对于F-D曲线的描述，国内外已经做了大量工作，其中一部分成果已经应用到了实际当中，本文参考杨勇在《型钢混凝土粘结滑移基本原理及应用研究》（西安建筑科技大学 2003）中的结论，来描述F-D曲线，该曲线具有普遍意义。

3.2非线性分析步骤

3.2.1建立模型，并划分网络

在此步中，需要建立接触实体的实体模型。与ansys结构分析过程相同，需要设置好单元类型、实常数、材料特性，用恰当的单元类型给接触实体划分网络。

GUI： Main

Menu>preprocessor>mesh>mapped>3 or 4 sided

Main Menu>pneprocessor>mesh>mapped>4 or 6 sided

3.2.2识别接触对

目标面与接触面合称为一个接触对。对于刚性—柔性接触，目标面总是刚性的，接触面总是柔性的。在ansys数值分析当中，目标单元用targe170模拟，接触单元用cantact174模拟，用这两个单元来定义3D实体接触单元。

3.2.3指定目标面和接触面

在植筋锚固系统中，有两个接触面，即混凝土与植筋胶的接触、植筋胶与钢筋的接触。根据第二步中的说明，在植筋锚固系统中，对于混凝土与植筋胶的接触中，混凝土应为目标面，用targe170模拟，植筋胶应为接触面，用cantact174模拟；对于植筋胶与钢筋的接触，植筋胶应为接触面，用contact174模拟，钢筋应为目标面，用targe170模拟

3.2.4定义刚性目标面

在二维情况下，刚性目标面的形状可以通过一系列直线、圆弧和抛物线来描述，。在生成目标单元之前，须定义单元类型。

GUI：main menu>preprocessor>Element Type> Add/Edit/Delete

随后须设置目标单元的实常数

命令：Real

GUI：main menn>preprocessor>real constants

对targe170仅需设置实常数R1和R2，而只有在使用直接生成法建立目标单元时，需要指定实常数R1、R2，为了直接生成目标单元，使用下面的命令和菜单路径：

命令：TSHAP

GUI：main menu>preprocessor>modeling-create>Elements>Elem Attributes

随后指定单元形状即可，根据植筋锚固系统的实际情况，单元性状为圆曲面。

3.2.5定义柔性目标面

柔性目标面的定义与刚性目标面的定义相同，但不同的是需使用contant174来定义表面。

3.2.6设置单元关键字和实常数

程序使用九个实常数和一些单元关键字来控制面—面的接触行为，实常数和关键字的取值和确定直接反应与实际情况的吻合程度，可在确定范围取值之间微调参数，以实现最大程度模拟实际情况，比较重要的实常数和关键字有（除有特别说明，剩余参数均取ansys默认值）：

实常数：

1、R1和R2定义目标单元几何形状

2、 FKN定义法向接触刚度因子：一般控制在0.01—10之间，考虑植筋胶性能等因素取0.275

3、TOLN定义最大的渗透范围：决定单元的接触应力，太大可能会导致单元高估接触力而使计算不收敛或者接触面之间脱落解除关系，对于埋置深度为15d—25d的植筋锚固系统，其值可在0.1—0.2之间用线性内插法选取

4、ICONT定义初始靠近因子

5、PINB定义“pinball”区域

6、PMIN和PMAX定义初始渗透的容许范围

7、TAUMAR指定最大的接触摩擦

命令：R

GUI：main menu>preprocessor>real constant

单元关键字：

每种接触单元都有好几个关键字，对大多数的接触问题省却的关键字是合适的，而在某些情况下，可能需要改变省却值，来控制接触行为。

1、接触算法（KEYOPT（2））：对面─面的接触单元，程序可以使用扩增的拉格朗日算法或罚函数方法，通过使用单元关键字KETOPT（2）来指定。

2、 出现超单元时的应力状态（KEYOPT（3））

3、 接触方位点的位置（KEYOPT（4））

4、 刚度矩阵的选择（KEYOPT（6））

5、 时间步长控制（KEYOPT（7））

6、 初始渗透影响（KEYOPT（9））

7、 接触表面情况（KEYOPT（12））

GUI：main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete

在此之外，还需要设置的有：

1、接触剛度：

所有的接触问题都需要定义接触刚度，两个表面之间渗透量的大小取决了接触刚度，过大的接触刚度可能会引起总刚矩阵的病态，而造成收敛困难，一般来谘，应该选取足够大的接触刚度以保证接触渗透小到可以接受，但同时又应该让接触刚度足够小以使不会引起总刚矩阵的病态问题而保证收敛性，为了取得一个较好的接触刚度值，可以按下面的步骤过行。

1）开始时取一个较低的值，低估些值要比高估些值好因为由一个较低的接触刚度导致透透问题要比过高的接触刚度导致的收敛性困难要容易解决

2）对前几个子步进行计算

3）检查渗透量和每一子步中的平衡迭代次数，如果总体收敛困难是由过大的渗透引起的那么可能低估了FKN的值或者是将FTOLN的值取得大小，如果总体的收敛困难是由于不平衡力和位移增量达到收敛值需要过多的迭代次数，而不是由于过大的渗透量，那么FKN的值可能被高估

4）按需要调查FKN或FTOLN的值，重新分析

2、摩擦类型：

摩擦类型采用的是基本的库伦摩擦类型里面的粘结接触，摩擦系数取0.25，并根据植筋胶的力学性能指定指定最大等效剪应力，一般取25KN/mm2，当超过此最大剪应力时，滑动发生静动摩擦系数比去为1.0

3.2.7控制刚性目标的运动

3.2.8施加必要的边界和约束条件：按实际情况加载边界条件，加载过程与其他的分析类型相同。

3.2.9定义求解荷载步选项

接触问题的收敛性随问题不同而不同，时间步长必须足够大以描述适当的接触 。如果时间步太大，则接触力的光滑传递会被破坏，设置精确时间步长的可信赖的方法是打开自动时间步长。

命令：Autots，on

GUI：Main Menu>Solution>-load step opts-Time/Frequence>Time&Time step

/Time& substeps

设置合理的平衡迭代次数，一个合理的平衡迭代次数通常在25和50之间

命令：NEQIT

GUI：Main Menu>Solution>-load step opts-Nonlinear>Equilibriwm iter

3.2.10求解：求解过程与一般的非线性分析过程相同。

第四章 结语

植筋锚固技术作为一种重要的后加固方法，以其便捷、经济、实用等优势广泛应用于建筑物加固领域。同时，随着有限元理论的不断成熟和计算机的广泛应用，越来越多的有限元分析软件开始应用于工程领域，所以如何正确的建立植筋系统的ansys有限元模型从而进一步为下一步的数据分析做好准备显得十分必要。本文着重以ansys有限元分析软件为基础，从选取材料模型到建立植筋系统接触单元模型给出了详细的步骤，更好的模拟了植筋锚固系统的实际情况，从而为下一步的分析打下了基础。