简介
本文介绍一项单元测试研究,旨在通过与试验结果[1]的直接比较,验证 3D-CSFM 对混凝土锚栓拔出行为的预测能力。本研究的重点在于评估数值模型捕捉锚栓行为关键方面的能力,包括破坏模式和极限承载力。研究涵盖了从 10mm 到 32mm 的多种锚栓直径,反映了实际工程场景中遇到的变化范围,从而使我们能够识别与直径相关的趋势,并评估 3D-CSFM 在不同尺度下的稳健性。值得注意的是,所有仿真均在 IDEA StatiCa Detail 中实现的 3D-CSFM 方法下进行,所有参数均采用默认设置。
破坏模式的定义
为评估 3D-CSFM 在模拟后安装粘结锚栓方面的性能,我们需要考虑两种破坏模式:拔出破坏,即粘结应力(τb)等于设计粘结应力(τbd);以及锚栓自身屈服,即达到极限塑性应变。
单元测试设置
在本研究中,Hilti HIT-RE500 - SD 带钢筋注射砂浆(500B)锚栓在 IDEA StatiCa Detail 中建模,并将结果与试验数据[1]进行了比较。
混凝土块及其钢筋的尺寸经过仔细考虑,以减轻对拔出行为的任何潜在影响,从而确保试验结果[1]的有效性。所有锚栓单元测试均采用统一的混凝土块尺寸(1.0x1.0x0.5 m;宽x深x高)。混凝土块采用钢筋 B 500B 加固,直径为 8-14 mm。每个表面周围布置 8 层钢筋(底面除外,钢筋通过底部支座连续建模),层间距为 135.0 mm。 计算过程中严格遵循相关建筑规范规定的所有安全系数,整个计算中均采用 1.0 的设置。锚栓孔尺寸相对于锚栓自身直径的影响未在计算模型中明确考虑。
Fig. 1.1 Side view of a reinforced concrete block with glued in anchor
Fig. 1.2 View of a reinforced concrete block with highligted anchor. Diameter of anchor equals to 16 mm
锚栓粘结强度是锚固设计中的关键参数,根据试验考量[1]确定为 15.4 MPa,第二个验证模型采用 12.0 MPa。同样,根据试验,锚栓在混凝土块中的埋置长度也一致确定。模型中考虑了锚栓在混凝土块上方额外 50 mm 长度,轴向拉力施加于该处。本测试中,比较了直径为 10mm、12mm、16mm、20mm、25mm、32mm 的锚栓与试验结果。试验设置汇总于表 2.2。
采用 3D-CSFM 实体块模型,本分析全面研究了锚栓拔出特性、临界荷载阈值的确定以及破坏模式的细致预测等多个方面。
材料特性
CSFM 分析中使用的混凝土、钢筋和锚栓的材料特性汇总于表 2.2。钢筋的屈服应力(fyk)和极限应力(k×fyk),以及混凝土的抗压强度(fck)、塑性应变(ϵc2)和极限塑性应变(ϵcu2),均根据试验备注中所述条件选取。粘结强度也由制造商在提供的产品说明书中指定。
Fig. 1.3 Stress strain diagrams of materials: (a) Stress-strain diagram of reinforcement B 500B, (b) Stress-strain diagram of concrete C30/37
与试验结果的比较
本节将制造商提供的试验结果与 3D-CSFM 预测的极限荷载和破坏模式进行比较。针对不同锚栓直径的六个极限拔出荷载实例与 3D-CSFM 的结果进行了匹配。此外,还针对每种锚栓直径确定了特定的破坏模式。
破坏模式与极限荷载
表 2.4 全面总结了试验测试中记录的极限荷载(Pu,exp)与 3D-CSFM 预测的极限荷载(Pu,3D-CSFM),以及相应的破坏模式。比值大于 1 表示模型预测值相对于实测值偏保守(偏高)。如表 2.4 所示,所有 3D-CSFM 分析预测的主要破坏模式均与试验结果一致,尽管在较大直径下,部分具体破坏子类型存在一些差异。3D-CSFM 的预测总体准确,对于较大直径,比值大于 100% 表明略偏保守的趋势。
此外,还计算了(Pu,bar)和(Pu,bond)的数值,并添加到表中。
Pu,bar=Abar⋅k⋅fyk
Pu,bond=Cbar⋅lbar⋅τbd
其中(Abar)为锚栓的截面积,(Cbar)为锚栓的周长,(lbar)为锚栓在混凝土中的长度。
从上述数值可以看出,该试验旨在证明求解器能够正确计算组合的拔出破坏和 YA 破坏模式。
此外,还计算了粘结强度为(τbd=12.0MPa)的相同模型,并与解析确定的(Pu,bond)值进行了比较。
图 1.4 通过显示已达到粘结应力的全部承载能力以及极限应变,验证了表 2.4 中所示的结果,这也导致破坏模式被识别为拔出破坏和 YA。
Fig. 1.4 Anchor 16 mm: Strain check value (left) and Bond stress (right)
Fig. 1.5 Anchor 32 mm: Stress flow view
Fig. 1.6 Anchor 25 mm: Stress in the reinforcement
Fig. 1.7 Anchor 20 mm: Strain in the reinforcement
结论
试验数据[1]与 3D-CSFM 测试版之间的比较表明两者具有令人满意的相关性。本次初步评估的主要发现包括:
参考文献
[1] - HILTI. Hilti HIT - RE500 - SD Injectable Mortar with Rebar (500B). HILTI CORPORATION. Https://www.hilti.com.hk/ [online]. 2016 [cit. 2024-04-22]. Available from: https://www.hilti.com.hk/medias/sys_master/documents/h86/h89/9485674512414/Submittal-ASSET-DOC-LOC-8336225.pdf