设计标准 EN 1992-4 第 7.2.1.4 条描述了针对混凝土锥体破坏模式的锚栓或锚栓群的设计程序。这种破坏模式是受拉锚栓的典型破坏形式。从本章公式 7.1 可以看出,计算中仅考虑了几何因素和撕裂效应,而钢筋的影响几乎未被考虑(仅在 7.2.1.4 (5) 中定义的系数中有所体现)。
在本文中,我们将根据上述第 7.2.1.4 条,演示一个带四根锚栓的简单底板的设计,并将结果与 3D CSFM(协调应力场法)方法进行比较,分别针对素混凝土块、配筋不当的混凝土块以及正确设置附加钢筋的混凝土块进行对比。我们还将展示附加钢筋如何提高承载能力,并以单根锚栓为例,分析拉力从锚栓传递至附加钢筋的机制。
带 4 根锚栓的底板
以 SHS200/200/6.3 型钢为例,将其锚固于尺寸为 1/1/0.5 m 的混凝土块中。模型承受压向法向力和弯矩。为使示例尽可能清晰,荷载中的剪力分量被有意省略。
Fig. 1Model in IDEA StatiCa Connection
该示例首先在 IDEA StatiCa Connection 中建模,设置荷载使锚栓受拉混凝土锥体破坏承载力(EN 1992-4 - 7.2.1.4)接近 100%。
Fig. 2Concrete breakout resistance of the anchor in tension (EN 1992-4 - 7.2.1.4)
图中还显示了包含所有中间结果的计算过程。现在,我们将利用将该模型导出至 IDEA StatiCa Detail 软件的功能,该软件中已实现 3D CSFM(协调应力场法)。
混凝土块、锚栓、底板和荷载均已传递。
Fig. 3Model in IDEA StatiCa Detail
面支撑自动布置在混凝土底面,但模型目前不含钢筋或其他荷载(如混凝土块自重)。在荷载方面,仅传递了来自钢构件的作用。如图所示,荷载施加于焊缝和锚栓本身。有关荷载传递的更多信息,请参阅理论背景。
现在,让我们在 IDEA StatiCa Detail 软件中计算该模型,并与欧洲规范程序进行第一次比较。
Fig. 4Plain concrete results in IDEA StatiCa Detail
注意:由于程序不允许在无钢筋的情况下运行计算,模型底角处添加了可忽略不计的混凝土钢筋。因此,钢筋和锚固的显示结果均相对于该插入件,不具有实际参考意义。
结果可能令人意外,因为在达到计算停止准则之前,模型仅能施加 9.8% 的荷载。这远低于上述基于公式的方法所得结果。
然而,原因显而易见:Detail 中的混凝土模型不具有抗拉强度。这是计算的主要假设之一。由此可知,只有对按照 EN 1992-1-1 第 8 章构造规则正确配筋的模型,才能获得正确且无误导性的结果。
有关计算主要假设和停止准则的更多内容,请参阅理论背景。
因此,很明显我们需要添加钢筋。在下图中,钢筋仅布置于顶面,由于没有竖向钢筋来传递竖向分量并使体系达到平衡(请记住混凝土抗拉强度为零),这对承载能力的影响应极为有限。
Fig. 5Incorrect reinforcement only at the top surface without any vertical bar
Fig. 6Incorrectly reinforced concrete results in IDEA StatiCa Detail
同样,我们看到传递的力并不大。可以观察到一定程度的改善,但尚未达到基于公式方法的完整承载能力。您可能会问,当混凝土不承受拉力时,为何模型仍能施加任何荷载。原因在于,为保证数值稳定性,必须为混凝土定义一个极小的抗拉强度。包括上述残余抗拉强度在内的所有参数均经过设置,以使钢筋混凝土的计算结果尽可能准确。因此,素混凝土或未按构造规则配筋的混凝土的计算结果具有误导性。
下一个合理步骤是展示正确配筋混凝土的计算结果。为此,我们同时增大荷载,使锚栓受拉混凝土锥体破坏承载力(EN 1992-4 - 7.2.1.4)不满足要求。锚栓的受拉承载力将接近其最大值,模型其他组件的承载力亦然。
Fig. 7An insufficient EN 1992-4 - 7.2.1.4 check
在混凝土块整个表面周围添加封闭箍筋,并在锚栓周围均匀布置箍筋。所有箍筋直径均为 10 mm。
Fig. 8A correctly reinforced concrete block in IDEA StatiCa Detail
现在,让我们查看计算结果。首先,比较 IDEA StatiCa Connection 中的接触应力(混凝土被模拟为弹性 Winkler 地基,详见此处 - 基础垫层的 Winkler 地基模型)与 IDEA StatiCa Detail 中的接触应力(混凝土模型为带钢筋的非线性模型)。我们以所谓的等效主应力进行比较。更详细的说明请参阅理论背景。
Fig. 9A comparison of surface stresses of the linear model from IDEA StatiCa Connection and nonlinear model from IDEA StatiCa Detail
可以看出,两者结果的变化趋势基本一致。但在 Detail 软件的结果中,可以观察到混凝土塑性(更精确)行为的影响。
仔细观察混凝土中主压应力的方向,可以注意到锚栓上的荷载被重新分配至各箍筋肢。
Fig. 10Stress flows in concrete – top view
此外,我们还可以显示钢筋中的应力。所得数值表明,附加抗剪钢筋的承载能力绰绰有余。
Fig. 11Stress in reinforcement
从锚栓到混凝土的荷载重分配
上一段表明,计算的偏置行为是合理的,特别是符合所定义的假设。现在我们来研究锚栓中拉应力向周围钢筋重新分配的实际机制。我们不关注锚栓与混凝土之间的粘结问题,该问题已在此处进行了验证:单元测试:锚固
由于上一节给出的示例较为复杂,例如,底板承受压力和弯矩的组合荷载,这会对从锚栓流向箍筋肢的压力场产生显著影响(EN 1992-4 第 7.2.1.4 (7) 条将其描述为在有或无轴力的弯矩作用下,锚固件与混凝土之间压力的影响),因此我们将情况简化为单根受拉锚栓。
Fig. 12Simple mode of one anchor
模型高 0.3 m,上表面由四个矩形面支撑支承。上表面配置直径 10 mm、间距 135 mm 的钢筋,并补充四根直径 10 mm 的竖向钢筋。混凝土块中心处设有一根长 0.22 m、直径 22 mm 的锚栓,粘结强度设为 16 MPa。所有钢筋(包括锚栓)均采用 B500B 钢,混凝土等级为 C40/50。
材料分项系数 γ 设为 1.0。所有竖向钢筋的锚固类型均设为完全粘结。
从计算结果可以观察到,从锚栓到抗剪钢筋的应力流向与实际情况趋于吻合。
Fig. 13Stress flow from the anchor to the vertical reinforcement
然而,让我们从量值角度验证荷载传递是否正确。由于达到最大滑移准则,计算在锚栓应力为 530 MPa 时停止。
Fig. 14Stress in vertical reinforcement
若对竖向钢筋和锚栓的最大应力进行换算,可得锚栓承受的力为 201.4 kN,竖向钢筋承受的力为 4 × 41 = 164 kN。这看似结果有误。然而,仔细分析可发现,部分力直接重新分配至支座。因此,该模型不能用于准确验证力从锚栓传递至抗剪钢筋的机制是否正确。
材料分项系数 γ 设为 1.0。所有竖向钢筋的锚固类型均设为完全粘结。
现在,我们将采用稍复杂的模型,以避免力直接重新分配至支座。
Fig. 15Modified model
同样,上表面配置直径 10 mm、间距 100 mm 的钢筋。锚栓直径 22 mm,长度 0.22 m。材料等级与前一情况相同。
观察应力流向,可再次评估其趋于与实际情况相符。
Fig. 16Stess flow in the modified model
但让我们来看看从锚栓传递至竖向钢筋的总力。
Fig. 17Reinforcement stress in the modified model
此次,由于竖向钢筋达到最大应变,计算在每根锚栓施加力为 160 kN 时停止。对钢筋应力进行换算后,可得每根竖向钢筋中的力为 40 kN。
您可能会疑惑,为何计算未在 540 MPa(钢筋强度限值)时停止。答案在于拉力刚化现象,该现象会修正钢筋的应力-应变图。
Fig. 18Stress-strain diagram for reinforcement used in IDEA StatiCa Detail
更多信息请参阅:IDEA StatiCa Detail – Structural design of concrete 3D discontinuities
通过该示例,已证明所有力均从锚栓传递至竖向钢筋,并进一步传递至支座。现在,我们将在竖向钢筋分布不均匀的其他示例中验证该结果。
Fig. 19Other investigated models with unevenly distributed vertical reinforcement
包含竖向钢筋编号的结果汇总表如下所示。
Fig. 20Result table for all modified models
例如,对于模型 2,可以观察到应力流明显受模型刚度控制。由于模型中仅有两根竖向钢筋,与模型 1 相比,应力流自动进行了调整。
Fig. 21Stress flow in Model 2
结论
本文对 EN 1992-4 规定的混凝土锥体破坏机制与 3D CSFM(协调应力场法)计算结果进行了比较。研究表明,在给定假设条件下,混凝土不承受拉力,在 IDEA StatiCa Detail 中对素混凝土进行建模至少会导致误导性结果。对于正确配筋的混凝土,研究表明力从锚栓传递至竖向抗剪钢筋,显著提高了构件的承载能力。对力从锚栓传递至周围钢筋的实际机制进行了研究,结果表明,无论锚栓附近的钢筋分布均匀与否,该机制均正确可靠。