基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法技术

本发明专利技术公开的基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法，建立极限粘结强度与粘结失效面径向应力的关系表达式，确定混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力，确定混凝土劈裂失效向拉拔旋转失效转变时粘结失效面的临界径向应力，确定临界径向压应力下的最小混凝土保护层厚度，通过现有与钢绞线相关的拉拔实验数据对本发明专利技术方法进行对比评估，结合两种失效模式，验证本发明专利技术方法的精度。考虑钢绞线的撵制螺旋构造以及钢绞线的旋转粘结机理，可有效模拟预测单根预应力钢绞线与混凝土在两种失效模式下，即混凝土劈裂失效以及拉拔旋转失效下的极限粘结强度，且具有较好的精度；改善了关于预应力钢绞线与混凝土理论粘结模型研究的不足。

【技术实现步骤摘要】
基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法
本专利技术涉及钢绞线极限粘结强度计算方法
，尤其涉及一种基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法。
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。钢绞线与混凝土间的粘结主要依靠两者接触面间的剪切力来实现。该界面受力复杂，受到混凝土强度、保护层厚度、钢筋直径以及钢绞线表面特征等影响。目前针对钢绞线与混凝土的粘结模型研究较少，大部分集中在普通钢筋。预应力钢绞线多为捻制螺旋构造，这种捻制钢绞线粘结性能与普通钢筋必然不尽相同。现有的钢绞线与混凝土间的粘结强度模型研究大多基于实验来展开，预测结果对实验条件依赖程度较高，在实际工程中应用有限。一些学者通过对钢绞线构造进行简化以及通过有限元模拟等方法从理论上进行了研究。传统技术将钢绞线外丝简化为以一定角度螺旋地环绕在内丝表面的肋，建立了地锚结构中不同侧面压力下钢绞线与水泥浆的粘结强度模型。然而，目前未有粘结强度模型能考虑钢绞线受力时由于其捻制构造引起的旋转粘结机理对极限粘结强度的影响，相应的粘结强度力学模型尚待发展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法，有效解决上述技术问题。为有效解决上述技术问题，本专利技术技术方案如下：基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法，该方法包括以下步骤：(1)建立极限粘结强度与粘结失效面径向应力的关系表达式：考虑钢绞线表面的螺旋构造特征，基于其在拉拔过程中外丝肋表面的受力平衡，对混凝土劈裂失效以及拉拔旋转失效两种失效模式下的极限粘结强度与粘结失效面径向应力间的关系进行推导；(2)确定混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力：根据钢绞线受力过程中由钢绞线肋滑动引起的接触面混凝土径向位移与径向应力的关系，将钢筋外部混凝土看作是厚壁圆柱体，考虑钢绞线周围混凝土由粘结引起的未开裂，部分开裂及完全开裂三个阶段，确定混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力；(3)确定混凝土劈裂失效向拉拔旋转失效转变时粘结失效面的临界径向应力：根据钢绞线发生旋转失效时的受力特征，建立基于钢绞线中心的弯矩受力平衡关系，并据此推导由混凝土劈裂破坏失效向拉拔旋转失效转换时的粘结失效面的临界径向应力；(4)确定临界径向压应力下的最小混凝土保护层厚度：根据钢绞线受力过程中由钢绞线肋引起的接触面混凝土径向位移与相应的径向应力的关系，建立钢绞线表面肋最大径向应力与混凝土保护层厚度、混凝土强度等的关系，进而推导得到固定混凝土强度下最小混凝土保护层厚度；(5)模型验证：通过现有与钢绞线相关的拉拔实验数据对本专利技术方法进行对比评估，结合两种失效模式，验证本专利技术方法的精度。特别的，所述步骤(1)还包括以下步骤：首先针对钢绞线的任意捻距，将其划分成纵向多个相同长度的微分单元，之后对作用在单元钢绞线表面的机械咬合力进行分析，根据受力平衡原理对钢绞线表面机械咬合力的有效受力面积进行积分，据此推导单根预应力钢绞线微分单元长度提供的拉拔力与粘结失效面径向应力的关系，最后将拉拔力均匀分布在受力面得到极限粘结强度与粘结失效面径向应力的关系表达式；所述步骤(1)中关于粘结强度与粘结失效面径向应力的关系的推导具体如下：钢绞线与混凝土的粘结本质为接触面间的剪切力，粘结应力τb可表示为公式(1)：τb＝Fb/(k·π·d·lb)式中，Fb和d分别为钢绞线的拉力和名义直径；lb为粘结长度；k为考虑钢绞线的外表面构造引入的周长扩大系数，可取4/3；取钢绞线纵向dz长度，此时对应的横截面旋转角度为dα，外丝肋与纵向方向的夹角为δ，分析钢绞线肋提供咬合力的受力面积，可近似看作六个不完整月牙形，假设每根钢绞线外丝受力相同，取其中任意一根外丝月牙形进行分析，不完整月牙形的有效覆盖角度为θ，取值范围为[0,2π/3]，dθ区域内钢绞线肋上的面积dA可表示为公式(2)：dA＝hr/sinδ·db/2·dθ式中，hr为横向肋的高度；db为钢绞线外丝直径，对倾斜面dA进行受力分析；作用在肋表面dA上的粘结力由剪切力dFv和摩擦力dFf构成；其中，剪切力dFv平行于肋表面，摩擦力dFf与肋表面的法线方向存在一个摩擦角φ，假设钢绞线与混凝土间的单位粘结力为fcoh，作用在剪切失效平面上的正应力为fn，则dFv与dFf可分别表示为公式(3)、(4)：dFv＝fcohdA剪切力dFv和摩擦力dFf可分解成平行于钢绞线轴向的平行力dFb以及垂直于轴向的放射力dFsp如下公式(5)、(6)：每根钢绞线总共有六个面提供平行力和环向力，因此，dz范围内纵向拉拔力Fb表示为公式(7)、(8)：将式(7)和式(8)结合得到dz范围内Fb的表达式(9)：将Fb代入式(1)得到dz范围内粘结强度τb表达式(10)：特别的，所述步骤(2)还包括以下步骤:所述步骤(2)中，混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力的计算，具体步骤为：将钢筋外部混凝土看作是厚壁圆柱体，考虑混凝土在拉拔过程中未开裂，部分开裂及完全开裂三个阶段，结合混凝土受拉开裂后的双线性拉应力退化模型，得到fn不同阶段的表达式：未开裂阶段，半径r处切向应力σt,r与fn的关系表达式(11)：式中，ri和re分别为圆柱体的内，外半径；部分开裂阶段的fn由两部分组成，包括未开裂部分和开裂部分对于未开裂部分混凝土，将其看作是线弹性材料，对于开裂部分混凝土，考虑混凝土受拉状态下的软化行为，并引入虚拟裂缝模型。得到部分开裂阶段fn的表达式如下(12)：式中，rcr为裂缝开裂前沿的半径；rs＝d/2为钢绞线名义半径；Ec为混凝土弹性模量；εcr＝fct/Ec为混凝土开裂应变；n为虚拟裂缝的数量，本文假设n＝3；a与b为表示混凝土开裂软化行为的常数；w0为混凝土拉应力失效时的最大裂缝宽度，完全开裂阶段处的径向应力与部分开裂阶段开裂部分的应力一致。特别的，所述步骤(3)还包括以下步骤:所述步骤(3)中，混凝土劈裂失效向拉拔旋转失效转变时粘结失效面的临界径向应力的计算，具体步骤为：钢绞线纵向的分力Frib的可分解成垂直劈裂平面的力Fribv以及平行于劈裂平面的力Fribh；垂直于劈裂平面的力Fribv表达(13)如下：平行于劈裂平面的力Fribh，表达式(14)如下：因此Frib可表达为(15)：通过对中丝计算扭矩可得到dz范围内fn与扭矩Mrib的关系表达式(16)：接下来求混凝土摩擦力提供的最大扭矩Mmax，最大扭矩Mmax可表示为(17)：式中，μ＝tan(φ)为摩擦系数；忽略钢绞线内外丝直径差，即da＝db，则表达式(18)：当Mrib达到Mmax时，钢绞线达到旋转临界状态，此后随着拉拔力的继续增加，钢绞线开始旋转，达到最大粘结应力；达到最大粘结应力时的fn,max可通过式(17)与式(18)相等得到，得到接触界面钢绞线旋转时的临界压应力fn,crit如下表达式(19)所示：本专利技术的有益效果为：本专利技术提供的基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法，考虑钢绞线的撵制螺旋构造以及钢绞线的旋转粘结机理，可有效模拟预测单根预应力钢绞线与混凝土在两种失效模式下，即混凝土劈裂失效以及拉拔旋转失效下的极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)建立极限粘结强度与粘结失效面径向应力的关系表达式：考虑钢绞线表面的螺旋构造特征，基于其在拉拔过程中外丝肋表面的受力平衡，对混凝土劈裂失效以及拉拔旋转失效两种失效模式下的极限粘结强度与粘结失效面径向应力间的关系进行推导；(2)确定混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力：根据钢绞线受力过程中由钢绞线肋滑动引起的接触面混凝土径向位移与径向应力的关系，将钢筋外部混凝土看作是厚壁圆柱体，考虑钢绞线周围混凝土由粘结引起的未开裂，部分开裂及完全开裂三个阶段，确定混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力；(3)确定混凝土劈裂失效向拉拔旋转失效转变时粘结失效面的临界径向应力：根据钢绞线发生旋转失效时的受力特征，建立基于钢绞线中心的弯矩受力平衡关系，并据此推导由混凝土劈裂破坏失效向拉拔旋转失效转换时的粘结失效面的临界径向应力；(4)确定临界径向压应力下的最小混凝土保护层厚度：根据钢绞线受力过程中由钢绞线肋引起的接触面混凝土径向位移与相应的径向应力的关系，建立钢绞线表面肋最大径向应力与混凝土保护层厚度、混凝土强度等的关系，进而推导得到固定混凝土强度下最小混凝土保护层厚度；(5)模型验证：通过现有与钢绞线相关的拉拔实验数据对本专利技术方法进行对比评估，结合两种失效模式，验证本专利技术方法的精度。...

【技术特征摘要】
1.基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)建立极限粘结强度与粘结失效面径向应力的关系表达式：考虑钢绞线表面的螺旋构造特征，基于其在拉拔过程中外丝肋表面的受力平衡，对混凝土劈裂失效以及拉拔旋转失效两种失效模式下的极限粘结强度与粘结失效面径向应力间的关系进行推导；(2)确定混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力：根据钢绞线受力过程中由钢绞线肋滑动引起的接触面混凝土径向位移与径向应力的关系，将钢筋外部混凝土看作是厚壁圆柱体，考虑钢绞线周围混凝土由粘结引起的未开裂，部分开裂及完全开裂三个阶段，确定混凝土劈裂粘结失效时粘结失效面的径向应力；(3)确定混凝土劈裂失效向拉拔旋转失效转变时粘结失效面的临界径向应力：根据钢绞线发生旋转失效时的受力特征，建立基于钢绞线中心的弯矩受力平衡关系，并据此推导由混凝土劈裂破坏失效向拉拔旋转失效转换时的粘结失效面的临界径向应力；(4)确定临界径向压应力下的最小混凝土保护层厚度：根据钢绞线受力过程中由钢绞线肋引起的接触面混凝土径向位移与相应的径向应力的关系，建立钢绞线表面肋最大径向应力与混凝土保护层厚度、混凝土强度等的关系，进而推导得到固定混凝土强度下最小混凝土保护层厚度；(5)模型验证：通过现有与钢绞线相关的拉拔实验数据对本发明方法进行对比评估，结合两种失效模式，验证本发明方法的精度。2.根据权利要求1所述基于旋转和保护层开裂失效下钢绞线粘结强度预测方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括以下步骤：首先针对钢绞线的任意捻距，将其划分成纵向多个相同长度的微分单元，之后对作用在单元钢绞线表面的机械咬合力进行分析，根据受力平衡原理对钢绞线表面机械咬合力的有效受力面积进行积分，据此推导单根预应力钢绞线微分单元长度提供的拉拔力与粘结失效面径向应力的关系，最后将拉拔力均匀分布在受力面得到极限粘结强度与粘结失效面径向应力的关系表达式；所述步骤(1)中关于粘结强度与粘结失效面径向应力的关系的推导具体如下：钢绞线与混凝土的粘结本质为接触面间的剪切力，粘结应力τb可表示为公式(1)：τb＝Fb/(k·π·d·lb)式中，Fb和d分别为钢绞线的拉力和名义直径；lb为粘结长度；k为考虑钢绞线的外表面构造引入的周长扩大系数，可取4/3；取钢绞线纵向dz长度，此时对应的横截面旋转角度为dα，外丝肋与纵向方向的夹角为δ，分析钢绞线肋提供咬合力的受力面积，可近似看作六个不完整月牙形，假设每根钢绞线外丝受力相同，取其中任意一根外丝月牙形进行分析，不完整月牙形的有效覆盖角度为θ，取值范围为[0,2π/3]，dθ区域内钢绞线肋上的面积dA可表示为公式(2)：dA＝hr/sinδ·db/2·dθ式中，hr为横向肋的高度；db为钢绞线外丝直径，对倾斜面dA进行受力分析；作用在肋表面dA上的粘结力由剪切力dFv和摩擦力dFf构成；其中，剪切力dFv平行于肋表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王磊，易驹，吴兵辉，袁平，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