基于ABAQUS錨固槽鋼拉拔性能試驗研究及有限元分析

付 佩 許 笛 劉祖華

(1. 同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092； 2. 中咨華科交通建設技術有限公司, 北京 100195)

基于ABAQUS錨固槽鋼拉拔性能試驗研究及有限元分析

付 佩1,*許 笛2劉祖華1

(1. 同濟大學結構工程與防災研究所，上海 200092； 2. 中咨華科交通建設技術有限公司, 北京 100195)

德國PEC錨固槽鋼作為一種槽式預埋件，可以對各種結構元件進行固定。為了解PEC錨固槽鋼的拉拔錨固性能，對TA型號的錨固槽鋼進行拉拔加載試驗、理論分析以及有限元分析。詳細介紹了試驗方法和試驗結果，并將試驗結果與歐洲錨固槽鋼規范理論計算結果進行對比。此外，根據試驗提供的條件，利用有限元軟件ABAQUS對錨固槽鋼的拉拔試驗進行模擬，并詳細比較有限元分析結果與試驗結果。結果表明，試驗結果與理論計算結果、有限元分析結果吻合較好，可供類似項目參考。

預埋槽鋼， 拉拔錨固性能， 拉拔加載試驗， 歐洲錨固槽鋼規范， 有限元分析

1 引 言

德國PEC錨固槽鋼作為一種槽式預埋件，可以對各種結構元件進行固定，且具有便于安裝和可調節的特點。隨著建筑業的發展，槽式預埋件在鋼筋混凝土結構中的應用越來越普遍。我國應用較廣的是鋼板與錨筋焊接的預埋件[1]，然而對于錨固槽鋼我國并未有專門的規范設計。錨固槽鋼作為預埋件在國外應用較廣，并有相應的設計規范[2]。槽式預埋件在國外廣泛應用于幕墻、橋面排水系統等的固定，近年來我國也有人做了相關研究[3-4]。本文所介紹PEC-TA型錨固槽鋼為常規型錨固槽鋼，它是一種能承受較大荷載的預埋件，主要由槽鋼和錨腿組成，槽鋼用于連接各結構元件，錨腿直接埋置于混凝土中，提供固定結構元件的抗力。在建筑業中，錨固槽鋼應用較廣，如玻璃幕墻和鋁掛板幕墻等的安裝固定，其連接固定是通過T形螺栓完成。現場安裝可靠、便捷、快速，不需要進行電焊或鉆孔，并且可以通過預埋槽鋼長度方向預留的空間來調整設計或施工產生的誤差。目前關于這種錨固槽鋼的拉拔性能研究較少。本文主要對TA-52/34型號的錨固槽鋼進行拉拔加載試驗，利用大型通用有限元程序ABAQUS對預埋件拉拔進行了數值模擬，以了解錨固槽鋼在混凝土中的拉拔錨固性能。

2 試驗概況

2.1 試驗設計[5]

試驗所采用的預埋槽鋼及T形螺栓均由德國PEC公司提供。本次試驗試件數量為3組，試件由預埋槽鋼和混凝土基材組成，見圖1。

圖1 加載示意圖(單位：mm)

PEC-TA-52/34-350 mm預埋槽鋼，材質為QStE380，表面熱鍍鋅處理，槽鋼背后焊接有3根工字形錨腿，錨腿為寬40 mm、厚5 mm的鋼板條，錨腿端部寬20 mm。混凝土基材尺寸為968 mm×672 mm×309 mm(長×寬×厚)，強度等級為C45。槽鋼埋置于混凝土塊的澆筑頂面。

2.2 加載方法

本次試驗是通過一個連接件對預埋槽鋼進行拉拔加載。連接件由一根M24螺桿和一塊厚為25 mm的鋼板焊接而成，厚鋼板通過兩個T形螺栓與槽鋼連接。拉拔力由一個穿心千斤頂施加，通過M24螺桿來拉拔連接件，再通過兩個T形螺栓來拉拔預埋槽鋼。試驗采用自平衡體系，千斤頂的反力通過兩個鋼梁分散到四個位于混凝土試件表面的支承點。圖1為加載示意圖。

2.3 測量方法

作用于錨固槽鋼的拉拔力，由安裝在螺桿上的荷載傳感器得到(圖2)。在拉拔試驗過程中，所有測量儀器都接入DH3816靜態應變測試儀和計算機，所有的測量數據都存入計算機磁盤。

圖2 拉拔加載圖

加載時用YHD位移傳感器測量槽鋼底部內表面拉拔位移，以此代表錨固槽鋼的拉拔位移。同時觀察混凝土塊的受力變形情況和混凝土塊的開裂、破壞形式。

2.4 試驗結果

拉拔試驗的結果統計見表1。3組試件均為混凝土受拉破壞，混凝土裂縫明顯，槽鋼與T形螺栓連接處出現局部凸起。取一個槽鋼試驗說明試驗現象。

試驗以穩定的速率進行加載，加載至143 kN時，槽鋼邊緣附近的混凝土表面首先出現細小裂縫；加載至約171 kN時，槽鋼周圍混凝土出現碎裂現象；加載至約205 kN時，試件上表面從槽鋼的角部向外方向突然出現斜向裂縫，并迅速變寬、延伸至混凝土試件側面，混凝土塊達到破壞，并在槽鋼中部兩側垂直方向各出現一條裂縫。試件破壞后外表面裂縫情況見圖3。

表1 拉拔試驗結果匯總

Table 1 Data of pullout test

圖3 試件外表面裂縫情況

試驗得到試件的最大拉拔力(破壞荷載)為206.07 kN。試驗后觀察破壞試件，其破壞形式為錐體破壞；槽鋼發生了明顯的彎曲變形，但未被拔出；錨腿端部與基材接觸處混凝土被壓碎;同時，槽鋼卷邊受力外張致使附近混凝土被壓碎，上部混凝土被拉裂。試件內部破壞情況見圖4。

圖4 試件內部混凝土破壞情況

2.5 混凝土錐體破壞承載力

錨腿端部焊接或沖壓有錨板的預埋件，在拉拔荷載作用下，如埋深較淺，通常破壞形式為受拉混凝土錐體破壞。從試驗現象可以判斷試件的破壞形式為混凝土錐體破壞。根據歐洲錨固槽鋼規范CEN/TS 1992-4-3：2009[2]，混凝土錐體破壞公式為

(1)

(2)

(3)

式中，αch為考慮槽鋼(錨槽)對混凝土錐體破壞荷載影響的修正系數，可參考歐洲相關規范，其值不大于1；fck,cube為混凝土立方體抗壓強度標準值(N/mm2)；hef為槽鋼錨腿有效埋置深度(mm)。

根據式(1)—式(3)，當混凝土為C45時，計算得到試件混凝土錐體破壞極限承載力理論計算值為214.09 kN。根據表1，對比三個試件的最大拉拔力可知，受拉混凝土錐體破壞試驗結果與規范CEN/TS 1992-4-3：2009[2]理論計算結果符合較好。

3 試驗有限元模擬分析

3.1 有限元模型的建立

ABAQUS是一套功能強大的基于有限元方法的工程模擬軟件。在非線性分析中，ABAQUS能自動選擇合適的載荷增量和收斂準則，同時，在分析過程中也能不斷地調整這些參數值，以確保獲得精確的解答。

3.1.1 材料的選用[6-7]

利用ABAQUS進行建模，模型由三部分組成：由鋼材組成的預埋槽鋼、T形螺栓和混凝土組成的外部結構。

屈服準則描述了初始屈服準則隨著塑性應變的增量是怎樣發展的。對于建筑用鋼材來說，ABAQUS使用的強化準則有三種：等向強化準則，隨動強化準則以及混合強化準則。本文試驗研究為靜力單向加載，采用等向強化準則，其本構關系采用理想雙線性彈塑性模型，屈服強度取為380 MPa，彈性模量為2.06×105MPa。

ABAQUS中模擬混凝土的常用材料模型：彌散開裂模型(smeared cracking model)和損傷塑性模型(damaged plasticity model)。本文在計算時采用混凝土損傷塑性模型。損傷塑性模型是一個基于連續介質的彈塑性模型，通過引入損傷指標來對彈性剛度進行折減以模擬混凝土的剛度退化，它同時適用于單調加載和往復加載等情況。損傷塑性模型是在Lubliner,Lee和Fenves的模型基礎上建立的，不考慮高靜水壓力作用下的混凝土行為，其主要描述混凝土及其他準脆性材料在相對較低圍壓下(小于4.5倍單軸極限抗壓應力)不可逆的損傷效應以及相關的破壞機制[6]。單軸本構關系是損傷塑性模型的基礎，根據《混凝土結構設計規范》(GB 50010—2010)[1]附錄C中曲線定義混凝土的單軸受壓本構關系。ABAQUS中在定義混凝土單軸受壓應力-應變關系時，采用的是應力和塑性應變的關系曲線，需要將曲線中應變轉換成塑性應變，具體公式為

εpl=ε-σ/E

(4)

式中，E是初始彈性模量。

單軸受拉本構關系需要定義抗拉強度值ft和軟化段，即達到抗拉強度后的應力-應變曲線。在達到抗拉強度之前，混凝土受拉按彈性處理；達到抗拉強度后，按定義的軟化曲線取值。在定義混凝土軟化段時，極限拉應變及其對應的殘余強度對有限元計算的收斂性有較大的影響，殘余強度取0.1ft。其他相關取值參照實測值。

有限元模型中，混凝土、錨腿、槽鋼和T形螺栓采用彈塑性8節點的線性減縮積分六面體實體單元C3D8R單元進行模擬。

3.1.2 接觸類型選擇[7]

在拉拔試驗中，由于槽鋼、錨腿外表面較為光滑，故模擬分析中沒有考慮混凝土與鋼材之間的粘結力。模型中槽鋼與混凝土接觸部位、錨腿(除端部外)與混凝土豎向接觸部位皆未設置接觸對，只在錨腿端部與混凝土接觸部位設置了接觸對，采用表面與表面接觸。其中，鋼材為主面，混凝土為從面，用有限滑移公式來描述接觸面之間的滑移。接觸屬性主要設置了切向行為與法向行為；采用允許“彈性滑移”的罰摩擦公式描述接觸的切向行為，采用“硬”接觸來描述接觸的法向行為。

3.1.3 邊界條件的確定

試驗中，試件是平放在鋼臺座上，采用自平衡的方式均勻加載。有限元模型把地面作為剛性平面，并對混凝土塊模型下表面和側表面施加位移約束，這樣邊界條件與試驗一致。

3.1.4 荷載的施加

文中荷載施加在兩個T形螺栓上，螺栓通過與槽鋼翼緣的接觸對將力傳遞給下部槽鋼，和試驗加載方式一致。文中模型由于面面接觸問題，屬于高度接觸非線性，以及混凝土材料的非線性，為加強收斂，用*control設置較大的允許迭代次數，以較合理的時間代價得到精確解。分析時給模型施加和試驗荷載接近的荷載，模擬計算收斂。

3.2 有限元分析

根據有限元模型分析求解結果，對比槽鋼與混凝土在最終階段的模型變形、應力等云圖，對試驗結果進行更直觀的分析。圖5為混凝土塊外表面在拉力作用下的Mises應力云圖，從其應力分布可以看出混凝土較大應力分布區域與試驗中混凝土產生的裂縫形狀區域(圖3)基本一致。圖6、圖7為混凝土塊縱、橫向剖面Mises應力云圖。由于錨腿是直接埋置于混凝土塊體中，在槽鋼受拉拔作用時，錨腿端部與混凝土之間會形成一定面積的直接沖壓，錨腿與混凝土之間的相互作用較大，試驗中錨腿端部與混凝土塊連接處混凝土破碎明顯，從剖面應力云圖可知錨腿端部處混凝土有明顯的應力集中現象，與試驗較為一致(圖4)。圖8、圖9為槽鋼Mises應力云圖和變形云圖，最大變形發生在施加拉拔荷載的T形螺栓與槽鋼連接處，槽鋼卷邊外張明顯，埋置于混凝土塊中的錨腿基本都達到鋼材屈服強度。

根據槽鋼和混凝土的應力云圖，槽鋼應力較大區域主要集中在槽鋼與T形螺栓連接處以及錨腿處，最大應力420 MPa，錨腿大部分區域應力在屈服強度380 MPa附近，槽鋼未完全進入塑性；混凝土應力較大區域主要集中在錨腿端部與混凝土接觸處，局部區域最大應力已達55.0 MPa，已達到混凝土抗壓極限，混凝土塊瀕臨破壞。

圖5 混凝土外表面Mises應力云圖

圖6 混凝土縱向剖面Mises應力云圖

圖7 混凝土橫向剖面Mises應力云圖

圖8 槽鋼Mises應力云圖

注：U2方向與錨腿長度方向一致，且以向上為正。圖9 槽鋼U2向變形云圖

在整個受力過程中，槽鋼和混凝土變形較小，直到混凝土塊達到破壞。試驗破壞形式為混凝土受拉破壞，槽鋼未完全進入塑性。試驗極限荷載并未使有限元模型達到承載極限，可能原因較多，如實際試驗混凝土澆筑養護條件、初始缺陷、試驗邊界條件等等。

有限元模擬和試驗測得的荷載—位移曲線對比見圖10，從三組試驗曲線可以看出明顯的彈性區段和塑性區段；圖中虛線為有限元模擬結果，可見有限元結果與試驗結果比較接近。

圖10 有限元分析與試驗結果對比曲線

4 結 論

通過對PEC-TA-52/34-350 mm預埋槽鋼進行拉拔加裝試驗以及有限元模擬，可以得到以下結論：

(1)通過對比試驗最大拉拔力與歐洲錨固槽鋼規范CEN/TS 1992-4-3：2009理論計算結果，兩者符合較好。

(2)根據試驗提供的條件建立有限元模型，利用ABAQUS對PEC-TA-52/34預埋槽鋼的施加拉拔荷載為試驗所得的極限荷載，通過有限元分析可知，此荷載并未使有限元模型達到破壞，但是其結果中混凝土和槽鋼較大應力分布區域與試驗中裂縫和變形產生區域較為一致，并通過對比荷載-位移曲線，可知有限元模擬與試驗結論基本一致。

(3)從試驗及有限元分析可知，預埋槽鋼試件在拉拔荷載作用下，均是混凝土破壞，即脆性破壞，槽鋼未完全進入塑性，則說明試驗中預埋槽鋼的拉拔性能沒有得到充分展現，建議再做此類試驗時應選用更高強度等級的混凝土。

本論文的研究工作得到德國PEC公司的支持，特表感謝。

[ 1 ] 中華人民共和國建設部.GB 50010—2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社,2010.

Ministry of Construction of People’s Republic of China．GB 50010—2010 Concrete structure design code[S]．Beijing：China Architecture and Building Press, 2010. (in Chinese)

[ 2 ] CEN/TS 1992-4-3：2009.Design of fastenings for use in concrete- Part 4-3: Anchor channels[S]. CEN 2009.

[ 3 ] 徐淑美,周德源,畢大勇.預埋式槽型錨軌拉拔性能的試驗研究[J].結構工程師,2010,26(5)：111-116.

Xu Shumei, Zhou Deyuan, Bi Dayong. Test study on tensile behavior of cast-in channels[J].Structural Engineers,2010,26(5): 111-116. (in Chinese)

[ 4 ] 鄭圓圓,劉祖華,袁苗苗.哈芬預埋槽鋼抗震試驗研究[J].結構工程師,2013,29(5)：132-138.

Zheng Yuanyuan, Liu Zuhua, Yuan Miaomiao. Experimental research on seismic resistance of the halfen cast-in channels[J].Structural Engineers,2013,29(5):132-138. (in Chinese)

[ 5 ] 姚振剛,劉祖華.建筑結構試驗[M].上海：同濟大學出版社,2008.

Yao Zhengang, Liu Zuhua. Architectural structure experimentation[M].Shanghai: Tongji University Press, 2008. (in Chinese)

[ 6 ] 莊茁.ABAQUS,STANDARD有限元軟件入門指南[M].北京：清華大學出版社,1998.

Zhuang Zhuo. ABAQUS,STANDARD finite element software getting started guide [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1998.(in Chinese)

[ 7 ] 王金昌,陳頁開.ABAQUS在土木工程中的應用[M].杭州：浙江大學出版社,2006.

Wang Jinchang, Chen Yekai. ABAQUS applications in civil engineering[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2006.(in Chinese)

Finite Element Analysis and Experimerimental Research of Pullout Bearing Capacity of Cast-in Channels using ABAQUS

FU Pei1,*XU Di2LIU Zuhua1

(1. Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction of Tongji University, Shanghai 200092, China;2. Zhongzi Huake Traffic Construction Technology Co, Ltd, Beijing 100195,China)

Germany PEC Cast-in Channel, a kind of trough embedded parts,is suited for the fixing of different construction elements. In order to know the pullout anchorage performance of TA anchor channels, we had performed the pullout loading test,the theoretical analysis and the finite element analysis. The test procedure and test results were presented.The test results were compared with the theoretical results of the European anchor channel code.What’s more, based on the experiment, a finite element model was built. ABAQUS software was used to analyze the behavior of the cast-in channels. The test results were compared with the finite element analysis results.The comparison shows that the finite element analysis results and the theoretical results are consistent with the experiment ones. The test and analysis method could be reference for similar projects.

cast-in channel, pullout anchorage performance, pullout loading test, European anchor channel code, finite element analysis

2014-06-06

*聯系作者，Email:hanfws18@163.com