負(fù)載下軸心受壓鋼筋混凝土柱加固后的受力性能

金詩語, 白鐵鈞

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

隨著時(shí)間的推移,早期的鋼結(jié)構(gòu)建筑物已經(jīng)進(jìn)入“老齡”階段.由于人類生產(chǎn)和生活需求,對建筑物的要求也隨之提高,過去建造的建筑物在經(jīng)過數(shù)十年的使用后已經(jīng)不能滿足使用要求,昂貴的拆遷費(fèi)讓人們不得不注重建筑物加固的重要性.鋼結(jié)構(gòu)的加固方法有很多,根據(jù)加固的對象不同,可以分為對鋼構(gòu)件的加固、連接處和節(jié)點(diǎn)的加固、裂縫的修復(fù)和加固等[1].在鋼構(gòu)件的加固中,增大截面法是最傳統(tǒng)、最實(shí)用的方法,當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)建筑不能繼續(xù)使用或者承載力不足時(shí),可以采用增大截面的方法,如外包混凝土、粘結(jié)碳纖維布、焊接鋼板等進(jìn)行加固[2].然而這些加固方法都不能改善鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨的防火和防腐蝕兩大問題,這時(shí),對已有負(fù)載的鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行外包鋼筋混凝土加固就顯得尤為重要[3].與現(xiàn)階段國內(nèi)外關(guān)于負(fù)載鋼結(jié)構(gòu)加固的焊接加固法和粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固法[4]相比,外包鋼筋混凝土加固負(fù)載鋼的結(jié)構(gòu)研究表現(xiàn)出明顯的不足.國內(nèi)外學(xué)者對外包鋼筋混凝土加固技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,并取得了一些成果,但同時(shí)也存在一定問題.鋼筋混凝土柱的加固方法有很多,外包角鋼軸心受壓柱加固方式的優(yōu)點(diǎn)是能顯著提高承載能力,改善截面的剛度和延性,限制原構(gòu)件撓度的過快增長,同時(shí)基本不增加構(gòu)件的重量,不改變原設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)體系,施工簡單,現(xiàn)場工作量小[5].通過改變不同應(yīng)力水平的外包角鋼軸心受壓混凝土柱的角鋼截面尺寸對受力性能進(jìn)行研究,結(jié)果表明,外包角鋼軸心受壓柱在不同應(yīng)力水平加固后的強(qiáng)度與變形均有一定的變化.

1 外包鋼加固結(jié)構(gòu)的受力特征分析

1.1 加固前的受力分析

加固前原結(jié)構(gòu)已經(jīng)受力,具有一定的應(yīng)力-應(yīng)變水平,此為第一次受力.加固后,再施加載荷,屬于第二次受力,此時(shí)由角鋼和原結(jié)構(gòu)構(gòu)成受力整體,共同承擔(dān)新增載荷力.

對角鋼加載,角鋼開始承受載荷力,當(dāng)鋼筋混凝土達(dá)到極限狀態(tài)時(shí),角鋼的應(yīng)力-應(yīng)變還未達(dá)到自身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,這與角鋼應(yīng)變值與鋼筋混凝土柱的初始應(yīng)力水平有關(guān).

1.2 加固后整體結(jié)構(gòu)的受力分析

當(dāng)角鋼受到應(yīng)力作用時(shí),尤其是角鋼接近極限狀態(tài)時(shí),接頭表面會(huì)呈現(xiàn)拉伸、彎曲、剪切等復(fù)雜應(yīng)力,特別是構(gòu)件在受彎或者受壓時(shí)的剪應(yīng)力是相當(dāng)大的.加固后新舊兩部分系統(tǒng)工作的關(guān)鍵是連接面能在形變不大的情況下很好地傳輸與承受此類應(yīng)力,結(jié)合面能否有效地傳遞力的作用主要是取決于剪力和拉力的傳遞.混凝土接頭表面的抗剪強(qiáng)度通常不滿足拉伸和剪切的要求[6],因此接頭表面的應(yīng)力特性是非常薄弱的環(huán)節(jié).

1.3 加固后結(jié)構(gòu)的基本假設(shè)

加固后,影響新的整體組合構(gòu)件承載力因素有構(gòu)件的材料、受力之后造成的形變值、與原結(jié)構(gòu)的應(yīng)力之差.影響因素明確后,加固構(gòu)件的承載力才可以通過分析的方法求解,做出以下基本假設(shè),并進(jìn)行分析.

(1) 加固后, 新加角鋼和原結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)一致, 各截面所受軸力相同, 變形符合平截面假定.

(2) 當(dāng)混凝土受壓時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈曲線型和直線型時(shí),按照式(1)計(jì)算.

(1)

式中:fc為混凝土的抗壓強(qiáng)度;ε0為混凝土強(qiáng)度剛好為fc的壓應(yīng)變;εcu為混凝土最大壓應(yīng)變.

(3) 以截面的變形為基礎(chǔ),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力滿足以下條件:當(dāng)原混凝土的情況下或加固后混凝土壓應(yīng)變達(dá)到最大變形時(shí);在原鋼筋的情況下或受壓變形后達(dá)到鋼筋極限變形時(shí);在混凝土達(dá)到極限變形值Ec與鋼筋的極限變形值Ea時(shí),其中Ec取0.002,Ea取0.003 3[5].

2 試驗(yàn)的設(shè)計(jì)及分析

2.1 構(gòu)件尺寸及材料

(1) 混凝土柱的截面尺寸為120 mm×120 mm,混凝土采用C25強(qiáng)度等級(jí),特性如表1.

表1 混凝土性能指標(biāo)Table 1 Mechanical properties of concrete

使用∟30×30×3 和∟25×25×2兩類Q235角鋼,角鋼的性能指標(biāo)見表2.鋼筋采用Φ10一級(jí)工字形鋼,箍筋采用Φ8一級(jí)鋼,縱筋采用Φ12一級(jí)鋼.

表2 角鋼力學(xué)性能指標(biāo)Table 2 Mechanical properties of angle steel

2.2 不包角鋼的混凝土柱軸心受壓的承載力計(jì)算

依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行剖析,在實(shí)施抗壓承載能力解答的過程中,鋼筋混凝土的抗壓強(qiáng)度大小取fc,同時(shí)考慮穩(wěn)定系數(shù)φ的影響,根據(jù)內(nèi)外力的平衡原理,得到混凝土柱軸心受壓承載力的計(jì)算方法(式(2)).

(2)

本文使用了3根混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表3,試驗(yàn)采用取平均值的方法減小誤差,平均極限承載力為320 kN.應(yīng)變和載荷的關(guān)系如圖1所示.

表3 未加固結(jié)構(gòu)的極限承載力

圖1 未加固結(jié)構(gòu)荷載與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線

從圖1中能夠得出在混凝土柱發(fā)生裂痕之前,也就是載荷未達(dá)到188.5 kN時(shí),柱中與柱頭的應(yīng)變情況相同.破壞情況與文獻(xiàn)[7]相同,都是在柱頭發(fā)生破壞,所以混凝土柱的柱頭開裂后,應(yīng)變值將提升得很迅速.

在負(fù)載未達(dá)到125 kN時(shí),載荷-應(yīng)變具有線性關(guān)系,混凝土依舊處于線彈性過程.伴隨載荷的提升,應(yīng)變持續(xù)變大,應(yīng)變的提升速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于載荷的提升速率,應(yīng)力-應(yīng)變圖形則出現(xiàn)曲線的關(guān)系.

2.3 不同應(yīng)力水平下包鋼的混凝土軸心受壓試驗(yàn)

本次共15組試件,初始應(yīng)力水平分別在最大負(fù)載的0、30%、50%、70%、80%的持載狀況下進(jìn)行穩(wěn)壓包鋼.建立有限元計(jì)算模型,計(jì)算結(jié)果見表4.用角鋼箍在混凝土柱的上下兩端分別布置1道箍筋,在距離上下兩端100 mm處再布置1道箍筋,中間每隔200 mm放1道箍筋,角鋼和混凝土柱中間用環(huán)氧樹脂粘在一起,如圖2.

表4 加固結(jié)構(gòu)的極限承載力Table 4 Ultimate bearing capacity of the reinforced structure

圖2 加固柱的ABAQUS模擬模型Fig.2 ABAQUS simulation model of reinforced columns

圖3為加固柱的應(yīng)力分析圖,加上載荷,得到加固柱的受力變形情況如圖4,通過有限元計(jì)算結(jié)果繪制應(yīng)力水平為50%和70%的曲線圖,如圖5、圖6.

圖3 加固柱的應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress distribution diagram of reinforced columns

通過改變應(yīng)力水平和角鋼截面面積,用ABAQUS計(jì)算模擬,得出加固結(jié)構(gòu)的極限承載力,與加固前極限承載力進(jìn)行比較得出極限承載力的提高率,如表4.

由表4可知,與未包鋼的混凝土柱相比,包鋼后的混凝土柱的極限承載力明顯增大.

圖4 加固柱的受力變形Fig.4 Stress and deformation of reinforced columns

圖5 應(yīng)力水平50%時(shí)載荷與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線

圖6 應(yīng)力水平70%時(shí)載荷與縱向應(yīng)變關(guān)系曲線

在相同的混凝土應(yīng)力水平下,當(dāng)角鋼遭到破壞時(shí),角鋼的應(yīng)變值要比截面為∟25×25×2的應(yīng)變值小得多.

3 軸心受壓的承載力計(jì)算

根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì),對于外包角鋼軸心受壓的承載力可以按照式(3)計(jì)算.

(3)

當(dāng)加固柱未達(dá)到自身的設(shè)計(jì)強(qiáng)度而受到破壞時(shí),角鋼的應(yīng)力σs取決于混凝土柱的極限壓應(yīng)變值εc0與加固前混凝土柱的壓應(yīng)變值εc的差值Δεc=εc0-εc,差值越大,σs越大,角鋼破壞時(shí)的應(yīng)力與加固前混凝土柱的應(yīng)力水平直接相關(guān).所以角鋼的應(yīng)力為

σs=(εc0-εc)Es.

(4)

強(qiáng)度利用系數(shù)為

αs=(εc0-εc)Es/fsk.

(5)

式中,fsk為角鋼的抗壓強(qiáng)度.

通過有限元的計(jì)算模擬結(jié)果和已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析,當(dāng)應(yīng)力水平≤30%時(shí),αs取值為0.9;當(dāng)應(yīng)力水平在30%～50%之間的取值為0.8;當(dāng)應(yīng)力水平>50%時(shí),取值為0.75.為了驗(yàn)證本文的計(jì)算公式,選取不同應(yīng)力水平和不同角鋼截面尺寸進(jìn)行驗(yàn)算,相對誤差沒有超過10%,表明角鋼強(qiáng)度利用系數(shù)αs取值是合理的.

4 結(jié) 論

本文通過對構(gòu)件的加固分析和在不同應(yīng)力水平下的鋼筋混凝土軸心受壓模擬試驗(yàn),得出了以下結(jié)論:

(1) 影響承載力的因素有加固前原構(gòu)件的混凝土應(yīng)力水平和角鋼截面面積.隨著混凝土的初始應(yīng)力水平的增加,極限承載力的提高幅度隨之減小;隨著角鋼截面面積的增加,極限承載力增加.

(2) 根據(jù)已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)和ABAQUS模擬分析驗(yàn)證,給出合理的角鋼強(qiáng)度利用系數(shù)αs.

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