PEC预埋锚固槽钢拉拔承载力有限元分析①

许 笛， 刘祖华， 袁苗苗

(同济大学结构工程与防灾研究所，上海 200092)

随着我国建筑业的发展，预埋件在钢筋混凝土结构中的应用较为普遍.我国应用较广的是钢板与锚筋焊接的预埋件[1]，然而对于锚固槽钢我国并未有专门的规范设计.锚固槽钢作为预埋件在国外应用较广，并有相应的设计规范[2].德国PEC锚固槽钢产品作为一种预埋件，可以对各种建筑部件进行固定.槽式预埋槽钢在国外广泛应用于幕墙、桥面排水系统等的固定，近年来我国也有人做了相关研究[3～4].本文所介绍 PEC－TU 特殊预埋槽钢由于其受力特点与应用范围，不同于传统的预埋件，目前关于这种锚固槽钢的拉拔性能研究较少.本文主要对TU－D型号的锚固槽钢进行拉拔加载试验，利用大型通用有限元程序ansys对预埋件试验进行了数值模拟，以了解锚固槽钢在混凝土中的拉拔锚固性能.

1 工程背景

PEC－TU特殊锚固槽钢与传统预埋件不同，其没有锚筋，只通过埋于混凝土中的钢板翼缘与混凝土作用来承受较小的荷载，主要应用于轻型建筑部件的固定.在国外应用较广，如彩钢板的固定，屋面板的固定等，其用自攻螺钉连接.在槽钢埋于混凝土的一侧内填有泡沫填充物，避免了自攻螺钉与混凝土的接触，便于施工安装.

2 试验概况

2.1 试验设计

混凝土块尺寸为340mm×200mm×200 mm(长×宽×厚)，强度等级为C25.槽钢型号为TU－分别埋置于混凝土块的浇筑侧面与底面，试验选取三个位于浇筑侧面的TU－D型槽钢进行单边拉拔加载.

图1 加载示意图

2.2 加载方法

本次试验加载，通过螺纹传动，用一根M12螺杆对槽钢一端的一个螺孔进行拉拔.拉拔力的反力通过钢梁分散到钢台座上两个支承点.图1为加载示意图.

2.3 测量方法

作用于锚固槽钢的拉拔力，由安装在螺杆上的测力传感器得到[5](见图2).

图2 拉拔加载图

图3 单边加载破坏情况

加载时用位移传感器测量槽钢表面拉拔位移，以此代表锚固槽钢的拉拔位移.同时观察混凝土块的受力变形情况和混凝土块的开裂、破坏形式.

3 试验有限元模拟分析

3.1 有限元模型的建立

3.1.1 材料的选用

利用ansys软件进行建模，模型由两部分组成:由钢材组成的预埋槽钢和混凝土组成的外部结构.

对于建筑用钢材来说，常用的强化本构模型有三种:各向同性强化模型，运动强化模型以及混合强化模型.本文试验研究为静力单向加载，采用各向同性强化模型.用solid45单元进行模拟，其本构关系采用理想双线性弹塑性模型，屈服强度取为235MPa，弹性模量为2.06 ×105MPa.

混凝土采用solid65单元模拟，在ansys中，solid65是专为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元.Solid65采用的是William－Warnke五参数强度模型，通过材料特性表可以定义9个参数:1)张开裂缝的剪切传递系数;2)闭合裂缝的剪切传递系数;3)抗拉强度;4)单轴抗压强度;5)双轴抗压强度;6)静水压力;7)在上述静水压力卞的单轴抗强度;8)在上述静水压力下的双轴抗压强度;9)材料拉裂后的应力释放系数.考虑本实验混凝土受力情况与有限元计算收敛，参数4取为－1，即不考虑混凝土压溃.在ansys中利用多线性随动强化模型(KINH)来表达应力应变关系，本文采用德国Rüsch建议的应力－应变曲线，用公式表示为:

3.1.2 边界条件的确定

试验中，试件是平放在钢台座上，采用自平衡的方式均匀加载.有限元模型把地面作为刚性平面，并对混凝土块模型上表面和侧表面施加位移约束，这样边界条件与试验一致.

3.1.3 接触类型选择

模拟分析没有考虑混凝土与钢材之间的粘结应力，不同部件接触部位设置接触对，采用面面接触[6].

3.1.4 荷载的施加

文中分析的模型由于面面接触问题，属于高度接触非线性，以及混凝土材料的非线性，为加强收敛，荷载施加采用较多的荷载子步，并打开自动时间步长，以较合理的时间代价得到精确解.分析给模型施加一个略大的荷载，模拟计算不收敛，倒数第二子步荷载即为所求极限荷载.

3.2 试验结果与有限元分析

拉拔试验结果统计见表1，试件均为混凝土受拉破坏，槽钢无明显变形.取一个槽钢试验说明试验现象:

正式加载至约7kN时，沿着槽钢端部边缘混凝土出现裂缝，随之裂缝迅速延伸，直至混凝土块边缘，混凝土块达到破坏，并在混凝土块端侧面出现横向裂缝.试件破坏后的情况见图3.螺孔，而槽钢另一端埋于混凝土中基本无位移.图6图7分别为槽钢与混凝土块的Mises应力云图.

表1 拉拔试验结果汇总

图4 模型变形云图

图5 槽钢变形云图

有限元分析得到的极限荷载比实际试验得到的荷载略小，可能原因较多，如实际试验混凝土强度略强于C25，混凝土的随机性，试验边界条件等等.另外，由于槽钢锚脚处的混凝土单元较小，可能产生应力集中而造成模型提前破坏.

图7 混凝土块应力云图

有限元模拟和试验测得的荷载－位移曲线对比见图8，其中虚线为有限元数值模拟曲线，实线为三组试验结果，可见有限元结果与试验结果比较接近.

图8 有限元分析与试验结果对比

图6 槽钢应力云图

4 结语

根据有限元模型求解结果，可以查看不同阶段的模型位移、应力等云图，对试验结果进行更直观的分析.图4为模型整体在拉力作用下的变形情况，可以看出混凝土块的位移变形与实际混凝土产生的裂缝形状位置(见图3)基本一致.图5为槽钢自身的变形情况，最大变形发生在施加拉拔荷载的

根据试验提供的条件建立有限元模型，利用ansys对预埋槽钢的抗拉承载力进行了分析.在抗拉承载力分析中发现，由于锚固槽钢并无焊接或直接冲压成的锚腿，槽钢与混凝土之间相互作用较小，其所能承受的拉拔力较小.在整个受力过程中，槽钢和混凝土变形较小，直到混凝土块达到破坏.试块破坏形式为混凝土受拉破坏，槽钢未进入塑性，没有造成明显变形.通过对比荷载－位移曲线，发现有限元模拟与试验结论基本一致.

[1]中华人民共和国建设部.GB 50010－－2010混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社，2010.

[2]CEN/TS 1992－4－3:2009.Design of Fastenings for Use in Concrete－ Part 4－3:Anchor Channels[S].European Standards，CEN，2009.

[3]徐淑美，周德源，毕大勇.预埋式槽型锚轨拉拔性能的试验研究[J].结构工程师，2010，26(5):111－116.

[4]毕大勇.德国哈芬锚轨拉拔锚固性能的试验研究[D].上海:同济大学，2009.

[5]姚振刚，刘祖华.建筑结构试验[M].上海:同济大学出版社，2008.

[6]马臣杰，钟玉柏，许璇.幕墙预埋件承载力非线性有限元分析[J].建筑结构，2011，41(2):94－96.