钢筋插入式波纹管浆锚连接数值分析文献综述

文献综述（或调研报告）：

随着我国经济的飞速发展，国内生活生产对交通网络的需求逐年增长。桥梁作为道路的重要组成部分,在交通工程中的起到关键性作用。现阶段，我国桥梁建设主要面临以下问题：（1）原先等级较低的部分桥梁，由于受到车辆荷载增加、环境侵蚀及设计施工缺陷等因素的影响，其结构性能及承载力退化，安全性降低，需进行维护或更换；（2）建造及维护桥梁的传统施工方法工期长、成本高、污染严重且施工质量无法保证，并影响城市交通^[1]。随着装配式建筑的兴起，国内外已有大量的桥梁采用了预制拼装^[2]。

而装配式结构中，节点的连接质量对整个结构起着至关重要的作用。灌浆连接套筒最先于1960年底由美国工程师Dr. Alfred A. Yee.发明，并首次运用到框架结构建筑中。1973年，灌浆连接套筒由著名建筑师Nisso（NMB）引入日本，之后10年里，灌浆套筒被广泛推广并大量使用在5层预制混凝土住宅项目中^[3]。1983年，美国混凝土协会ACI首次在报告中明确规定，将钢筋套筒灌浆连接技术列入钢筋连接的主要技术之一^[4]。1987年,美国专家学者针对预制结构的梁柱节点的连接，提出了“预制混合型”这一种新型连接方式，即在柱子的侧面开孔，将主梁的纵筋和预应力张拉筋穿过孔道，再对预留孔洞进行灌浆封堵^[5]。已有专家学者对套筒连接性能进行了试验研究，如Raynor D J等^[6]通过对套筒浆锚钢筋加载循环荷载作用来研究其黏结性能。它们的行为对预制混凝土框架柱的抗震性能有重要影响，在这些框架中，连接依赖于这些浆锚钢筋。建立了一个非弹性的有限元模型然后根据试验数据与结果验证了该模型是有效的。

我国行业标准《装配式混凝土结构技术规程》JGJ 1-2014^[7]将钢筋套筒灌浆连接列入装配式混凝土结构的连接方式之一，并规定了此种连接方式的使用范围。我国的《钢筋套筒灌浆连接应用技术规程》JGJ 355-2015^[8]对套筒灌浆连接的材料要求、接头性能要求、设计要求、接头型式检验、施工要求、验收要求等做了明确规定，有力推动此种连接方式在预制装配式混凝土结构中的应用。

目前，部分学者将金属波纹套管应用到预制装配式建筑中，用来锚固预制构件上预留外露的钢筋，同时，为了研究这种连接技术的锚固性能，进行了相关试验分析。Wu等^[9]对采用了灌浆金属波纹管的这一连接方法的预制装配式混凝土柱－钢梁的组合框架进行了抗震性能研究。陈俊^[10]等针对预埋金属波纹套管浆锚钢筋的锚固性能进行拉拔试验研究，主要设置了钢筋直径、金属波纹管直径、金属波纹管与钢筋的孔径比大小等影响因素。研究结果表明：钢筋试件的锚固性能不仅受金属波纹管和钢筋的直径大小的影响，而且跟两者的孔径比也有很大关系。金属波纹管具有很好的径向刚度，同时具有稳定的锚固效果，建议波纹套管与钢筋的孔径比取值在2~3之间，浆锚钢筋的最小锚固长度取值为15d。陈云钢等^[11]对9组162个波纹套管浆锚钢筋进行了锚固拉拔试验研究，试验结果表明，全部浆锚钢筋试件的破坏形式均为被拉断破坏，波纹套管浆锚钢筋所需锚固长度仅为规范设计要求的60%，仍可确保浆锚钢筋的抗拉强度得到有效发挥并且具有可靠的连接性能。

有限元法起源于20世纪50年代航空工程中飞机结构的矩阵分析。矩阵分析认为，一个结构可以看作是由有限个力学小单元互相连接组成的集合体，表征单元力学特性的刚度矩阵装配在一起就可以得到整个结构的力学特性。有限元法的基本思想是将一个连续体分割成有限个单元，即把一个复杂的结构看成由有限个通过节点相连的单元组成的整体，先进行单元分析，然后再把这些单元组装起来代表原结构，从而得到复杂问题的近似数值解。

ANSYS 软件是一款大型有限元分析软件，功能丰富，目前为止已经广泛的应用于土木、机械、材料、水利等多种领域^[12]。1968年Bresler等^[13]和Nilson等^[14]提出用线性和非线性弹黄模拟钢筋与混凝土的粘结行为，这种模型得到了广泛的认可，现在仍然被广泛地应用。Hammaty等^[15]1991年首次采用ANSYS中的非线性弹簧单元对钢筋与混凝土粘结滑移问题进行了数值模拟。这种模拟技术通过在分离式模型中插入零长度弹簧，利用弹簧的力-变形关系实现对粘结滑移问题的模拟。郑永峰等^[16]对一种新型灌浆套筒进行了拉伸试验，结果表明套筒内腔构造影响套筒的应变分布及约束机理，并基于ANSYS接触分析功能对灌浆连接的性能及套筒和灌浆料之间的相互作用进行了数值模拟，分析结果表明有限元方法可有效地模拟套筒与灌浆料以及灌浆料与连接钢筋间的相互作用。方胜等^[17]对不同灌浆料的灌浆套筒进行了拉伸试验，发现使用活性粉末混凝土 RPC作为灌浆料有助于减小钢筋锚固长度。并以钢筋锚固长度、钢筋保护层厚度、套筒壁厚为参数，建立了不同的有限元模型，分析了钢筋灌浆连接件在位移加载过程中的粘结-滑移曲线及套筒外表面应力情况。分析结果表明：数值模拟结果与试验结果吻合度较高，证明有限元模型能较好的代表灌浆套筒连接件的受力性能。

然而，虽然已经有不少学者对钢筋插入式波纹管浆锚连接进行了试验研究，从试验角度分析了其连接性能，但试验具有较大的离散型，为了更好地研究其性能，需要建立对应的有限元模型，从理论上分析钢筋插入式波纹管浆锚连接件的受力机理。

综上所述，对钢筋插入式波纹管浆锚连接进行数值分析具有重要的研究意义。本课题根据波纹管浆锚连接传力机理及模型特点，结合ANSYS非线性弹簧单元和接触分析功能建立有限元模型，通过试验数据验证有限元模型的合理性。接着，对锚固长度和孔径比进行参数分析，研究不同工况下钢筋插入式波纹管浆锚连接的应力分布和受力性能。

参考文献：