鐵路混凝土工程鋼筋機械連接螺紋接觸應力分析

陳　強，谷　牧，鐘志強，徐先俊(.蒙西華中鐵路股份有限公司，北京　0007;.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京　0008;.安徽金星預應力工程技術有限公司，安徽合肥　5)

?

鐵路混凝土工程鋼筋機械連接螺紋接觸應力分析

陳強1，谷牧2，鐘志強3，徐先俊3
(1.蒙西華中鐵路股份有限公司，北京100073;2.中國鐵道科學研究院鐵道建筑研究所，北京100081;3.安徽金星預應力工程技術有限公司，安徽合肥231135)

摘要:選取3種典型直徑(φ16，φ25，φ32)的鋼筋，每種鋼筋選取3種螺距，開展了鋼筋直螺紋連接組件接觸有限元分析，系統地研究了直螺紋連接接頭組件的變形、螺牙尖角應力及接觸應力分布特征。結果表明:在設計連接接頭長度下，采用不同的螺距時，連接接頭組件的靜力受力性能均滿足鋼筋連接的強度及變形要求，但考慮到受力的均勻性、鋼筋幾何尺寸特點、加工難易程度及可行性，建議φ16，φ25，φ32鋼筋機械連接采用的螺距分別為2.0，2.5，3.0 mm;拉伸荷載作用下，螺牙接觸對均在一側密貼，另一側分離，螺牙接觸面分離量在首尾螺牙處最大;除首尾螺牙的尖角應力較大外，其余螺牙的應力迅速降低并較為均勻，即螺牙數目越多(螺距越小)，螺牙承受荷載的均勻程度越好，但加工越困難;連接組件的螺牙尖角應力與鋼筋直徑、螺距大小有關;螺牙接觸對的接觸點最大應力在螺牙的尖角處，而向螺紋中徑則迅速衰減并穩定，即螺紋連接組件的牙體荷載傳遞區域主要在中徑附近。

關鍵詞:機械連接接觸應力螺距有限元分析

現澆混凝土施工中，綁扎法是粗鋼筋連接最為常見的方法之一，也是國內外最早采用的傳統方法。該法具有施工簡便、對工人的技術熟練程度要求低、不受氣候影響等優點，但同時存在浪費鋼材、鋼筋偏心連接會產生附加剪應力等缺點。為解決上述問題，美國、日本、德國在20世紀70年代中期，研制出機械連接技術，如冷擠壓連接、錐螺紋連接、直螺紋連接等技術，并制定了相應的國家標準，廣泛應用在公路橋梁、地鐵、核電站、大跨度抗震結構中。對粗鋼筋而言，機械連接技術已經取代了傳統的焊接綁扎工藝，在公路橋梁、水壩等大型重點建筑工程中得到了廣泛應用［1-2］。劉永頤等［3］在鋼筋機械連接技術規程編制方面所做的大量工作引領了中國機械連接方式的潮流。中國建科院結構所［4］測試了套筒擠壓接頭的抗疲勞性能與套筒擠壓道次的關系，為套筒擠壓接頭應用到動載結構作出了一定的鋪墊。邢懷念等［5］開展了直螺紋套筒連接性能試驗研究。對于錐螺紋連接技術，江蘇省建科院給出了一系列的螺紋牙距推薦值，并取得了良好的實際效益［6］。在眾多國內外學者試驗、研究成果的基礎上，國內相關部門組織編寫了相應的規范(或規定)，作為鋼筋機械連接技術應用的指導性標準［7-9］，極大地促進了其應用。

已有的研究文獻大多以試驗性的探索為主，側重于連接接頭工藝改進［10-11］，缺乏系統的理論及試驗研究。近年來，由于鐵路工程的快速修建，對大量應用的粗鋼筋均須采用機械連接技術以保證鋼筋連接的有效性和經濟性。原鐵道部組織編寫了《鐵路混凝土工程鋼筋機械連接技術暫行規定》［12］，并通過設立科研課題開始系統地研究鐵路混凝土工程用鋼筋機械連接技術。本文基于“等強度連接”原則，采用常用的3種直徑的鋼筋，選定不同的螺距，對設計出的連接接頭開展了理論研究，驗證連接接頭設計的準確性，進一步優化合理的螺距規格，以促進鋼筋機械連接技術在鐵路混凝土工程中的應用。

1　鋼筋直螺紋連接接觸應力分析有限元模型

鋼筋直螺紋連接是通過直螺紋連接接頭和鋼筋絲頭螺紋旋合在一起來實現連接的，屬于典型的接觸問題。這種接觸使整個接頭構件表現出一種與狀態相關的高度非線性行為，計算過程中需要較大的計算資源。接觸問題分析存在2個難點:①在求解問題之前，接觸區域是未知的，表面之間是接觸還是分開隨載荷、材料、邊界條件和其它因素而變化;②大多的接觸問題需要計算摩擦力，而摩擦力的非線性特性會使整個問題求解的收斂變得非常困難。直螺紋連接接頭鋼筋絲頭螺紋與套筒的接觸面是一個空間螺旋曲面，其模型的建立十分復雜。由于螺紋的升角一般在2°30'左右，建模時可以忽略升角的影響。考慮到鋼筋本體、連接接頭和連接組件都是軸對稱的，而且拉壓過程中外加荷載也是對稱于其中心軸線的，假定套筒和鋼筋滾絲頭是標準的圓形，沒有橢圓度，因此力學分析模型可以作為軸對稱問題來處理。利用MIDAS-FEA中的靜接觸分析功能，主要采用平面四邊形單元、平面三角形單元模擬鋼筋及連接接頭本體，采用線接觸單元模擬螺牙之間的接觸，連接接頭及鋼筋的材料本構模型均采用Von-Mises模型(屈服準則)。詳細的接觸理論可參閱MIDAS理論有關手冊。需要說明的是，本次接觸有限元分析的目的是優選螺牙牙距及定性分析連接接頭的力學特性，主要關注鋼筋絲頭螺牙、連接接頭螺牙的受力分布，承擔荷載的比例，連接接頭組件的力學特性，接觸壓力及組件的變形特性。模型中不考慮螺紋預緊力，而對屈服后的連接接頭組件的受力及變形特性亦不作深入研究。鋼筋直徑及螺紋規格見表1。

表1　鋼筋直徑及螺紋規格

1.1連接接頭接觸力學分析模型尺寸

由于接觸分析的重點是螺牙，而三角形螺牙的螺距最大僅為3.5 mm，因此模型尺寸以鋼筋直徑為基準，連接接頭壁厚取實際值，連接接頭以外的鋼筋長度統一取80 mm。有限元模型尺寸見圖1。

圖1　有限元模型尺寸

1.2有限元模型說明

對于同一種直徑的鋼筋連接接頭有限元模型而言，其幾何尺寸完全相同，而螺牙的數量、螺牙網格尺寸、接觸面的數量及鋼筋網格數量不同。為了便于提取計算結果，模型劃分時，將螺牙(三角形區域)映射網格均分為8等分，這意味著牙距不同時，網格尺寸略有不同。鋼筋上的螺牙與連接接頭上的螺牙接觸面均定義為接觸對。

模型材料主要有HRB335和45#優質碳素鋼2種。HRB335材料特性參數:彈性模量為2.0×1011N/m2，泊松比為0.2，質量密度為7.8×103kg/m3，材料本構模型取Von-Mises模型，屈服強度fskb=335 MPa。45#優質碳素鋼的材料特性參數:彈性模量為2.1×1011N/m2，泊松比為0.26，質量密度為7.89×103kg/m3，屈服強度取值fsks= 355 MPa;接觸的截面非線性定義為剛性接觸(滑移但不允許穿透);接觸組的剛度比例因子取1.0，靜態摩擦系數取0.15。

根據求解問題的特點，有限元計算邊界條件及加載方式見圖2，即鋼筋一端固定，鋼筋中心線豎向(Y向)約束。考慮接觸滑移計算求解收斂性，假定套筒邊界豎向約束。荷載取鋼筋0.9fskb時對應的荷載，根據套筒受力凈面積換算成面荷載，進而轉化成線荷載。根據計算結果，3種連接組件的線荷載集度均約為217 N/mm。

典型的有限元模型網格劃分見圖3。

圖2　有限元計算邊界條件及加載方式

圖3　典型的有限元模型網格劃分

2　直螺紋連接組件有限元計算結果及分析

2.1變形計算結果及分析

直螺紋連接組件變形計算結果見表2。可見，在0.9倍鋼筋屈服應力的荷載作用下，φ16的鋼筋連接接頭長度范圍內的X向(拉伸)變形為0.009 8～0.010 5 mm，平均應變約為(245～263)×10－6;φ25的X向變形為0.011 3～0.018 5 mm，平均應變約為(188～308)×10－6;φ32的X向變形為0.012 4～0.020 2 mm，平均應變約為(165～269)×10－6。總體來說隨著鋼筋直徑的增加，連接接頭的長度增加，長度范圍內的變形也相應增加。鋼筋直徑相同的條件下，由于連接接頭的長度相同，長度范圍內的拉伸變形相差不大，與螺距大小的關系并不明顯。分析螺牙接觸面的分離距離可知，接頭范圍內的首、尾螺牙接觸面的分離距離最大，而中間部分螺牙的分離距離較為均勻，且數值較首、尾螺牙迅速衰減，表明首、尾螺牙的受力最大。這與連接接頭試驗過程中的斷裂現象基本吻合(試件斷裂位置為第1個螺紋處)。

表2　直螺紋連接組件變形計算結果

圖4為3種直徑鋼筋部分螺距時連接組件X向變形等值線云圖。

圖5為3種直徑鋼筋部分螺距時螺牙接觸面分離距離變化曲線。

圖4　3種直徑鋼筋部分螺距時連接組件X向變形等值線云圖

圖5　3種直徑鋼筋部分螺距時螺牙接觸面分離距離變化曲線

2.2機械連接組件應力計算結果及分析

直螺紋連接組件最大應力計算結果見表3，試驗荷載作用下連接組件應力等值線云圖見圖6。可見，在0.9倍鋼筋屈服應力的荷載作用下，螺牙尖角的應力分布很不均勻，由于受應力集中的影響，首、尾螺牙尖角處的應力最大，且大部分應力值均超過了鋼筋及連接接頭材料的屈服應力，而中間螺牙的尖角應力則迅速降低，如φ16(P = 2.0 mm)，φ25(P = 2.5 mm)， φ32(P = 3.0 mm)的連接接頭除首尾螺紋以外的平均應力分別約為195 MPa(套筒螺牙)、225 MPa(鋼筋螺牙)，210 MPa(套筒螺牙)、200 MPa(鋼筋螺牙)，120 MPa(套筒螺牙)、120 MPa(鋼筋螺牙)。這說明首、尾螺紋的尖角處最先出現塑性變形，其他螺牙則近乎均勻地傳遞荷載。這種螺牙應力的分布狀態較好地解釋了連接組件靜力及疲勞試驗過程中斷裂失效為何總發生在第1圈螺紋處，與試驗破壞特征基本吻合。

表3　直螺紋連接組件最大應力計算結果

圖6　試驗荷載作用下連接組件應力等值線云圖

2.3螺牙的接觸應力分布特征分析

為了準確掌握螺牙的應力沿鋼筋長度方向的分布特征以及螺牙接觸點壓力沿螺牙高度的變化特點，從有限元分析結果中提取了每一種鋼筋的3種螺紋規格的尖角應力及接觸點壓力并繪制其變化曲線。仍以φ16(P = 2.0 mm)，φ25(P = 2.5 mm)，φ32(P = 3.0 mm)為例加以分析。

圖7(a)為φ16，P = 2.0 mm時螺牙尖角Mises應力沿試件長度方向的變化曲線。可見，鋼筋螺牙尖角Mises應力普遍高于套筒螺牙應力，首尾2個螺牙的接觸點應力均較大，鋼筋體和連接接頭上的螺牙尖角應力分布均從兩邊向中間衰減，總體上較1.5 mm螺距的螺牙應力略微平緩，尾螺牙尖角處Mises應力小于套筒螺牙尖角應力。圖7(b)為φ16，P = 2.0 mm時螺牙接觸點應力沿鋼筋長度方向的分布曲線，除首尾2個螺牙的接觸點應力變化較為明顯外，其他的螺牙接觸點應力分布均較均勻。

圖7　φ15，P = 2.0 mm時螺牙應力沿鋼筋長度方向分布曲線

圖8為φ25，P = 2.5 mm時螺牙應力沿鋼筋長度方向分布曲線。可見螺牙尖角Mises應力及接觸點應力仍然具有首尾螺牙應力較大、中間螺牙應力較小的特點，首螺牙鋼筋體螺牙尖角應力高于連接接頭螺牙尖角應力，而尾螺牙處連接接頭螺牙尖角應力大于鋼筋體螺牙尖角應力，螺牙平均應力約230 MPa;同一高度螺牙接觸點應力變化則較為平緩，首尾螺牙的接觸點應力稍大于中間螺牙接觸點應力，尾螺牙的應力普遍高于首螺牙應力。

圖9為φ32 mm，P = 3.0 mm時螺牙應力沿鋼筋長度方向分布曲線。可見鋼筋體首螺牙尖角應力最大，約303.74 MPa，而后迅速減小并基本保持在約110 MPa。套筒首螺牙的應力較小，約為85 MPa，并逐漸增大，至尾螺牙處尖角應力約為155.57 MPa。首螺牙處鋼筋應力大于連接接頭應力，尾螺牙處連接接頭應力高于鋼筋體應力。而對于同一高度而言，首螺牙的接觸點應力較大，而后迅速減小，其余螺牙的接觸點應力基本上較為均勻，螺牙的荷載傳遞效果良好。

圖8　φ25，P = 2.5 mm時螺牙應力沿鋼筋長度方向分布曲線

圖9　φ32，P = 3.0 mm時螺牙應力沿鋼筋長度方向分布曲線

圖10為φ16(P = 2.0 mm)，φ25(P = 2.5 mm)，φ32(P = 3.0 mm)3種連接接頭螺牙接觸點應力沿高度方向的分布曲線。可知，除首尾兩個螺牙的接觸點應力變化較為明顯外，其他的螺牙接觸點應力分布較為均勻，但總體上仍然有從尖角向螺牙中徑變小的趨勢，中徑70%螺牙高度范圍內應力相對較為均勻，表明中徑范圍螺牙承擔主要的荷載傳遞功能，螺牙承擔荷載的效果良好。

圖10　3種連接接頭螺牙接觸點應力沿高度方向分布曲線

3　主要結論

通過φ16(P = 1.5，2.0，2.5 mm)，φ25(P = 2.5，3.0，3.5 mm)，φ32(P = 2.5，3.0，3.5 mm)連接接頭組件的接觸有限元分析，系統地研究了直螺紋連接接頭組件的變形、螺牙尖角Mises應力及接觸點應力分布特征。主要結論如下:

1)不論采用何種螺距，所設計的連接接頭組件的靜力受力性能均能滿足鋼筋連接的強度及變形要求，但從受力的均勻性、鋼筋幾何尺寸特點、加工難易程度及可行性而言，建議φ16，φ25，φ32鋼筋機械連接采用的螺距分別為2.0，2.5，3.0 mm。

2)拉伸荷載作用下，螺牙接觸對均在一側密貼，另一側產生分離;螺牙接觸面分離距離均在首尾螺牙處最大。

3)除了首尾螺牙的尖角Mises應力較大外，其他螺牙的應力水平迅速降低，螺牙數目越多(即螺距越小)，螺牙承受荷載的均勻程度越好，但加工越困難;不同直徑、不同螺距連接組件的螺牙尖角Mises應力水平不同。

4)螺牙接觸對的接觸點最大應力在螺牙高度的尖角處，向螺紋中徑范圍內迅速衰減并穩定，螺紋連接組件的牙體荷載傳遞區域主要在中徑附近。

參考文獻

［1］王治群.鋼筋直螺紋連接技術在橋梁工程中的應用［J］.湖南交通科技，2005，31(3):59-62.

［2］龔萬江，劉維娟.用于土木工程中的鋼筋機械連接技術［J］.交通科技，2005(3):107-108.

［3］劉永頤，徐有鄰.鋼筋等強直螺紋連接［J］.施工技術，1998(6):30-31.

［4］中國建筑科學研究院結構所.帶肋鋼筋套筒連接擠壓接頭性能研究［J］.施工技術，1994(6):6-8.

［5］邢懷念，張小鵬，劉增利，等.鋼筋滾軋直螺紋套筒連接性能試驗研究［J］.工業建筑，2009，39(增):846-849.

［6］陶詠，劉曉章.鋼筋錐螺紋連接接頭螺紋牙距研究［J］.建筑機械化，1999(1):33-34.

［7］中華人民共和國住房和城鄉建設部.JGJ 107—2010鋼筋機械連接技術規程［S］.北京:建筑工業出版社，2010.

［8］中華人民共和國建設部.JGJ 108—1996帶肋鋼筋套筒擠壓連接技術規程［S］.北京:建筑工業出版社，1996.

［9］中華人民共和國建設部.JGJ 109—1996鋼筋錐螺紋接頭技術規程［S］.北京:建筑工業出版社，1996.

［10］吳弘，孫廣垠.淺析鋼筋連接的發展及其在施工中的質量控制［J］.科技情報開發與經濟，2007，17(4):262-263.

［11］鄭文俊，潘江波，寧英杰，等.鋼筋機械連接質量問題原因分析及處理措施［J］.交通標準化，2009(10):174-176.

［12］中華人民共和國鐵道部.鐵建設［2010］41號鐵路混凝土工程鋼筋機械連接技術暫行規定［S］.北京:中華人民共和國鐵道部，2010.

(責任審編李付軍)

Analysis of Thread Contact Stress in Rebar Mechanical Connection in Railway Concrete Engineering

CHEN Qiang1，GU Mu2，ZHONG Zhiqiang3，XU Xianjun3

(1.Mengxi－Huazhong Railway Co.，Ltd.，Beijing 100073，China;2.Railway Engineering Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China;3.Anhui Jinxing Prestressed Engineering Technology Co.，Ltd.，Hefei Anhui 231135，China)

Abstract:T he contact FEM analysis was carried out with three types of rebar diameter(φ16，φ25，φ32)and three types of thread pitch for each rebar diameter，and deformation，stress of screw tooth cusp and contact stress distribution were researched in detail.Results show that with designed mechanical connection length and different thread pitch，static performance of all the rebar mechanical connection assembles meets the deformation and strength requirements of code.T he proposed thread pitches of rebar with diameters of φ16，φ25 and φ32 are 2.0，2.5，3.0 mm based on comprehensive consideration of stress uniformity，geometry dimension of rebar，process difficulty and feasibility.W ith the stretching load，contact pairs are closed at one side and separated at other side.T he maximum amount of separation existed at the first thread and last thread.Stresses of middle threads decreased rapidly and tend to uniformity except larger stresses of the first and last thread sharp angle.Uniformity of thread load transference become better with more threads(smaller thread pitch)，but process becomes more difficult.Stress level of thread sharp angle is related to rebar diameter and thread pitch.T he maximum contact stress is located at thread sharp angle，decreases rapidly to the direction of thread mean diameter and tend to uniformity，it means that the load transferring part of thread is mainly mean diameter range.

Key words:M echanical connection;Contact stress;T hread pitch;FEM(Finite Element M ethod)

作者簡介:陳強(1972—)，男，教授級高工，工學博士。

基金項目:南廣鐵路公司科技研究開發計劃(南廣合201107號)

收稿日期:2015-12-22;修回日期:2016-01-29

文章編號:1003-1995(2016)03-0150-07

中圖分類號:TU511.3

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.36