1、 暨南大学硕士学位论文题名（中英对照）：钢筋复合接头的疲劳性能分析Rebar compound coupler fatigue character analysis作者姓名：李国锋指导教师姓名及学位、职称：盛克苏博士副教授学科、专业名称：工学结构工程论文提交日期： 2014年 5月论文答辩日期： 2014年 6月答辩委员会主席：论文评阅人：学位授予单位和日期：暨南大学 2014年 06月暨南大学硕士学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得暨南大学或
2、其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名： 签字日期：年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解暨南大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权暨南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日学位论文作者毕业后去向：工作单位： 电话：通讯地址： 邮编暨南大学硕士
3、学位论文摘要在超高层结构和大型建筑工程中，随着钢筋混凝土的广泛应用，作为钢筋混凝土结构主筋的钢筋的种类正在变得越来越多，强度也越来越高，对钢筋质量的要求日趋提高；同时经济的飞速发展加快了建筑的更新换代，越来越多的改扩建工程涌现，对新旧构件的连接技术要求也越来越高；此外，施工工费的提高，施工进度的加快，都迫使着新技术的诞生来满足这种要求，而钢筋复合接头就是在这种情况下孕育而生的。本论文主要研究在动荷载作用下，钢筋复合接头的疲劳性能。论文旨在参考美国接头的相关资料来自主设计这种接头，利用 ANSYS有限元分析软件，按照国家规范的要求，首先对这种新型接头进行静态单向拉伸试验，并分析其数据；之后，再利
4、用有限元的疲劳分析模块，模拟接头在动荷载反复作用下的疲劳性能，分析结果并对这种接头进行优化设计，为这种新型接头的推广应用提供数据支持。关键字：钢筋复合接头，疲劳分析，剪切螺钉，变形，有限元分析，应力I暨南大学硕士学位论文ABSTRACTDue to the wide application of reinforced concrete in high-rise structure andlarge construction project, the type of reinforcing steel bar in reinforced concretestructure has become
5、more and more varied, the strength is also become more andmore high, the requirement of the steel quality is rising, and the rapid development ofthe economy speed up the building of renewal, more and more expansion project isemerging, the requirements of the technical of connecting old and new compo
6、nent isalso more and more high. In addition, the improvement of construction cost and thespeed of construction progress are forcing the birth of new technologies to meet therequirements, so the rebar compound coupler is born.This paper mainly studies the fatigue performance of the rebar compoundcoup
7、ler with the dynamic load. According to the American data, we design the rebarcompound coupler, then we make the static uniaxial tensile test of the rebarcompound coupler by the finite element softwares support in accordance with therequirements of national standard and analysis the data. Then we si
8、mulate the fatigueperformance of the coupler under the repeated loading with the finite elementsfatigue analysis module .We can optimize the design by the analytic data ,providingdata support for the promotion and application of this new coupler.Keywords: rebar compound coupler, fatigue analysis, sh
9、ear locking screws,deformation, finite element analysis, stressII暨南大学硕士学位论文目录摘要 IABSTRACT II第一章绪论11.1工程上常用钢筋11.2钢筋连接技术在国内外的发展状况.21.3钢筋连接技术简介31.4钢筋复合连接接头.91.5本文研究的目的及内容. 11第二章钢筋机械连接接头的试验分析 . 132.1接头的设计原则和性能等级 132.2接头的型式试验.13第三章钢筋复合接头的数值分析 . 153.1有限元法的基本知识153.2 ANSYS软件简介183.3结构疲劳的基本理论223.3接头的静力性能分析13.
10、4钢筋复合接头的疲劳性能分析33第四章钢筋复合接头疲劳性能优化分析 434.1不同齿条位置对接头疲劳性能的影响434.2剪切螺钉不同位置对疲劳性能的影响484.3齿条不同形状对接头性能的影响514.4钢筋复合接头优化分析总结57第五章结论与展望 . 605.1本文总结605.2本文的不足之处615.3展望61III暨南大学硕士学位论文参考文献 . 62 致谢 66 IV钢筋复合接头的疲劳性能分析第一章绪论1.1工程上常用钢筋1.1.1钢筋的种类1根据钢筋的直径大小，化学成分，力学性能，生产工艺等特性，可以将钢筋分类使用，工程上主要按生产工艺来区分钢筋类型。主要分为一下的几种：（1）热轧钢筋：有
11、热轧带肋钢筋（HRB）和热轧光圆钢筋(HPB)两种，热轧光滑钢筋以 HPB235为代表，一般情况下是作配筋或箍筋使用；热轧带肋钢筋以HRB335为代表，是 钢筋混凝土 结构中的主导钢筋。由于工程需求及技术的发展，工程上逐渐开始使用 HRB400钢筋，该类型钢筋的强度比 HRB335 的高，慢慢地取代了HRB335 钢筋的主导地位。（2）余热处理钢筋：HRB400余热处理钢筋是将20MnSi钢筋进行扎后余热处理，使其强度达到或大于HRB400的要求，具有较高的强度和很好的韧性。（3）冷处理钢筋：冷处理钢筋可以分为三种，包括冷拉钢筋，冷轧带肋钢筋以及冷轧扭钢筋。1.1.2钢筋的化学成分钢筋的化学成
12、分和碳含量（熔炼分析）应该满足规范的要求，来达到性能的最优化，如热轧带肋钢筋的限定应不大于表1.1规定的值：表1.1钢筋化学成分化学成分（）牌号C Si Mn P0.0450.0450.045S CeqHRB335 0.25HRB400 0.25HRB500 0.250.800.800.801.601.601.600.045 0.520.045 0.540.045 0.55众所周知，钢筋中不仅仅有铁元素，还存在其他元素以及一些杂质元素，如1钢筋复合接头的疲劳性能分析碳、硅、锰、钒、钛。钢筋的强度、硬度、塑形和韧性跟碳含量是紧密联系的，碳含量越多，钢筋的硬度和强度越高，但同时塑性和韧性会变低，性
13、能变脆。硅和锰作为一种脱氧剂，能够增强钢筋的强度和硬度，但含量不能太高。硫和磷是有害元素，会使钢筋焊接处容易出现裂纹，降低钢筋的韧性和塑性以及焊接性能。钢筋中的氧化物和氮化物，会令钢筋强度、塑性和韧性变弱，危害钢筋的性能。1.1.3钢筋的力学性能钢筋的力学性能，是指钢筋在外荷载的作用下，抵抗变形和断裂的能力，一般用钢筋的强度、塑性、硬度、韧性、疲劳性能等来描述它的力学性能。如热轧带肋钢筋，其力学性能见表1.2：表1.2钢筋的力学性能 s(MPa) b(MPa) 5()公称直径弯心直径牌号 （mm） 不小于6 2528 506 253a4a4a5a6a7aHRB335 3354005004905
14、70630151412HRB400HRB50028 506 2528 501.2钢筋连接技术在国内外的发展现状在国外的建筑工程中，钢筋绑扎接头在很长的时间里一度成为了主导的连接技术，直到了20世纪50年代，随着钢筋焊接技术的大力研究和迅猛发展，钢筋焊接技术逐渐地取代了绑扎技术。在钢筋焊接方面,手工电弧焊是在美国用得最广的钢筋连接方式，之后又相继研发了搭接焊、帮条焊等；苏联和德国的焊接方法主要有：闪光对焊、气压焊和电阻电焊等，并制定了相应的标准，美国有结构焊接规范-钢筋,俄罗斯的国家标准是钢筋混凝土结构钢筋和预埋件焊接接头全部技术条件,德国的国家标准是混凝土钢筋的焊接施工与试验,日本有钢筋混凝土
15、用钢棒气压焊接接头的检查方法等多部行业规范；到了 20世纪70年代，欧美和日本等国在钢筋机械连接领域做出了巨大成就，成功地研发了2钢筋复合接头的疲劳性能分析多种连接方法，同时制定了相应的规范要求。比如在美国，钢筋混凝土房屋建设规范AC1318- 89、混凝土反应堆容器和安全壳 规范ACI359 - 89及 ASME锅炉和压力容器规范AC1349- 89等规范,以及日本建筑中心 ( RPCJ)委员会制定的钢筋接头性能评定标准,均对机械接头的试验方式、力学性能和使用的要求均作了规定 2 。英国的混凝土结构设计和施工规程，对不同的钢筋接头分别做出了规定 3 。此外,在一些发达的国家里，如日本、美国等
16、，水泥灌浆充填套筒接头和钢筋挤压套筒接头，已被广泛应用在预制件的装配工程中。钢筋机械连接技术已经被广泛应用于各种复杂的工程，并且随着大量工程及科学技术的飞速提高，钢筋机械连接技术也在不断更新换代，来适应各种工程的需要，其中，美国最近研发出来的“MBTCouplers” 的钢筋连接接头已经在国外被广泛应用，国内称这种接头为钢筋复合连接接头，这是一种依靠套筒连接的简易的钢筋连接方法，可以加快工期且经济安全，施工快速。在20世纪50 70年代，我国的钢筋连接技术主要以绑扎接头、闪光对焊、手工电弧焊技术为主，到了80年代中期，才研发了气压焊。直到80年代末，我国的钢筋机械连接接头才开始被开发出来以及大
17、力推广，逐渐研发了多种钢筋机械连接接头，主要有挤压套筒接头、锥螺纹套筒接头、直螺纹套筒接头等。刘4永颐、徐有邻等人在钢筋机械连接的技术规程的制定上付出了巨大的贡献，提5供了大量的工作数据，指明了钢筋机械连接技术的新的方向；中国建筑科学研究院结构研究所测试了套筒挤压接头的抗疲劳性能和套筒挤压道次的联系,为套筒挤压接头及其他钢筋机械接头在动载作用下的疲劳性能分析做好了铺垫，他们6的研究工作为探索钢筋接头的疲劳性能作出了巨大贡献。1.3钢筋连接技术简介1.3.1钢筋焊接连接技术传统的钢筋连接技术主要有绑接和焊接技术，其中钢筋焊接技术从20世纪50年代开始推广使用，经过几十年的发展，比较常用的新技术包
18、括钢筋电阻电焊、钢筋闪光对焊、钢筋电弧焊、钢筋气压焊等方法。到了20世纪80年代，钢筋焊接网兴起并得到广泛的使用，同时提出了相应的规范。在现场施工时应根据钢筋的材质来确定连接方式，例如，当钢筋的含碳量高于 0.55时，钢筋是不3钢筋复合接头的疲劳性能分析可焊的，需考虑其他连接方式；级钢筋的可焊性能良好；级和级钢筋的可焊性较好；钢筋的可焊性能非常差。此外，可根据不同的施工条件来选择合适的焊接方式，来达到经济安全的效益，比如，对于楼板、护坡等施工中的钢筋网的连接可优先选用电阻点焊；倘若现场供电比较紧张或者电压较低，则不考虑电弧焊和电渣压力焊，应该采用气压焊；类似的，如果现场的氧气和乙炔供应条件较差
19、，则不要轻易使用气压焊；在天气比较好的区域，应该优先考虑用电渣压力焊、气压焊或者电弧焊。相比较绑扎搭接接头，钢筋焊接接头具有强度高和节省材料的优点，但同时具有其自身的缺陷：对焊 工技术的要求高；受环境的影响大；明火作业，有安全隐患；疲劳强度低； 造成环境污染； 能源浪费。1.3.2钢筋机械连接技术钢筋机械连接技术是在我国 80年代以后在绑扎连接和焊接连接这两种传统连接技术的基础上发展出来的，基本改进了传统连接技术的弊端，适用于对钢筋的强度和延性有更高要求的工民建构筑物上，在一些重大工程中赢得了大力的青睐。工程上较为常见的机械连接接头有以下的几种：1、挤压套筒接头挤压套筒接头连接技术通过咬合力来
20、传递力，从而连接两根钢筋，咬合力依靠的是由挤压力导致套筒接头的变形部分与钢筋的横肋紧密咬合而形成的。国产的HRB335/HRB400级钢筋，直径为18-50mm 的各种带肋钢筋都可以采用该接头来连接，连接的方式可分为径向挤压连接和轴向挤压连接两种形式。4钢筋复合接头的疲劳性能分析图 1-3挤压套筒连接现场挤压套筒连接技术相比气焊连接技术的优点在于：接头强度高，施工快速简便，没有明火作业，节省能源；但也存在对挤压设备要求高，挤压设备重量大，劳动强度高，价格比较高的不足。2、钢筋锥螺纹接头 7钢筋锥螺纹接头克服了挤压套筒接头的缺陷，是一种能够既能受拉又能受压的接头。该接头的形成是先将钢筋加工成锥螺
21、纹形状，利用该形状的自锁性和密封性好的特点，然后将钢筋拧进套筒，从而将两个钢筋连接在一起。该接头适用的范围是直径为16-40mm的HRB335、HRB400级斜向、竖向或水平的钢筋。主要的施工流程为：钢筋锥螺纹形状的加工与检验钢筋吊装就位拧紧钢筋接头质量抽检完成。采用锥螺纹接头连接的钢筋端部由于是锥形的，强度不及原来钢筋强度，一般比母材抗拉强度低 5-15，所以连接后整体的钢筋强度取决于接头连接质量能否达到要求，并且为了让钢筋与接头连接吻合，必须要求钢筋端头平直。相比于挤压套筒接头，该接头的现场施工设备简洁，施工速度快，可以预加工，工艺简单，接头成本低，因此，在 90年代初就得到大量施工单位的
22、青睐。5钢筋复合接头的疲劳性能分析图 1-4钢筋锥螺纹接头3、直螺纹套筒接头 8直螺纹套筒接头兴起于90年代，结合了套筒挤压接头和锥螺纹接头的优点，在大量的工程中大受青睐。该接头同样是通过咬合作用来传递力，将钢筋连接在一起，按生产工艺可分为镦粗直螺纹接头和滚扎直螺纹接头两种。这种连接技术根据工艺的不同，可分为两种方式，分别是钢筋冷镦粗直螺纹接头和钢筋热镦粗直螺纹接头。钢筋冷镦粗直螺纹接头的基本原理是：用钢筋冷镦粗机镦粗钢筋的端部，钢筋的端部便会发生塑性变形，之后钢筋的薄弱部分会由于金属冷作硬化的作用而膨胀到钢筋外面，在加工钢筋螺纹时，切掉钢筋的膨胀部分，再将两根钢筋拧进套筒，即可实现钢筋的连接
23、。热镦粗直螺纹接头相比冷镦粗直螺纹接头，主要是镦粗的设备不同，采用的是热镦粗机，镦粗后的钢筋不会产生内应力或脆断等缺陷，能够将钢筋镦得更粗，但是造价较贵。冷镦粗直螺纹接头是我国当前大量工程使用的镦粗直螺纹接头，一般用于连接延性较好的钢筋。钢筋镦粗直螺纹接头连接技术的过程是：首先在工厂里对钢筋进行冷镦粗或者热镦粗技术处理，然后切掉膨胀的部分，制作螺纹，用接头把制作好的钢筋连接好之后，根据规范要求进行检验即可。镦粗直螺纹接头除了强度高且稳定、施工简便的优点之外，还具有可以预加工、对钢筋要求低，节约钢材、成本低的特点。钢筋滚扎直螺纹连接接头，不用在现场对接头套筒进行挤压变形，而是在出厂时将是钢筋端头
24、加工成直螺纹丝头，通过直螺纹丝头和直螺纹连接套筒咬合来传递力，从而将两根钢筋连接在一起。滚扎直螺纹接头是在镦粗直螺纹的基础上改进的，滚丝机滚压后形成的螺纹厚实、平均而且对有效截面积不产生负面影响，与此同时，滚压直螺纹时钢筋的产生很小的塑性变形，并且钢筋在塑性变形后，由于冷作硬化后的作用，钢筋的强度会提高，所以接头的质量稳定有保证。现在6钢筋复合接头的疲劳性能分析在我国工程上应用得较多的滚扎直螺纹接头有：直接滚压螺纹接头、挤压肋滚压螺纹接头和剥肋滚压螺纹接头。图 1-5钢筋直螺纹连接图 1-6镦粗机直接滚压螺 纹接头，采用的加工机械是 滚压直螺 纹机，钢筋丝头加工只需要一套设备。由于滚压螺纹时材
25、料流动变形过大，滚压后螺纹的表面粗糙，螺纹精度较差，经常出现不能拧进套筒的现象，给施工带来不便，大大降低了套筒的寿命。压肋滚压螺 纹接头相比于 滚压直螺纹，是在它的基 础上加多了一道工艺，就是使用挤压肋装置，对钢筋横纵肋进行预挤压处理，滚压后制作的螺纹精度比直接滚压螺纹的精度高，螺纹尺寸的精度低，套筒寿命短的问题还是没有解决。7钢筋复合接头的疲劳性能分析剥肋滚压螺 纹接头是先在工厂加工 钢筋端部的横肋和 纵肋，采用剥切处理技术，保证钢筋柱体的直径能够达到统一，之后再对钢筋进行螺纹滚压即可。该接头克服了直接滚压螺纹和挤压肋滚压螺纹接头的不足，即克服了螺纹精度低的缺陷。由于螺纹直径的统一，所以施工
26、较为简便，连接的质量比较稳定并且安全，且寿命长。根据使用条件的不同，可以将这种接头分为四种不同的连接形式：标准型、正反丝扣型、变径型和可调型，因此该连接技术的应用面广，能适应不同的环境要求，具有普遍性。1.3.3钢筋连接技术的比较表1.3连接工人要求方式现场施工 适用范围 性能 不足绑接无需培训无大型设备，施直径22mm 钢传力效果 钢筋过于密集，总体经济性差工简便 筋 差焊接严格培训耗电量大，明火可用于粗钢筋 优于绑接技术环境因素影响大，连接质量稳定性差对接头的要求严格作业，工期长 连接，对钢筋有要求机械短期培训可预加工，施工普遍适用，在连接 速度快，现场施大直径钢筋中质量高且稳定工文明安全
27、 应用广泛根据上表可知，钢筋机械连接技术的整体优势比较突出，首先是接头连接的钢筋强度高且连接的质量可靠；第二是没有明火作业，施工简洁，安全无污染；第三是节省材料，并且对设备和工人的要求低，便于大力推广应用。因此，钢筋机械连接技术在当前的工程中都得到各个建筑、设计、施工和监理部门的青睐。1.3.4钢筋机械连接接头的对比根据前述，可以发现各种连接方式都有独特的优点，在现在各种建筑工程突起的环境中，必须找到经济安全质量放心的产品才能满足规范的要求，现在将各类钢筋机械连接方式集中在一个表格中进行对比，主要从施工工艺的简便性，对工人技术要求的难度，施工速度和连接的质量来分析各种连接方式的优劣，详细8钢筋
28、复合接头的疲劳性能分析的数据见表1.4。表1.4接头种类 优点 缺点挤压套筒接头 连接强度高，质量稳定工人劳动强度大，现场施工可靠 不便，施工速度慢，成本高锥螺纹套筒接头镦粗直螺纹接头直接滚压直螺纹接头挤压肋滚压螺纹接头可预制作，施工工艺简连接强度和施工质量稍弱。单，施工速度快连接强度高，施工简洁施工工序繁琐，接头质量不快速 稳定施工快速简洁 螺纹精度差，连接质量不稳定螺纹精度较高，施工简钢筋直径粗细对螺纹精度洁 影响大，质量不稳施工工序较为复杂剥肋滚压螺纹接头 强度高，螺纹精度高1.4钢筋复合连接接头最近几年，一种名为“ MBT Couplers”的新型钢筋连接接头在美国被广泛运用，我们国内
29、称这种接头为钢筋复合连接接头，在任何受力情况下，它都可以完成钢筋的连接，并且该接头是符合ISO9001标准的产品，但目前在我国则很少应用。该接头主要依靠套筒内的齿条和剪切螺钉跟钢筋紧紧咬合来完成钢筋的9连接，这种接头的优势在于施工简便，施工工序少，对工人的技术要求低，需要的设备和工作空间少，满足经济的要求，能够保证钢筋的强度稳定完整。接头示意图如下所示：图 1-7钢筋复合接头9钢筋复合接头的疲劳性能分析图 1-8套筒剖面及截面钢筋复合接头连接技术的施工工序非常简单，主要步骤是：首先将一根钢筋套入套筒一半的位置，然后拧紧剪切螺钉固定住钢筋；将另一根钢筋套入套筒，使其端部与第一根钢筋的端部接触即可
30、，然后拧紧剪切螺钉固定钢筋；用扳手将剪切螺钉拧到指定的扭矩。当扳手将剪切螺钉的螺帽拧断时，即可判断螺钉上的扭矩达到了设计值，方便施工人员确保质量达标，非常直观。详细的施工步骤及现场安装分别如图1-9、1-10所示。图 1-9现场连接安装10钢筋复合接头的疲劳性能分析图 1-10钢筋复合接头连接施工步 骤在一些重建、改建工程中，新旧钢筋的连接问题会相当棘手，常用的钢筋连接方式很难有效地连接钢筋，而钢筋复合接头就可以轻松地实现连接，达到理想的效果。因此，钢筋复合接头在一些快速工程、停车场等的钢筋连接都有很大的优势，该接头在广州越秀大厦施工工程中有很理想的应用效果。1.5本文研究的目的及内容随着经济
31、的发展，建筑行业蒸蒸日上，钢筋混凝土结构在工程中的应用越来越普遍，而且由于高层、超高层及特种结构工程的大量涌现，钢筋的种类更新换代快，施工速度和质量在稳步提升的情况下，对钢筋的连接质量更是要精益求精。为了适应现在建筑工程的大规模施工，流程化管理，短周期施工，经济文明安全的需求，钢筋连接技术也需要不断的发展。这种接头不需要大型设备进行加工，施工简便，对工人的技术要求低，劳动强度低，并且连接质量好且稳定的优点，在一些翻新工程、改建工程、重建工程及特殊结构中都有其优势，在我国有着很大的潜力。况且国内旧城改造工程、新城市建设工程正如春笋般涌现，对钢筋复合接头的研究分析，使其造价降低，连接质量更好，对其
32、在工程中的大力推广应11钢筋复合接头的疲劳性能分析用有现实意义。钢筋复合接头在国内的应用很少，对其研究更少，其中有潘柳对其的力学性能有进行分析，贺立荣对其的变形进行了理论分析，但他们都是在静载的作10 11用下来分析的，考虑到现在建筑工程中的荷载的复杂性，本文探索了这种接头在动荷载作用下的性能分析，主要研究其疲劳性能，对接头的应用范围推广提供了帮助。本文主要研究在动荷载作用下，钢筋复合接头的疲劳性能分析，通过有限元模拟，分析这种接头的疲劳破坏部位，能否满足我国钢筋机械连接技术规程JGJ107-2010的要求，再对比分析不同的套筒齿条和剪切螺钉对接头的疲劳性能的影响，根据对比结果来改良这种接头的
33、模型，使其疲劳性能更好。12钢筋复合接头的疲劳性能分析第二章钢筋机械连接接头的试验分析2.1接头的设计原则和性能等级根据钢筋机械连接通用技术规程JGJ107-2010的规定 12 ，钢筋机械连接的接头应满足强度和变形的要求，接头的屈服承载能力和抗拉能力与被连接钢筋的标准承载力相关，即其标准值都不应小于被连接钢筋相应标准承载力的 1.1倍。钢筋机械连接接头可分为级、级和级三种，这三种接头的具体性能要求如表所示2.1.1接头的疲劳性能如果接头连接的结构构件直接承受动力荷载的作用，那么接头只要满足设计要求的抗疲劳性能即可。如果没有特别的要求,当接头连接的是HRB335的钢筋时，接头的疲劳性能应该为，
34、能在 20Mpa和 180Mpa的反复拉压作用下，循环加载次数能达到 2000000次。当接头连接的是HRB400级钢筋时,其疲劳性能应该为，能在10Mpa和190Mpa的反复拉压作用下，循环加载次数能达到2000000次13钢筋复合接头的疲劳性能分析2.2接头的型式试验接头的型式试验是为了给接头按性能分等定级，方便现场施工时对材料进行检验。2.2.1型式试验的试件尺寸试件的尺寸应满足下图的要求：图2-1试 件尺寸图中，L接头试件连接件长度；L1接头试件非弹性变形及残余变形的量测标距；L2接头试件总伸长率的量测标距；d钢筋直径。2.2.2型式试验的加载制度型式试验的加载制度应符合下表的规定。表
35、2.3试验项目 加载制度0 0.6fyk 0.02fyk 0.6fyk 0.02fyk 0.6fyk单向拉伸（测量非弹性变形）最大拉力0（测定总伸长率）0 (0.9 fyk 0.5 fyk ) 破坏高应力反复拉压级（反复20次）0 (0.2 yk 0.5fyk) （ 5 yk 0.5fyk） 破坏级 （反复4次） （反复4次）大变形反0 (0.2 yk 0.5 fyk ) 破坏（反复4次）复拉压级14钢筋复合接头的疲劳性能分析第三章钢筋复合接头的数值分析3.1有限元法的基本知识现实中工程问题的解决方案是对实际问题进行数学模拟，对抽象的模型进行求解的过程，因为问题的复杂性和影响因素众多等不确定性
36、，通常情况下是很难找到求解对象的解析解。所以，一般的求解思想是用近似解来接近实际值，即在不更改工程条件的情况下，采用数值分析的思想计算得到数值解，用数值解来回答工程问题。数值解法综合运用有有限单元法、有限差分法、边界单元法等，其中目前较为常用的数值方法是有限单元法。随着计算机技术的发展，有限单元法也有了一定的改进和更加广泛的应用，在越来越多的复杂的工程问题上的应用越来越多，效果也更加显著。在辅助设计、辅助分析、产品质量分析等领域的地位更加突出，起着不可代替的作用。“有限元法”这一名称是美国的 Clough RW在1960年提出的，他在发表的一篇名为“平面 应力分析的有限元法 ”论文中首先使用的
37、 13 。在 40年里，有限元法的应用并不仅限于弹性力学平面分析，也应用到了到空间分析、板壳分析，同时由静力平衡分析扩展到稳定分析、动力分析和波动分析。随着计算机的快速发展，计算机性能的进一步提升，有限元法在工程中的应用变得越来越广，操作越来越快捷，全球上大型的有限元分析软件有ANSYS，NASTRAN，ASKA，ADINA，SAP等。3.1.1有限单元法的思想基础有限单元法（Finite Element Method,简称 FEM ），是一种依靠计算机的运算能力，对复杂的问题进行分析和求解的数值模拟方法 14 。它是在变分原理和加权余量法的基础上发展出来的，其基本的求解思路是先将要分析求解的
38、对象进行划分处理，对象被划分变成为有限个不重合的单元，各个单元内存在部分合适的节点，可以采用这些节点用作求解函数的插值点，把微分方程中的变量用插值函数组成的线性表达式来表示，根据变分原理和加权余量法的思想，将微分方程离散求解15。有限单元法的思想是，将计算对象离散分解为有限个互不重合的彼此15钢筋复合接头的疲劳性能分析相连的单元，在每个不相交的单元内选择基函数，将单元的基函数进行线性组合，来近似代替单元中的解析解。3.1.2有限单元法的计算思路一、结构的离散化应用有限单元法对分析对象求解，首先需将被分析结构假想地分解成有限个简单形状的单元体，并在单元体上设置结点，这些结点将作为相邻单元连接的枢
39、纽。这种将连续的整体结构划分为若干个单元体的过程，被称作结构的离散化。在划分单元时，要注意综合考虑以下几个因素：(1)一般说，单 元的网格划分得越小，节点的数目越大，其计算结果也就越精确；然而，计算所需的时间、费用及计算机容量等也随之增加。为了兼顾两个方面，可以根据结构所受载荷及几何尺寸等具体情况，选择合适的单元划分方案。如对边界比较曲折，容易形成应力集中的区域，单元可以分得细小一些，而在其他区域则可以分得大一些。(2)单元各边长 度差值不宜过大。如三角形单元不要出现钝角，矩形单元不要呈现细长形状，这是提高计算精度需要考虑的一个方面。(3)在所划分的网络中，任一单元的厚度或材料性质不应有突变。
40、因此，原结构几何尺寸突变处，或不同材料的连接处，一般都应设为单元的边界线。(4)在相邻单元的 边界上的某种单元的角点，一定得同时成为相邻单元的角点。(5)一般设置节 点的位置是在集中载荷处或分布载荷的突变处、分布载荷与自由边界的相邻边界处、支承点等。(6)在进行单元划分 时，要注意利用结构的对称性 (包括几何对称及载荷对称) 。取某典型部分来代替整体结构，以便能既保证计算精度，又节省计算时间及机器存贮单元。二、单元的研究如果存在某一描述弹性体内各点位移的函数，那么，根据弹性理论，便可以进一步确定弹性体内各点的应变及应力。在一般情况下，对一个复杂的弹性体来说，是很难找到对应的函数的，但是当连续体
41、或结构体被离散分解成许多较小的单元后，对于某个单元就有可能选用一个坐标的简单函数来近似描述内部各点的位移，在有限单元中，称所选择的这一函数为位移函数或位移模式。16钢筋复合接头的疲劳性能分析单元的节点可描述为q e . u1u u；2 n单元的位移（场）模式。若有 n个节点，可以设定 n个待定系数，如u( ) a0 a1 . an1 n1， 为几何坐标；倘若选择的位移模式跟位移分布的真实情况有较大出入，即便单元网格划得无限小，计算出的变形、应力值也不一定能收敛于正确的结果。下面给出3个条件，若能满足这些条件，其解答将随网格尺寸无限减小而收敛于精确解。(1)位移模式一定要含有单元的刚体位移，也就
42、是说单元体内不会因为某个刚体位移引起的节点位移产生应变。因此所选择的位移模式除了可以反映单元自身形变的特点，还能够说明该单元可以随着其它单元的形变而产生刚体位移的特性。(2)位移模式中一定要包括单元的常应变参数。从物理意义上来看，当单元的尺寸足够小的时候，单元内部应变将会趋于常量。一旦位移模式中不含有这些常应变，则不可能收敛于精确解。(3)位移函数不仅需要在单元内部连续，而且在两单元的公共边界上一定要协调。在有限单元法中，满足(1)、(2) 两个条件的单元我们称为完备单元，而满足条件(3)的单元称 为协调单元。条件(1) 、(2)是收敛的必要条件，条件(1) 、(2)、(3)是收敛的充分条件。
43、在有些情况下，当第三条不能满足时，仍能收敛，对此情况这里不作细述。三、单元力学特性分析第一步，单元的力学特征与所选定的位移模式相关，其具体过程如下面框图所示：第二步，利用几何方程，将单元内部各点应变用单元结点位移来表示：应变为 B()qe , B()叫做几何函数矩阵；第三步，利用物理方程建立单元内部各点应力与单元结点位移之间的转换关系式：应力为 DB()qe S()qe，其中S( )为应 力矩阵。17钢筋复合接头的疲劳性能分析第四步，利用虚功原理，得到单元结点力和单元结点位移的关系式，即单元刚度方程：e单元势能 1 ，由 q 0，有 K q Pe，其中eqeT Ke qe PeT qe e2
44、e B D Bd 。T eK e叫做单元刚度矩阵， K e四、建立整体结构平衡方程得到了单元的刚度方程，便可以将离散的各单元体“组装” 成整体结构，即建立系统平衡方程。组装方法的依据是： (1)各单元体在共同结点处的位移相等;(2)各结点所受 结点力平衡。据此原 则便可以形成表征整体结构的平衡方程：K q P 16。五、系统载荷与约束条件的处理我们知道，有限单元法的思想是结构的离散化，将整体结构分解成许多个单元，而每个单元之间是仅仅通过节点来连接的，所以，必须保证结构上荷载和应力按一定的原则分配到相应的结点上，其原则是作用在单元体上的各种力在虚位移上的虚功，和单元上的等效结点力的虚功都相等，常
45、称作虚功等效或静力等效。在求解结构的结点位移之前，还需根据结构系统的几何约束条件对系统的平衡方程加以适当的修改。六、求解结点位移和单元应力根据修改后的系统平衡方程组，通过计算机程序计算，便可解出结构中未知的结点位移，其具体的计算方法要根据问题的具体特点、方程组的线性与非线性等因素来选择。在求解出结点位移后，代入公式 Bq、 D Bqe e，便可得到单元内所求点的应变及应力值。3.2 ANSYS软件简介3.2.1概述ANSYS有限元分析软件是 现在世界工程分析中应用最多的软件，是多数有限元分析软件的基础平台。该软件是美国John Swanson 博士在1970年创建ANSYS18钢筋复合接头的疲
46、劳性能分析公司之后研发的，希望能够用计算机来模拟分析工程结构，为工程分析提供安全经济的检测分析，在经历了 30多年的研发和不断更新改进，目前已经得到广大的设计院、研究所及检测单位的青睐。ANSYS的计算能力跟计算机的 发展水平紧密联系，功能日趋完善，具有强大的前、后处理能力和求解能力。具体表现如下 17 ：能够用于不同领域、不同材料及多个领域耦合分析的研究，；带有多种求解器，满足不同分析问题和不同计算机硬件的要求；强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存式并行，是最早采用并行计算技术的FEA软件；既支持用户直接建模，又支持与其他CAD软件进行模型传递。分析领域广，如图3-1所示：图3-1AN
47、SYS 的分析领域3.2.2 ANSYS接触分析简介日常生活和常见的工程机械产品中的很多力学问题都是接触问题，例如鞋面与地面的接触、两块夹板拉动的接触、车轮和轮轨的接触及齿轮和链条的接触等。19钢筋复合接头的疲劳性能分析接触问题虽然非常的常见，但是却不易于分析解决，因为两个物体在接触界面上的相互作用不是简单的力学现象，其与诸多因素有关，能够造成构件的损伤失效以及破坏，工程上及机械产品的质量都跟构件的接触力学原理息息相关，因此，接触问题是有限元研究的重点之一 18 。（1）ANSYS的接触能力在接触问题的研究理论中，一般将接触分为两种基本类型：刚体-柔体的接触；柔体 -柔体的接触。而 ANSYS
48、接触分析模块里支持三种接触方式：点-点、点-面和面- 面接触 19 。有限元模型由离散化的单元组成，接触问题由接触对来实现，而一个接触对里包含了多个接触单元，接触单元分布在模型接触面的表面，不具有实际意义，该单元主要是ANSYS 软件用来定义接触对的一种设定参数。（2）点-点接触单元使用该单元可以模拟点-点的接触问题，这种单元的应用范围有限，并且约束条件较多，例如，需要先清楚接触的确切位置，而且这种接触单元只适用于接触面之间的相对滑动位移不大的情况。但是当两个接触面上的节点能够分别对应，没有产生相对滑动位移，或者产生的位移值非常小，能够忽略不计，且接触面只有很小的挠度时，则面-面的接触分析问题可以由点-点接触单元来替代分析。（3）点-面接触单元点-面接触 单元比点- 点接触单元有优势，应用面更加广。顾名思义，该单元可以模拟点-面的接触行为，使用这种单元可以不需要预先知道接触的位置，也没有要求接触面之间的划分的网格一一对应，节点更加不需要一致对应。而且可以有大变形和大的相对滑动。（4）面-面接触单元面-面接触 单元可以用于模拟 ANSYS 的刚-柔、柔- 柔的接触分析行为，刚性面被当作“目 标面” ，可以用 Target169来模拟 2D“ 目标” 及和用 Target170来模拟 3D“目 标” ；柔性体的表面被当作“接触面”，用来模拟的接触单元有Conta171(2D)、Con
