鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁受力性能研究

邢國(guó)華，謝鵬宇，宋啟璽，劉伯權(quán)，吳　濤

(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安　710061)

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鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁受力性能研究

邢國(guó)華，謝鵬宇，宋啟璽，劉伯權(quán)，吳濤

(長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，西安710061)

鋁合金具有輕質(zhì)高強(qiáng)、延性好、低溫脆斷敏感性小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，可用于侵蝕環(huán)境及寒冷環(huán)境下結(jié)構(gòu)體外預(yù)應(yīng)力加固工程。本文對(duì)鋁合金筋的材料性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，建立了鋁合金筋本構(gòu)關(guān)系模型，應(yīng)用有限元程序ANSYS對(duì)既有體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的受力過(guò)程進(jìn)行模擬分析，通過(guò)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析驗(yàn)證了有限元分析模型的合理性。根據(jù)等截面原則和等強(qiáng)度原則，應(yīng)用鋁合金筋分別替換既有混凝土梁的體外預(yù)應(yīng)力筋，對(duì)其進(jìn)行有限元分析。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁相比，采用等截面原則加固后的鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁，可以在適當(dāng)提高延性的基礎(chǔ)上，部分提高混凝土梁的承載能力；采用等強(qiáng)度原則加固后的鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁，可同時(shí)顯著提高混凝土梁的承載能力和延性。

體外預(yù)應(yīng)力； 鋁合金； 混凝土梁； 加固； 有限元分析

1　引　言

建筑結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，由于建筑材料被環(huán)境腐蝕、受到外力破壞、自然災(zāi)害等因素的影響，使其使用功能和可靠性降低，或原有結(jié)構(gòu)使用功能的改變致使其無(wú)法滿足正常的使用條件，因此，需要對(duì)這些在役建筑物進(jìn)行維修加固以及改造。其中，體外預(yù)應(yīng)力加固是目前我國(guó)較普遍采用的結(jié)構(gòu)加固方法之一，可以提高受力構(gòu)件的承載力、剛度和抗裂性能[1-3]。此外，體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)在橋梁工程的加固和補(bǔ)強(qiáng)中獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[4,5]。但是傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力筋如鋼絞線、鋼絲等是非延性金屬材料，相應(yīng)地傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力筋加固混凝土梁的破壞往往是脆性破壞，無(wú)任何明顯征兆，對(duì)于抗震結(jié)構(gòu)存在一定的安全隱患。本文在對(duì)鋁合金筋材料性能試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，應(yīng)用有限元程序?qū)︿X合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的受力性能進(jìn)行研究，分析了鋁合金筋應(yīng)用于混凝土構(gòu)件體外加固的基本性能，為鋁合金筋在土木工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

2　鋁合金筋材料性能

圖1　鋁合金筋受拉破壞Fig.1　Failure of aluminum alloy bars under tension(a)diameter 6 mm;(b)diameter 8 mm

鋁合金結(jié)構(gòu)具有自重輕、耐腐蝕、外觀效果好、建成之后無(wú)需維護(hù)等系列優(yōu)點(diǎn)，在侵蝕環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)中有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)鋼筋、鋼絞線及FRP筋相比，鋁合金在材料力學(xué)性能以及物理特性上存在明顯差異，如表1所示[6-12]。同時(shí)，鋁合金在低溫環(huán)境中的強(qiáng)度和延性不會(huì)降低，且脆性斷裂敏感性小于鋼材，因此不規(guī)定臨界溫度。

目前全世界已正式注冊(cè)的鋁合金達(dá)千種以上，常用的約450種，其中6061-T6鋁合金具有自重輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、低溫韌性好、易于維護(hù)、便于回收利用等優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)6061-T6鋁合金進(jìn)行了材料性能拉伸試驗(yàn)，分析其應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系曲線和物理力學(xué)性能指標(biāo)如非比例延伸強(qiáng)度f(wàn)0.2、抗拉強(qiáng)度f(wàn)u、彈性模量E等。鋁合金筋的受拉頸縮破壞，如圖1所示。

表1　鋁合金與鋼筋、鋼絞線、FRP筋的性能對(duì)比

注： N/A表示不適用；表中數(shù)據(jù)主要來(lái)源于文獻(xiàn)[6]、[8]、[9]，鋁合金數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[10]；熱膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)來(lái)源于我國(guó)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范[11]，其中FRP筋軸向膨脹系數(shù)與橫向膨脹系數(shù)差異極大，軸向膨脹系數(shù)在前；強(qiáng)重比根據(jù)文獻(xiàn)[12]建議強(qiáng)度選取屈服強(qiáng)度；成本系數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)[12]，用于工程造價(jià)初步估算。

鋁合金筋試件的物理力學(xué)性能的實(shí)測(cè)值如表2所示。由于鋁合金的強(qiáng)屈比較小，材料的安全儲(chǔ)備相對(duì)較低。對(duì)于處于正常工作狀態(tài)或合理設(shè)計(jì)的鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件，其最大應(yīng)變一般不宜大于1%。因此，本文在建立鋁合金筋本構(gòu)關(guān)系時(shí)其應(yīng)變區(qū)間取為0～1%。

表2　鋁合金實(shí)測(cè)物理力學(xué)性能指標(biāo)

Ramberg-Osgood模型在金屬結(jié)構(gòu)的本構(gòu)關(guān)系研究中得到了廣泛應(yīng)用，建議鋁合金筋采用修正的Ramberg-Osgood模型([13]：

(1)

圖2給出了鋁合金筋的應(yīng)力-應(yīng)變實(shí)測(cè)曲線和理論曲線的對(duì)比情況。從圖中可以看出，理論曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好。因此，式(1)可作為鋁合金本構(gòu)關(guān)系模型，用于體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的計(jì)算分析。

圖2　鋁合金筋本構(gòu)關(guān)系曲線對(duì)比Fig.2　Comparison on stress strain curves of aluminum alloy bars(a)diameter 6 mm;(b)diameter 8 mm

3　體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁有限元分析

3.1模型建立

3.1.1基本假定

在ANSYS有限元分析中采用了如下假定:(l)在受力過(guò)程中，鋁合金筋的應(yīng)變與鋼筋、混凝土的應(yīng)變滿足變形協(xié)調(diào)原理；(2)鋼筋與混凝土、鋁合金筋與混凝土間有足夠好的粘結(jié)，無(wú)相對(duì)滑移；(3)梁在加固前后的抗剪承載力足夠；(4)忽略混凝土抗拉強(qiáng)度。

3.1.2單元類型

混凝土材料用SOLID65單元模擬，普通受拉、受壓鋼筋以及箍筋用兩節(jié)點(diǎn)的LINK8單元模擬。體外預(yù)應(yīng)力筋單元用LINK10單元模擬。同時(shí)為了防止應(yīng)力集中，混凝土突然破壞導(dǎo)致求解發(fā)散，在加載點(diǎn)、支座、預(yù)應(yīng)力錨固處放置鋼板，并用三維實(shí)體單元SOLID45模擬，在建立有限元模型時(shí)，采用線彈性模型，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。

3.1.3分析模型

共建立4根混凝土模型梁，包括一根對(duì)比簡(jiǎn)支梁PL1、一根消除應(yīng)力鋼絲體外預(yù)應(yīng)力加固梁PL2和兩根鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固梁LL3和LL4。其中，梁LL3與梁PL2的預(yù)應(yīng)力筋面積相等，梁LL4是在梁PL2基礎(chǔ)上根據(jù)預(yù)應(yīng)力筋等強(qiáng)度替換原則得到的混凝土梁。

混凝土梁截面為150 mm×350 mm，跨度為4000 mm；非預(yù)應(yīng)力筋混凝土梁PL1上部截面配筋為2φ10，下部截面配筋為2φ16；梁PL2的預(yù)應(yīng)力筋為4φP5，梁LL3的預(yù)應(yīng)力筋為2φ8，梁LL4的預(yù)應(yīng)力筋為12φ6；轉(zhuǎn)向塊直徑均為φ18。

有限元模型網(wǎng)格劃分中，混凝土單元沿跨梁長(zhǎng)方向尺寸為50 mm，梁寬度和梁高度方向分別為25 mm；普通受壓、受拉鋼筋沿梁長(zhǎng)度方向尺寸為50 mm；箍筋尺寸為25 mm，與混凝土單元在相應(yīng)位置保持一致。

3.1.4材料參數(shù)

圖3　體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁有限元模型Fig.3　Finite element model of concrete beam strengthened by external prestressing

混凝土泊松比為0.2，彈性模量為2.8×104N/mm2，極限抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=16.7 N/mm2。普通鋼筋泊松比為0.3，彈性模量為2.0×105N/mm2，箍筋屈服強(qiáng)度f(wàn)y=300 N/mm2，縱筋鋼筋屈服強(qiáng)度f(wàn)y=381 N/mm2。體外預(yù)應(yīng)力筋：消除應(yīng)力鋼絲的泊松比為0.2，彈性模量為1.95×105N/mm2，屈服強(qiáng)度f(wàn)y=1887 N/mm2；鋁合金筋的參數(shù)見(jiàn)表2。

建立的體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁有限元模型如圖3所示。

3.2模型驗(yàn)證

在有限元模型計(jì)算分析中，荷載值取混凝土梁兩端支座豎向反力，撓度取混凝土梁跨中撓度。梁PL1的荷載-跨中撓度曲線如圖4所示。梁PL2首先對(duì)普通混凝土簡(jiǎn)支梁加載至40 kN，待穩(wěn)定后，分級(jí)張拉消除應(yīng)力鋼絲至σcon=950 MPa，然后繼續(xù)加載直至混凝土梁破壞。梁PL2的荷載-跨中撓度曲線如圖5所示。

圖4　梁PL1的荷載-跨中撓度曲線Fig.4　Load-mid span deflection curves of PL1

圖5　梁PL2的荷載-跨中撓度曲線Fig.5　Load-mid span deflection curves of PL2

由圖4可知，對(duì)比梁PL1進(jìn)入破壞階段后，隨著荷載的增大，跨中撓度急劇增大，最終因混凝土壓潰而發(fā)生破壞，計(jì)算終止。因此，對(duì)比梁PL1的跨中撓度和計(jì)算結(jié)果在破壞時(shí)存在較大差距，但在彈性階段和彈塑性階段計(jì)算值和試驗(yàn)值較為吻合。

由圖5可知，消除應(yīng)力鋼絲體外預(yù)應(yīng)力加固梁PL2破壞時(shí)，底部受拉鋼筋沒(méi)有其達(dá)到屈服，體外預(yù)應(yīng)力筋也沒(méi)有到達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此計(jì)算結(jié)果偏高，但整體上有限元計(jì)算的極限承載力和跨中撓度與試驗(yàn)較為吻合，誤差較小。

綜上所述，對(duì)比梁PL1和體外預(yù)應(yīng)力加固梁PL2的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明本文建立的有限元模型、選用的材料參數(shù)可以較好的模擬體外預(yù)應(yīng)力加固梁的受力全過(guò)程。

3.3計(jì)算結(jié)果分析

梁LL3和LL4為采用鋁合金體外預(yù)應(yīng)力筋加固的混凝土梁。首先對(duì)普通混凝土簡(jiǎn)支梁加載至40 kN，待穩(wěn)定后，分級(jí)張拉預(yù)應(yīng)力鋁合金至σcon=200 MPa，然后繼續(xù)加載直至混凝土梁破壞。梁LL3、LL4與試驗(yàn)梁PL1和PL2的荷載-跨中撓度曲線對(duì)比情況，分別如圖6和7所示。

由圖6可知，相對(duì)于消除應(yīng)力鋼絲體外預(yù)應(yīng)力加固，用同等截面面積的鋁合金筋加固混凝土梁，可以部分提高混凝土梁的極限承載力，混凝土受拉鋼筋和鋁合金筋的材料有效利用率較高。加固時(shí)，鋁合金筋對(duì)跨中撓度的減小作用不明顯，但在破壞階段混凝土梁的延性得到提高；從圖7可以看出，相對(duì)于消除應(yīng)力鋼絲體外預(yù)應(yīng)力加固，用同等強(qiáng)度的鋁合金筋加固混凝土梁，可以顯著提高混凝土梁的極限承載力，混凝土受拉鋼筋和鋁合金筋的材料有效利用率也有所提高。加固時(shí)，鋁合金筋對(duì)跨中撓度的減小作用不明顯，但在破壞階段混凝土梁的延性得到顯著提高。

圖6　LL3與PL1和PL2的荷載-跨中撓度曲線對(duì)比Fig.6　Comparison of load-mid span deflection curves between LL3, PL1 and PL2

圖7　LL4與PL1和PL2的荷載-跨中撓度曲線對(duì)比Fig.7　Comparison of load-mid span deflection curves between LL4, PL1 and PL2

因此，用同等截面面積的鋁合金筋加固混凝土梁對(duì)極限承載力的提高要小于消除應(yīng)力鋼絲，但鋁合金加固之后，可以提高混凝土梁的延性，同時(shí)部分提高混凝土梁的承載力。若用同等強(qiáng)度的鋁合金加固混凝土梁，混凝土梁的承載力和延性會(huì)顯著增加。在應(yīng)用于實(shí)際工程中時(shí)，若合理采用鋁合金用量，可以達(dá)到預(yù)期的加固效果。同時(shí)，鋁合金具有自重輕、耐腐蝕、比強(qiáng)度高、建成之后不需要維護(hù)，并且低溫環(huán)境下力學(xué)性能穩(wěn)定等一系列優(yōu)點(diǎn)，在侵蝕環(huán)境下的工程結(jié)構(gòu)中有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。因此，鋁合金是一種較為理想的體外預(yù)應(yīng)力加固材料。

4　結(jié)　論

(1)鋁合金筋在拉斷之前有顯著的變形階段，存在準(zhǔn)屈服平臺(tái)，有別傳統(tǒng)預(yù)應(yīng)力筋材料如鋼絞線、消除應(yīng)力鋼絲等，以鋁合金為主要受力材料的結(jié)構(gòu)破壞時(shí)延性較大;

(2)本文建立的ANSYS有限元分析模型，較好地模擬了體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁的受力全過(guò)程，可以對(duì)鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁進(jìn)行全過(guò)程的受力分析;

(3)相比體外預(yù)應(yīng)力消除應(yīng)力鋼絲加固，用同等截面面積的鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁對(duì)極限承載力的提高有限，但采用鋁合金筋加固后，可以改善混凝土加固梁的變形性能，提高混凝土梁的延性;

(4)相比體外預(yù)應(yīng)力消除應(yīng)力鋼絲加固，用同等強(qiáng)度的鋁合金筋體外預(yù)應(yīng)力加固混凝土梁，可以大幅提高混凝土梁的承載能力，同時(shí)混凝土梁的延性也會(huì)得到顯著提高。

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Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened by External Prestressed Aluminum Alloy Bars

XINGGuo-hua,XIEPeng-yu,SONGQi-xi,LIUBo-quan,WUTao

(School of Civil Engineering,Chang'an University,Xi'an 710061,China)

The aluminum alloy has many advantages, such as the light quality with high strength, low susceptibility in low temperature, and corrosion resistance. It can be used for structural external prestressing engineering in erosion and cold temperature environments. Drawing the mechanical properties of aluminum alloy material by the material performance testing of aluminum alloy bars. Using ANSYS to analyze the loading process of the concrete beam which is reinforced by external prestressing tendons. Compared the calculation results with the experiment results, and the finite element analysis model is verified to be reasonable. Then, replacing the external prestressed tendons of the concrete beam by aluminum alloy bars with the principle of equal section and equalling strength, analyzing this by finite element method. The result shows that compared with the traditional reinforced concrete beams strengthened by prestressed aluminum alloy, using the principle of equal section strengthing reinforced concrete beams strengthened by prestressed aluminum alloy, its bearing capacity will be improved partly based on properly increasing its ductility. If using the same strength of the aluminum alloy strengthen the concrete beam, the bearing capacity and the ductility of concrete beams can be improved significantly.

external prestressing;aluminum alloy;concrete beam;strengthening;finite element analysis

國(guó)家自然科學(xué)基金(51108032)；陜西省建設(shè)科技計(jì)劃；中央高校科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)(310828152017,310828163410)

邢國(guó)華(1983-)，男，博士,副教授.主要從事在役混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能方面的研究.

TU378

A

1001-1625(2016)03-0831-06