粘鋼法加固鋼筋混凝土柱的破壞機(jī)理研究

馬　沖

摘要：粘鋼加固法是一種技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的結(jié)構(gòu)加固方法，已經(jīng)廣泛運(yùn)用到受彎、受拉構(gòu)件的加固上。但是，目前對(duì)受壓構(gòu)件的加固尚缺乏理論和實(shí)踐依據(jù)。文章從試驗(yàn)和有限元兩個(gè)方面，探討了粘銅法加固鋼筋混凝土柱的破壞機(jī)理，為研究鋼筋混凝土柱的粘鋼加固設(shè)計(jì)理論打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：粘鋼法；鋼筋混凝土柱；破壞機(jī)理；加固方法；建模和網(wǎng)格劃分

中圖分類號(hào)：TU746

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-2374(2009)17-0017-02

粘鋼加固法是一種應(yīng)用廣泛且技術(shù)較為先進(jìn)的加固方法，它是在構(gòu)件表面用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼鋼板，以提高構(gòu)件的承載力。其在我國(guó)的研究起步較晚，通常是先應(yīng)用再研究，有些理論方面還存在著一定的空白。2006年9月，我國(guó)頒布了《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50367-2006)，標(biāo)志著我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)業(yè)走上了正軌。該規(guī)范詳細(xì)規(guī)定了粘鋼加固受彎、受拉構(gòu)件的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，但由于在粘鋼加固鋼筋混凝土柱領(lǐng)域理論和實(shí)踐的相對(duì)缺乏，規(guī)范中沒(méi)有粘鋼加固鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

本文從試驗(yàn)和有限元兩個(gè)方而對(duì)粘鋼法加固鋼筋混凝土柱的破壞機(jī)理進(jìn)行研究，以期為探討粘鋼加固鋼筋混凝土柱的設(shè)計(jì)理論打下基礎(chǔ)。

一、受壓試驗(yàn)和受力過(guò)程分析

(一)破壞試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用三根鋼筋混凝土短柱。具體如下：長(zhǎng)度200×200×650mm，混凝土等級(jí)為C30，縱向受力鋼筋為4φ16，箍筋為φ8@200；采用3mm厚Q235級(jí)鋼板焊接成鋼板套，灌漿加固。對(duì)三根試件進(jìn)行逐級(jí)加載，直至破壞。破壞時(shí)測(cè)得承載力見(jiàn)表1：

(二)破壞受力特性分析

封閉的鋼板套起到了“套箍”作用，約束了混凝土的側(cè)向應(yīng)變，當(dāng)在豎向荷載F的作用下，混凝土處于三向受壓狀態(tài)，強(qiáng)度提高很多；而鋼板強(qiáng)度大，不僅可以傳遞較大的荷載，而且直接承受豎向荷載；結(jié)構(gòu)膠在鋼板和混凝土間起到了傳遞水平擠壓力和界面剪力的作用，由于一般結(jié)構(gòu)膠厚度很小，承力能力有限.可以忽略其豎向承力作用。顯然，加固柱的豎向荷載主要由鋼板、鋼筋和混凝土三者共同承擔(dān)。

由于鋼板、鋼筋和混凝土之間粘結(jié)牢固，受力過(guò)程中共同變形，二者的壓應(yīng)變值相等。當(dāng)混凝土壓應(yīng)力達(dá)到三軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，混凝土被壓潰，外荷載全部轉(zhuǎn)由鋼板和鋼筋承擔(dān)。瞬間增大的壓應(yīng)力超出了鋼材的承載能力，致使加固柱破壞。

可見(jiàn)，混凝土三軸抗壓強(qiáng)度直接關(guān)系到加固柱的承載能力；鋼板的主要功能是約束混凝土的側(cè)向變形和承擔(dān)部分豎向荷載。

二、ANSYS有限元模擬分析

(一)建模和網(wǎng)格劃分

混凝土采用SOLID65單元，該單元可以很好地反映混凝土的材料性能，對(duì)材料進(jìn)行非線性處理，模擬混凝土的開(kāi)裂(三個(gè)正交方向)、壓碎、塑性變形及徐變；采用SOLID45單元模擬鋼-板，縱向受力鋼筋的面積換算道鋼板厚度中去。由于建筑結(jié)構(gòu)膠厚度小，承力能力有限，計(jì)算時(shí)忽略其厚度。

通過(guò)“合并接觸面節(jié)點(diǎn)”模擬鋼板和混凝土牢固粘結(jié)、無(wú)相對(duì)滑移。由于試件中混凝土的粗骨料為粒徑為25～40mm的礫石，網(wǎng)格尺寸劃分偏大些，為40mm；考慮鋼板網(wǎng)格劃分如果太細(xì)容易造成節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中、計(jì)算量增大和收斂困難，所以鋼板的網(wǎng)格尺寸為5mm，其實(shí)鋼原子的實(shí)際尺寸要比5mm小得多。

(二)非線性計(jì)算和后處理

由于外荷載為施加在構(gòu)件上表面的面荷載，集度為60；設(shè)置一個(gè)“荷載步”按“Ramped”模式(線性增長(zhǎng))持續(xù)加載；“荷載步”總時(shí)長(zhǎng)為0.2，“子步”時(shí)長(zhǎng)為0.02“子步”時(shí)長(zhǎng)可按計(jì)算需要進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。我們可以按上表面積算得外荷載終值為2492kN。

運(yùn)用ANSYS進(jìn)行非線性計(jì)算，當(dāng)計(jì)算進(jìn)行到0.14時(shí)，試件被壓壞,ANSYS計(jì)算結(jié)束。此時(shí)，外荷載值為2492×0.14÷0.2=1744KN，通過(guò)“后處理”程序輸出試件z和XY向的應(yīng)力云圖，分別如圖1、圖2、圖3、圖4所示：

三、對(duì)比分析

(一)試驗(yàn)結(jié)論分析

從表1中得出，A2柱破壞形態(tài)為“鋼套筒中部凸起”和A3柱為“鋼套筒焊縫開(kāi)裂”，均說(shuō)明加固柱外的鋼套筒承受了相當(dāng)大的側(cè)向力，橫向變形很大，而導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因就是混凝土被壓碎失去了對(duì)側(cè)向變形的約束能力，而對(duì)鋼板產(chǎn)生了很大的側(cè)向位移。因而，由于混凝土首先被壓壞才導(dǎo)致了加固柱的整體破壞，鋼板套隨著混凝土的變形而變形。A1柱的“柱頭局部壓碎”是由于受力不均而造成的，不具有代表性。

(二)有限元結(jié)論分析

1、從圖1和圖2可以算得，試件破壞時(shí)的荷載值為1744kN，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)有效值1753kN十分接近，說(shuō)明有限分析與試驗(yàn)結(jié)論吻合很好。

2、從圖3中可以看出，模型中部有一圈明顯的“應(yīng)力陡增線”，這正是試件受力的脆弱區(qū)，極容易發(fā)生破壞，與試件破壞位置和特征十分吻合。

3、從圖4可以看出，臨破壞時(shí)，試件的XY向應(yīng)力值在中部位置有向外“鼓凸”的現(xiàn)象；加固柱的核心混凝土已經(jīng)達(dá)到極限應(yīng)變，混凝土被壓潰，使得混凝土的橫向應(yīng)變陡然增加，對(duì)加固的鋼板也產(chǎn)生很大的向外擠壓力。

4、從圖1和圖2可以看出，模型上表面出現(xiàn)了“鋸齒”，不然分析得出鋸齒的位置就在鋼板和混凝土節(jié)點(diǎn)合并的位置。這是由于混凝土的彈性模型小于鋼板，在相等豎向荷載的作用下，混凝土的豎向應(yīng)變量要大于鋼板，從而導(dǎo)致了“鋸齒”圖，現(xiàn)實(shí)中，這種“鋸齒”是不會(huì)出現(xiàn)的。

四、結(jié)論

1、粘鋼加固鋼筋混凝土柱的破壞面不是發(fā)生在鋼一混粘結(jié)面，也不是發(fā)生在柱支座處。試驗(yàn)和有限元分析都表明：加固柱的破壞一般發(fā)生在柱的中部位置。

2、由于膠粘劑的作用，鋼板、鋼筋和混凝土之間粘結(jié)牢固，受力過(guò)程中共同變形，三者的壓應(yīng)變值相等。當(dāng)混凝土壓應(yīng)力達(dá)到三軸抗壓強(qiáng)度時(shí)，混凝土首先被壓潰，外荷載全部轉(zhuǎn)由鋼板和鋼筋承擔(dān)。瞬間增大的壓應(yīng)力超出了鋼材的承載能力，致使加固柱發(fā)生破壞。

3、混凝土三軸抗壓強(qiáng)度直接關(guān)系到加固柱的承載能力；鋼板的主要功能是約束混凝土的側(cè)向變形和承擔(dān)部分豎向荷載。

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作者簡(jiǎn)介：馬沖(1967-)，男，陜西西安人，西安市財(cái)政投資評(píng)審中心工程師，研究方向：工程項(xiàng)目評(píng)審、審計(jì)。