鋼筋復(fù)合接頭的疲勞性能淺析

李國鋒

摘 要：一種名為“MBT Couplers”的新型鋼筋連接接頭在美國被廣泛運(yùn)用，我們國內(nèi)稱這種接頭為鋼筋復(fù)合連接接頭，在任何受力情況下，它都可以完成鋼筋的連接，并且該接頭是符合ISO9001標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，但目前在我國則很少應(yīng)用，通過分析該接頭的疲勞性能，為其的推廣提供分析基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：疲勞分析；鋼筋復(fù)合接頭；應(yīng)力應(yīng)變

1 鋼筋復(fù)合接頭的疲勞性能分析

通過理論的分析可以知道，接觸點(diǎn)位置會形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，而應(yīng)力集中現(xiàn)象是對構(gòu)件是非常不利，當(dāng)它使構(gòu)件的局部應(yīng)力急劇變大時，將會導(dǎo)致構(gòu)件在應(yīng)力集中的地方首先產(chǎn)生破壞，所以我們首先得找出應(yīng)力集中的位置，現(xiàn)在對接頭進(jìn)行靜力求解，來觀察分析其結(jié)果。

1.1 接頭靜力分析結(jié)果

接頭的靜載的加載過程跟單向拉伸試驗(yàn)時的步驟相似，分兩次加載，首先施加接頭的約束力，然后在鋼筋的右端施加均布拉力為180Mpa，進(jìn)行靜力求解，再在鋼筋的右端位置施加-20Mpa的均布拉力，得到兩次應(yīng)力解。

由圖3-12和圖3-13可以知道，鋼筋的最大應(yīng)力出現(xiàn)在其與螺釘和齒條接觸的位置，在鋼筋的其他位置，特別是套筒以內(nèi)的應(yīng)力比其他地方的大部分范圍都小得多；齒條和螺釘?shù)膽?yīng)力分布也跟鋼筋的類似。

1.2 接頭疲勞性能的數(shù)值分析

由于應(yīng)力云圖只是表示的是應(yīng)力的范圍，而且為了進(jìn)一步地證明上述論述的正確性，通過有限元的通用后處理器的菜單來實(shí)現(xiàn)找到應(yīng)力最大的點(diǎn)的具體坐標(biāo)位置，按照以下3個步驟來完成：（1）將接頭模型的應(yīng)力值大小從大到小排序，在ANSYS的命令欄輸入“allsel&nsort，s，eqv，0，0，all”，然后選擇菜單欄上的LIST選項(xiàng)，將應(yīng)力結(jié)果列表顯示。（2）根據(jù)接頭模型的應(yīng)力云圖和結(jié)合應(yīng)力排序列表，確定研究分析5個節(jié)點(diǎn)為敏感點(diǎn)，來計(jì)算接頭的疲勞壽命，分別為：64885，66012，67219，5482，10466。（3）列表顯示節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，確定5個敏感點(diǎn)的坐標(biāo)位置：64885（0，12.5，20.929），66012（0，12.5，55.929），67219（0，12.5，90.929），5482（10.825，-6.25，114），10466（-10.825，-6.25，114）。

ANSYS疲勞分析過程：

（1）定義事件。文章主要分析一個試件中的五個疲勞敏感點(diǎn)位置的疲勞壽命，共1個事件，2個荷載。

（2）輸入材料常數(shù)。在前期建模階段已經(jīng)輸入了材料的彈性模量E和泊松比u，接下來在ansys的疲勞分析模塊中輸入鋼材的S-N曲線。根據(jù)文獻(xiàn)，可以知道鋼筋的疲勞方程式如4-1式所示：

（3）指定并儲存應(yīng)力位置。根據(jù)靜力計(jì)算確定最敏感點(diǎn)，如上述的五個節(jié)點(diǎn)，儲存五個節(jié)點(diǎn)的位置和應(yīng)力。將靜力計(jì)算的結(jié)果儲存到指定位置的節(jié)點(diǎn)，即儲存64885、66012、67219、5482、10466五個節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力。

（4）設(shè)置疲勞分析參數(shù)。為了方便對比分析，將荷載循環(huán)次數(shù)統(tǒng)一定義為1000000次，因?yàn)槭呛爿d，所以載荷的比例系數(shù)為1，將該事件定義為EVE1。

（5）激活疲勞計(jì)算。在ANSYS的疲勞分析模塊中，可以通過執(zhí)行 GUI 操作，Mainmenu /General Postproc /Fatigue /Calculate Fatig，在彈出的對話框中可以指定疲勞計(jì)算的位置，ANSYS可以用兩種方式指定計(jì)算位置：通過位置號（程序自動默認(rèn)方式）和通過節(jié)點(diǎn)號。通過計(jì)算，既可以得到鋼筋的壽命次數(shù)，也可以得到鋼筋的疲勞耗用系數(shù)。疲勞計(jì)算的結(jié)果如下圖。

由疲勞分析的結(jié)果可以看出，在應(yīng)力幅值為100Mpa的循環(huán)應(yīng)力作用下，LOC3的交變應(yīng)力為197.95Mpa，此時鋼筋在位置3的疲勞壽命為0.618E6次。

（6）疲勞結(jié)果分析。根據(jù)接頭的不同位置可以計(jì)算相應(yīng)的疲勞壽命，得到不同位置的疲勞分析結(jié)果：LOC1的壽命是1837次，LOC2的壽命是0.14E5次，LOC3的壽命是0.618E6次，LOC4的壽命是0.9088E5次，LOC5的壽命是0.9248E5次。

從數(shù)值模擬的數(shù)據(jù)可以看出：①在恒載的應(yīng)力反復(fù)作用下，接頭的最薄弱的地方不一定出現(xiàn)在應(yīng)力最大處，如LOC4的位置應(yīng)力最大，為3431.2Mpa，但是其疲勞壽命為0.9088E5次，而LOC1處的應(yīng)力為2132.1Mpa，但其疲勞壽命僅有1837次。②疲勞壽命的薄弱處仍然分布在接觸點(diǎn)位置，應(yīng)力集中的地方最明顯。③拿剪切螺釘來分析，可以發(fā)現(xiàn)，3個螺釘?shù)钠趬勖S著其與鋼筋底部的距離的減小而增大。

2 展望

隨著城市化的速度在加快，各種改建，擴(kuò)建工程在涌現(xiàn)，以及大量高層、超高層建筑的出現(xiàn)，對結(jié)構(gòu)承受反復(fù)荷載作用的要求越來越高。對鋼筋的機(jī)械連接接頭的疲勞分析非常有必要，文章通過采用ANSYS有限元論述新型的鋼筋復(fù)合接頭承受反復(fù)荷載下的交變應(yīng)力，為進(jìn)一步的鋼筋復(fù)合接頭的模型優(yōu)化提供理論分析基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1] 梁麗敏.鋼筋BBA復(fù)合接頭在越秀大廈工程施工中的應(yīng)用[J].廣東土木與建筑，2003（11）：5-7.

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