一种预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法技术

本发明专利技术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专利技术方法的精度。

A finite element simulation method for bond behavior between prestressed concrete and concrete

The invention discloses a finite element simulation method of bond behavior between prestressed beam and concrete, and puts forward the equivalent simulation method of bond slip of prestressed beam. First of all, given the prestressed beam as a whole slip surface and effective working surface to determine the principle, established the prestressed beam interface unit force balance, the prestress beam ultimate bond strength calculation method; secondly, the equivalent principle gives the ultimate bond strength of prestressed beam, and according to the formula of the stress of single prestressed steel equivalent the maximum bond, updated BPE bond slip model, the properties of the spring element simulating bond slip, the bond slip of single prestressed steel equivalent finite element simulation; on this basis, a pre stress steel equivalent bond stress superposition prestressed beam cohesion, single prestressed tendons as the average slip slip based on the principle of and the finite element simulation of bond slip of prestressed beam. Finally, the accuracy of the method is verified by the existing test results.

【技术实现步骤摘要】
一种预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法
本专利技术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。
技术介绍
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“Analysisofthebondbehaviorbetweenprestressedstrandsandconcreteinfire,JamalKhalaf,ZhaohuiHuang,ConstructionandBuildingMaterials,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，本专利技术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。
技术实现思路
针对上述问题，为了避免上述研究专利
的不足，本专利技术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。本专利技术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专利技术方法的精度。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(详见专利技术创新之处)。步骤3：确定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。建立预应力束界面微单元受力平衡关系，提出预应力束极限粘结力计算方法；在此基础上，给出预应力束极限粘结力的等效原则，并据此推导单根预应力筋等效最大粘结应力(详见专利技术创新之处)。步骤4：定义单元类型与材料本构关系。1)混凝土与压浆体材料采用三维实体单元Solid65模拟，并采用Hongnestad材料本构模型。2)预应力束中单根钢绞线采用Link8单元模拟，普通钢筋同样采用Link8单元模拟，钢绞线与普通钢筋材料采用简化的Menegotto本构模型。3)预应力束中单根钢绞线与混凝土间的粘结滑移关系采用COMBIN39非线性弹簧单元模拟，此单元属性需通过钢绞线与混凝土单元间粘结滑移(F-S)关系定义，如下步所示。步骤5：定义预应力束中单根钢绞线与混凝土间弹簧单元属性。首先，基于预应力束中单根钢绞线等效最大粘结应力τmax计算公式，更新BPE粘结滑移模型，推导出钢绞线单元与混凝土单元间的粘结滑移(F-S)关系，获得模拟单根钢绞线与混凝土间粘结滑移的弹簧单元的属性，进而建立单根钢绞线与混凝土间粘结滑移关系。具体如下：单根钢绞线与混凝土间的粘结滑移采用COMBIN39弹簧单元进行模拟，具体是在钢绞线与混凝土单元的重合节点间采用三根长度为零的弹簧单元连接。在三根弹簧中，法向与横切向的弹簧变形相对于纵切向的变形可忽略不计，因此，可以将这两个方向弹簧的刚度系数K取为无穷大。钢绞线与混凝土间的粘结滑移主要通过纵向弹簧模拟，其单元属性由单根钢绞线单元与混凝土单元间粘结滑移(F-S)关系获得，其中单根钢绞线单元与混凝土单元间粘结力F通过下式计算：F＝Ar·τ＝π·br·lr·τ(1)式中，Ar为预应力筋单元表面积，br为预应力筋单元直径，lr为预应力筋单元长度，τ为预应力筋与混凝土单元间粘结应力，可根据BPE粘结滑移模型确定：式中，τmax为预应力束中单根钢绞线等效最大粘结应力，S1、S2、S3、S4、τ2、α具体参考文献“Analysisofthebondbehaviorbetweenprestressedstrandsandconcreteinfire,JamalKhalaf,ZhaohuiHuang,ConstructionandBuildingMaterials,128(2016)12-23”。步骤6：网格划分与加载方式的定义。①网格划分；网格的质量将影响到计算精度与收敛性，尽量采用规则六面体单元，对于非线性响应强烈的区域，为避免应力集中而提前开裂，单元尺寸不宜过小。②定义模型的加载方式；模型中采用分级加载，荷载施加于预应力筋端部节点；模型中应避免将约束直接施加在混凝土节点上，故在模型两侧各添加一块刚性垫板用于施加约束。步骤7：有限元求解及后处理。①求解；定义分析类型与求解控制选项，设置平衡迭代最大次数、收敛准则等参数进行有限元求解计算。②提取结果及后处理；提取各级荷载模型下的剖面应力云图，提取每根钢绞线的荷载滑移曲线，并取其平均值作为预应力束的荷载滑移曲线。步骤8：确定预应力束粘结滑移曲线并验证其精度。预应力束粘结力通过单根预应力筋等效粘结力叠加获得，预应力束滑移取单根预应力筋平均滑移值；结合已有实验数据验证本专利技术方法的精度。本专利技术的创新在于给出了预应力束粘结滑移等效模拟方法，主要包括步骤二、三中的两个方面：①给出了预应力束整体滑移面及有效工作面确定原则；②建立了预应力束极限粘结力与预应力束中单根钢绞线等效最大粘结应力计算公式；(1)预应力束整体滑移面及有效工作面确定原则，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。预应力束粘结滑移可等效为预应力束与内部混凝土构成的组合体和周围混凝土间的粘结滑移，如图1所示。预应力束与单根预应力筋的粘结机理类似，两者都由化学胶着力，机械咬合力和摩擦力组成，但两者主要的区别在于有效工作面的不同，单根预应力筋的有效工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预应力束与混凝土粘结性能的有限元模拟方法，其特征在于包括以下步骤：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；步骤3：确定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；建立预应力束界面微单元受力平衡关系，提出预应力束极限粘结力计算方法；在此基础上，给出预应力束极限粘结力的等效原则，并据此推导单根预应力筋等效最大粘结应力；步骤4：定义单元类型与材料本构关系；1)混凝土与压浆体材料采用三维实体单元Solid65模拟，并采用Hongnestad材料本构模型；2)预应力束中钢绞线采用Link8单元模拟，普通钢筋同样采用Link8单元模拟，钢绞线与普通钢筋材料采用简化的Menegotto本构模型；3)预应力束中钢绞线与混凝土间的粘结滑移关系采用COMBIN39非线性弹簧单元模拟，此单元属性需通过钢绞线与混凝土单元间粘结滑移(F‑S)关系定义；步骤5：定义预应力束中单根钢绞线与混凝土间弹簧单元属性；首先，基于预应力束中单根钢绞线等效最大粘结应力τmax计算公式，更新BPE粘结滑移模型，推导出钢绞线单元与混凝土单元间的粘结滑移(F‑S)关系，获得模拟单根钢绞线与混凝土间粘结滑移的弹簧单元的属性，进而实现预应力束中单根钢绞线等效粘结滑移有限元模拟；单根钢绞线与混凝土间的粘结滑移采用COMBIN39弹簧单元进行模拟，具体是在钢绞线与混凝土单元的重合节点间采用三根长度为零的弹簧单元连接；在三根弹簧中，法向与横切向的弹簧变形相对于纵切向的变形可忽略不计，因此，可以将这两个方向弹簧的刚度系数K取为无穷大；钢绞线与混凝土间的粘结滑移主要通过纵向弹簧模拟，其单元属性由单根钢绞线与混凝土单元间粘结滑移(F‑S)关系获得，其中单根钢绞线与混凝土单元间粘结力F通过下式计算：F＝Ar·τ＝n·br·lr·τ      (1)式中，Ar为预应力筋单元表面积，br为预应力筋单元直径，lr为预应力筋单元长度，τ为预应力筋与混凝土单元间粘结应力，可根据BPE粘结滑移模型确定：...

【技术特征摘要】
1.一种预应力束与混凝土粘结性能的有限元模拟方法，其特征在于包括以下步骤：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；步骤3：确定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；建立预应力束界面微单元受力平衡关系，提出预应力束极限粘结力计算方法；在此基础上，给出预应力束极限粘结力的等效原则，并据此推导单根预应力筋等效最大粘结应力；步骤4：定义单元类型与材料本构关系；1)混凝土与压浆体材料采用三维实体单元Solid65模拟，并采用Hongnestad材料本构模型；2)预应力束中钢绞线采用Link8单元模拟，普通钢筋同样采用Link8单元模拟，钢绞线与普通钢筋材料采用简化的Menegotto本构模型；3)预应力束中钢绞线与混凝土间的粘结滑移关系采用COMBIN39非线性弹簧单元模拟，此单元属性需通过钢绞线与混凝土单元间粘结滑移(F-S)关系定义；步骤5：定义预应力束中单根钢绞线与混凝土间弹簧单元属性；首先，基于预应力束中单根钢绞线等效最大粘结应力τmax计算公式，更新BPE粘结滑移模型，推导出钢绞线单元与混凝土单元间的粘结滑移(F-S)关系，获得模拟单根钢绞线与混凝土间粘结滑移的弹簧单元的属性，进而实现预应力束中单根钢绞线等效粘结滑移有限元模拟；单根钢绞线与混凝土间的粘结滑移采用COMBIN39弹簧单元进行模拟，具体是在钢绞线与混凝土单元的重合节点间采用三根长度为零的弹簧单元连接；在三根弹簧中，法向与横切向的弹簧变形相对于纵切向的变形可忽略不计，因此，可以将这两个方向弹簧的刚度系数K取为无穷大；钢绞线与混凝土间的粘结滑移主要通过纵向弹簧模拟，其单元属性由单根钢绞线与混凝土单元间粘结滑移(F-S)关系获得，其中单根钢绞线与混凝土单元间粘结力F通过下式计算：F＝Ar·τ＝n·br·lr·τ(1)式中，Ar为预应力筋单元表面积，br为预应力筋单元直径，lr为预应力筋单元长度，τ为预应力筋与混凝土单元间粘结应力，可根据BPE粘结滑移模型确定：式中，τmax为预应力束中单根钢绞线等效最大粘结应力，S1、S2、S3、S4、τ2、α具体参考文献“Analysisofthebondbehaviorbetweenprestressedstrandsandconcreteinfire,JamalKhalaf,ZhaohuiHuang,ConstructionandBuildingMaterials,128(2016)12-23”。步骤6：网格划分与加载方式的定义；①网格划分，网格的质量将影响到计算精度与收敛性，尽量采用规则六面体单元，对于非线性响应强烈的区域，为避免应力集中而提前开裂，单元尺寸不宜过小；②定义模型的加载方式，模型中采用分级加载，荷载施加于预应力筋端部节点；模型中应避免将约束直接施加在混凝土节点上，故在模型两侧各添加一块刚性垫板用于施加约束；步骤7：有限元求解及后处理；①求解，定义分析类型与求解控制选项，设置平衡迭代最大次数、收敛准则等参数进行有限元求解计算；②提取结果及后处理，提取各级荷载模型下的剖面应力云图，提取每根钢绞线的荷载滑移曲线，并取其平均值作为预应力束的荷载滑移曲线；步骤8：确定预应力束粘结滑移曲线并验证其精度。预应力束粘结力通过单根预应力筋等效粘结力叠加获得，预应力束滑移取单根预应力筋平均滑移值；结合已有实验数据验证本发明方法的精度。2.根据权利要求1所述的预应力束与混凝土间粘结性能的有限元模拟方法，其特征在于给出了预应力束粘结滑移等效模拟方法，主要包括步骤二、三中的两个方面：①给出了预应力束整体滑移面及有效工作面确定原则；②建立了预应力束极限粘结力与单根钢绞线等效最大粘结应力计算公式；(1)预应力束整体滑移面及有效工作面确定原则，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；预应力束粘结滑移可等效为预应力束与内部浆体构成的组合体和周围混凝土间的粘结滑移；预应力束与单根预应力筋的粘结机理类似，两者都由化学胶着力，机械咬合力和摩擦力组成，但两者主要的区别在于有效工作面的不同，单根预应力筋的有效工作面为钢绞线外表面，而预应力束的有效工...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，袁平，张旭辉，张建仁，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43