钢筋复合接头的疲劳性能浅析

李国锋

摘 要：一种名为“MBT Couplers”的新型钢筋连接接头在美国被广泛运用，我们国内称这种接头为钢筋复合连接接头，在任何受力情况下，它都可以完成钢筋的连接，并且该接头是符合ISO9001标准的产品，但目前在我国则很少应用，通过分析该接头的疲劳性能，为其的推广提供分析基础。

关键词：疲劳分析；钢筋复合接头；应力应变

1 钢筋复合接头的疲劳性能分析

通过理论的分析可以知道，接触点位置会形成应力集中现象，而应力集中现象是对构件是非常不利，当它使构件的局部应力急剧变大时，将会导致构件在应力集中的地方首先产生破坏，所以我们首先得找出应力集中的位置，现在对接头进行静力求解，来观察分析其结果。

1.1 接头静力分析结果

接头的静载的加载过程跟单向拉伸试验时的步骤相似，分两次加载，首先施加接头的约束力，然后在钢筋的右端施加均布拉力为180Mpa，进行静力求解，再在钢筋的右端位置施加-20Mpa的均布拉力，得到两次应力解。

由图3-12和图3-13可以知道，钢筋的最大应力出现在其与螺钉和齿条接触的位置，在钢筋的其他位置，特别是套筒以内的应力比其他地方的大部分范围都小得多；齿条和螺钉的应力分布也跟钢筋的类似。

1.2 接头疲劳性能的数值分析

由于应力云图只是表示的是应力的范围，而且为了进一步地证明上述论述的正确性，通过有限元的通用后处理器的菜单来实现找到应力最大的点的具体坐标位置，按照以下3个步骤来完成：（1）将接头模型的应力值大小从大到小排序，在ANSYS的命令栏输入“allsel&nsort，s，eqv，0，0，all”，然后选择菜单栏上的LIST选项，将应力结果列表显示。（2）根据接头模型的应力云图和结合应力排序列表，确定研究分析5个节点为敏感点，来计算接头的疲劳寿命，分别为：64885，66012，67219，5482，10466。（3）列表显示节点的坐标，确定5个敏感点的坐标位置：64885（0，12.5，20.929），66012（0，12.5，55.929），67219（0，12.5，90.929），5482（10.825，-6.25，114），10466（-10.825，-6.25，114）。

ANSYS疲劳分析过程：

（1）定义事件。文章主要分析一个试件中的五个疲劳敏感点位置的疲劳寿命，共1个事件，2个荷载。

（2）输入材料常数。在前期建模阶段已经输入了材料的弹性模量E和泊松比u，接下来在ansys的疲劳分析模块中输入钢材的S-N曲线。根据文献，可以知道钢筋的疲劳方程式如4-1式所示：

（3）指定并储存应力位置。根据静力计算确定最敏感点，如上述的五个节点，储存五个节点的位置和应力。将静力计算的结果储存到指定位置的节点，即储存64885、66012、67219、5482、10466五个节点的应力。

（4）设置疲劳分析参数。为了方便对比分析，将荷载循环次数统一定义为1000000次，因为是恒载，所以载荷的比例系数为1，将该事件定义为EVE1。

（5）激活疲劳计算。在ANSYS的疲劳分析模块中，可以通过执行 GUI 操作，Mainmenu /General Postproc /Fatigue /Calculate Fatig，在弹出的对话框中可以指定疲劳计算的位置，ANSYS可以用两种方式指定计算位置：通过位置号（程序自动默认方式）和通过节点号。通过计算，既可以得到钢筋的寿命次数，也可以得到钢筋的疲劳耗用系数。疲劳计算的结果如下图。

由疲劳分析的结果可以看出，在应力幅值为100Mpa的循环应力作用下，LOC3的交变应力为197.95Mpa，此时钢筋在位置3的疲劳寿命为0.618E6次。

（6）疲劳结果分析。根据接头的不同位置可以计算相应的疲劳寿命，得到不同位置的疲劳分析结果：LOC1的寿命是1837次，LOC2的寿命是0.14E5次，LOC3的寿命是0.618E6次，LOC4的寿命是0.9088E5次，LOC5的寿命是0.9248E5次。

从数值模拟的数据可以看出：①在恒载的应力反复作用下，接头的最薄弱的地方不一定出现在应力最大处，如LOC4的位置应力最大，为3431.2Mpa，但是其疲劳寿命为0.9088E5次，而LOC1处的应力为2132.1Mpa，但其疲劳寿命仅有1837次。②疲劳寿命的薄弱处仍然分布在接触点位置，应力集中的地方最明显。③拿剪切螺钉来分析，可以发现，3个螺钉的疲劳寿命随着其与钢筋底部的距离的减小而增大。

2 展望

随着城市化的速度在加快，各种改建，扩建工程在涌现，以及大量高层、超高层建筑的出现，对结构承受反复荷载作用的要求越来越高。对钢筋的机械连接接头的疲劳分析非常有必要，文章通过采用ANSYS有限元论述新型的钢筋复合接头承受反复荷载下的交变应力，为进一步的钢筋复合接头的模型优化提供理论分析基础。

参考文献

[1] 梁丽敏.钢筋BBA复合接头在越秀大厦工程施工中的应用[J].广东土木与建筑，2003（11）：5-7.

[2] 熊维.双块式无碴轨道道床板疲劳初探[D].成都：西南交通大学， 2007.