[发明专利]一种预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法

说明书

本发明公开了一种预应力束与混凝土间粘结性能有限元模拟方法，提出了预应力束粘结滑移等效模拟方法。首先，给出了预应力束整体滑移面及有效工作面确定原则，建立了预应力束界面微单元受力平衡关系，提出了预应力束极限粘结力计算方法；其次，给出了预应力束极限粘结力的等效原则，并据此推导了单根预应力筋等效最大粘结应力计算公式，更新了BPE粘结滑移模型，明确了模拟粘结滑移的弹簧单元的属性，实现了单根预应力筋等效粘结滑移有限元模拟；在此基础上，基于单根预应力筋等效粘结力叠加获得预应力束粘结力、单根预应力筋平均滑移作为预应力束滑移的原则，实现了预应力束粘结滑移的有限元模拟。最后，结合现有试验结果验证了本发明方法的精度。

技术领域

本发明涉及一种有限元模拟分析方法，具体是一种预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法。

背景技术

随着预应力混凝土结构被广泛用于各大工程，其安全问题也越来越突显，预应力筋与混凝土间的粘结性能是影响结构安全使用的重要因素。结构中钢筋与混凝土的粘结性能取决于钢筋直径和钢筋表面几何特征。目前针对于结构中普通钢筋的粘结性能开展了大量模拟研究，相关方法较为成熟。但结构中预应力筋多采用捻制而成的钢绞线，这种捻制钢绞线粘结性能不同于普通钢筋。文献“Analysis of the bond behavior betweenprestressed strands and concrete in fire,Jamal Khalaf,Zhaohui Huang,Construction and Building Materials,128(2016)12-23”提出单根预应力钢绞线与混凝土粘结性能有限元模拟方法，预测了在不同因素影响下的预应力筋粘结性能，并通过试验数据进行了验证。该方法仅限于对单根预应力钢绞线与混凝土的粘结性能，而实际工程中，尤其是大跨度预应力混凝土桥梁中，钢绞线往往是成束布置。预应力束粘结力由多根钢绞线和预应力孔道内压浆体共同贡献，并非由多根钢绞线粘结力的简单叠加。已有试验表明，预应力束粘结应力要低于多个单根预应力筋粘结应力的和，且钢绞线数量越多，这种关系的非线性越显著。目前对预应力束粘结性能的研究仍停留于试验层面，目前还没有预应力束粘结性能模拟方法的报道。不同结构中，预应力束中钢绞线的数量与空间排列方式存在差异，完全依靠试验对各种预应力束粘结性能进行测试成本过高，难以满足实际需要。为此，本发明提出了一种预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法。

发明内容

针对上述问题，为了避免上述研究发明领域的不足，本发明提出了一种预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法，该方法通过商用ANSYS软件实现，具有较好的精度，可有效模拟预应力束的粘结性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法。该方法主要思想包括：首先，给出预应力束整体滑移面及有效工作面确定原则，建立预应力束极限粘结力及预应力束中单根预应力筋等效最大粘结应力计算公式；然后，明确模拟粘结滑移的弹簧单元的属性，实现单根预应力筋等效粘结滑移有限元模拟；在此基础上，确定预应力束拉拔过程中的粘结滑移曲线；最后，结合现有试验结果验证本发明方法的精度。具体步骤如下：

步骤1：建立几何模型。

根据实际工程结构，确定模型几何参数，混凝土与预应力孔道中的压浆体的几何模型通过采用分离式建模方法获得；预应力束几何模型的建立可通过两步实现，首先采用实体切分法在钢绞线的位置将混凝土切分，然后在切分处重新创建多根与钢绞线几何参数相同的线作为预应力束几何模型；普通钢筋的几何模型采用同样的方法得到。模型中不考虑混凝土与压浆体间的粘结滑移，视两者为完全粘结；忽略普通钢筋与混凝土间的粘结滑移，在两者间采取建立约束方程的方法连接。

步骤2：确定预应力束整体滑移面及有效工作面的构成。具体包括：钢绞线与周围混凝土接触面、钢绞线间混凝土浆体的有效工作面积和粘结力构成(详见发明创新之处)。