鋼筋彎曲回彈角度影響因素及修正

鄭夕健，李允鵬，常曉華

(1.沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168；2.遼寧省安全科學研究院，遼寧 沈陽 110003)

鋼筋彎曲成型過程是一個同時包括幾何、材料和邊界條件等問題的復雜非線性的彈塑性變形過程。鋼筋彎曲成形件質量的高低不僅影響鋼筋成形后能否符合設計尺寸，而且還直接影響到鋼筋的綁扎、構件的定位尺寸、甚至構件的受力性能。目前各廠家設計的立式鋼筋彎曲機的彎曲加工速度范圍、彎曲模具的形狀和尺寸存在差別,導致了鋼筋彎曲成形產品質量存在差異，因此深入研究鋼筋彎曲的回彈問題，有很大的理論與工程意義。

1 立式鋼筋彎曲系統有限元分析

如圖1所示，鋼筋彎曲的實現過程為:靠模固定不動，鋼筋左端足夠遠處為固定端，彎曲軸繞著O點做逆時針運動，推動鋼筋實現繞靠模彎曲；彎曲成型后，撤去彎曲軸，鋼筋在殘余應力的作用下發生一定的回彈。根據上述鋼筋彎曲原理，運用ANSYS/LS-DYNA軟件通過APDL參數化設計語言建立的立式鋼筋彎曲系統有限元模型如圖2所示。本文將鋼筋視為彈性體，彎曲軸和彎曲模具視為剛性體。在模型中，顯式計算采用SOLID 164單元定義鋼筋、彎曲軸和彎曲模具的材料屬性，在隱式中SOLID 164單元的變形狀態、應力等參數傳遞給相應的隱式SOLID185單元，只要給鋼筋給定邊界條件，便能夠執行鋼筋的回彈隱式模擬，得到鋼筋彎曲的回彈角度，回彈效果圖如圖3所示。

2 正交試驗分析

2.1 試驗方案

在立式鋼筋彎曲成型中鋼筋彎曲回彈角度主要與彎曲模具尺寸、彎曲速度和卡緊長度有關。本文主要研究彎曲模具尺寸和彎曲速度與立式鋼筋彎曲回彈角度的關系，其中模具尺寸包括靠模長度和靠模間距。在對鋼筋彎曲回彈角度的推導過程中假設鋼筋彎曲過程中性層不改變，而彎芯直徑的改變會使鋼筋在彎曲成型過程中性層產生滑移，所以將彎芯直徑作為備選研究因素。

通過以上分析正交試驗的因素確定為：A靠模間隙，B靠模長度，C彎曲速度，D彎芯直徑。仿真正交試驗條件為：選用直徑為10mm的HPB235鋼筋；彎曲角度為90°；彎曲半徑為110mm；鋼筋彎曲件形狀如圖4所示，L1為1000mm，L2為250mm；正交試驗因素水平表如表1所示。

表1 因素水平表

2.2 試驗結果

根據表1選擇四因素三水平L9（34)正交試驗表進行9組正交試驗，試驗組合及回彈角度結果見表2。根據回彈角度結果得出因素A、B、C、D對回彈角度的均值與極差見表3。

表2 正交試驗表

表3 均值與極差

2.3 試驗結果分析

在正交試驗變化的水平范圍內，極差T越大，與之對應的那一列因素對試驗的結果影響越大。由表3回彈角度的均值與極差結果可以得到T3>T1>T2>T4，說明彎曲速度對結果造成的影響最大，其次依次為靠模間隙、靠模長度，彎芯直徑對結果造成的影響最小，所以在一定的彎曲加工條件下，影響回彈角度因素顯著性由強到弱依次為：彎曲速度、靠模間隙、靠模長度、彎芯直徑。

3 回彈角度的修正

鋼筋彎曲90°且處于卸載前時，最大應力發生在彎曲鋼筋緊貼上模處。在彎曲卸載時，彎曲段鋼筋彎曲力臂和靠模上下模間直段鋼筋產生的彈性回復會影響回彈角度。在彎曲模具參數一定的條件下，需根據彎曲速度大小對回彈角度進行補償。根據正交試驗分析結果，建立仿真試驗：靠模間距2mm；靠模長度50mm；彎芯直徑50mm；彎曲半徑110mm；彎曲角度分別為60°、90°、120°；彎曲速度分別為0.5rad/s、0.7rad/s、0.9rad/s、1.1rad/s、1.3rad/s、1.5rad/s，其它條件與2.1中相同。參考文獻[1]，把文獻中用回彈公式計算的回彈角度作為理論值，把文獻中試驗測量得到回彈角度作為試驗值。在彎曲角為60°、90°、120°時，理論回彈角度值分別為2.721°、2.014°、1.321°；試驗值分別為6.12°、5.75°、4.10°；參考文獻[2]允許偏差分別為+8°、+6°、+8°；不同彎曲速度下的仿真回彈角度值如表4所示。

可以看出，本模型的回彈角度符合行業標準YB/T 4162-2007的規定，與實際試驗情況基本吻合。在彎曲角為60°、90°、120°時，本模型的數據取平均值，對比試驗值的誤差為15.8%、17.8%、2.0%，分別小于理論值對比試驗值的誤差55.5%、65.0%、67.8%。證明本模型的回彈角度比理論彎曲回彈角度更接近實際。為了進一步研究彎曲速度與回彈角度的關系，根據仿真值與理論值計算出回彈角度差值，即回彈角度修正值δ，計算結果見表5。

表4 回彈角度仿真對應表

表5 回彈角度修正值表

根據表5中數據在Matlab可擬合出不同的彎曲速度、不同的彎曲角度的回彈修正值的擬合曲面函數，如圖5所示。

圖5中x為彎曲速度，y為彎曲角度，p為回彈角度修正值。將x、y、p分別替換為ω、α、δ，可以得到回彈角度修正值的方程式為

其中，δ為回彈角度修正值；ω為彎曲速度；α為彎曲角度。可根據上式對彎曲速度所產生的回彈角度偏差進行修正。

4 結 論

1）通過對立式鋼筋彎曲系統建立有限元模型，對鋼筋彎曲回彈進行了仿真分析，得到了鋼筋彎曲回彈角度。經過驗證，與實際試驗情況基本吻合。

2）分析證明在彎曲速度為0.5～1.5rad/s，靠模間隙為2～4mm時，靠模長度為30～50mm，彎芯直徑為50～70mm時，影響鋼筋彎曲回彈因素顯著性由強到弱依次為：彎曲速度、靠模間隙、靠模長度、彎芯直徑。彎曲速度對回彈角度的影響最大，彎曲條件相同時，減小彎曲速度，可以減小回彈角，提高彎曲質量。

3）為了進一步研究彎曲速度與回彈角度的關系，本文選擇0.5～1.5rad/s不同的彎曲速度，對回彈角度進行了修正，得到了修正公式，該回彈角度修正計算公式比理論回彈角度公式更為準確，更接近實際，為同類型立式鋼筋彎曲機的研究提供了參考。

[1]閻淑麗，杜世淵.鋼筋彎曲回彈試驗及其數學模型校正[J].機械管理開發，2010，25(6)：68-69.

[2]YB/T 4162-2007，鋼筋混凝土用加工成型鋼筋[S].