超強(qiáng)高韌性樹(shù)脂鋼絲網(wǎng)混凝土側(cè)面加固RC偏壓短柱受力性能有限元分析

楊 丁，蒲黔輝，謝宏偉，趙剛云，王一凡

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

超強(qiáng)高韌性樹(shù)脂鋼絲網(wǎng)混凝土(High Toughness Resin Concrete with Steel Mesh，簡(jiǎn)稱HTRCS)是一種以鋼絲網(wǎng)作為增韌體，環(huán)氧樹(shù)脂灌漿料作為基體組成的薄層結(jié)構(gòu)，具備強(qiáng)度高、粘結(jié)力強(qiáng)、硬化速度快、流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的鋼筋混凝土加固材料[1]。利用HTRCS加固技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)具有不明顯加大構(gòu)件截面與重量，加固效果顯著，加固方式靈活，能適用于各種加固形狀等特點(diǎn)，在土木工程結(jié)構(gòu)加固中具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1]。但是由于其材料的新穎性，到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)于其研究及應(yīng)用鮮有報(bào)道。本文利用非線性有限元對(duì)HTRCS加固RC偏壓柱的增強(qiáng)效果以及加固中的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，為HTRCS加固法在RC偏壓柱加固中的應(yīng)用提供了借鑒和參考。

1 模型基本信息

為降低“二階效應(yīng)”的影響，將計(jì)算模型設(shè)計(jì)為短柱。有限元分析模型混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，核心柱部分截面尺寸為180 mm×250 mm，縱向主筋采用HRB335級(jí)，環(huán)向箍筋采用HPB335級(jí)；加固層厚度20 mm，采用直徑2 mm高強(qiáng)鋼絲網(wǎng)，鋼絲網(wǎng)網(wǎng)格尺寸20 mm×20 mm；偏心距分別為0.6h和0.2h(h為跨中截面高度)。試件尺寸及配筋如圖1所示。計(jì)算柱分類情況詳見(jiàn)表1。

圖1 計(jì)算模型尺寸及配筋(單位：mm)

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS建立了有限元計(jì)算分析模型，其中混凝土與HTRCS、鋼筋與鋼絲網(wǎng)分別采用減縮積分實(shí)體單元C3D8R和桁架單元T3D2進(jìn)行分離式建模，按照坐標(biāo)輸入，創(chuàng)建三維模型(圖2)。

2.2 材料的本構(gòu)關(guān)系

本文混凝土選用塑性損傷模型，該模型能分別定義混凝土的受拉受壓本構(gòu)關(guān)系，并利用非關(guān)聯(lián)塑性流動(dòng)法則來(lái)描述混凝土不可恢復(fù)的變形，對(duì)混凝土剛度退化的模擬具有很強(qiáng)的適用性[2]。依據(jù)GB 50010-2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄C所建議選用的曲線關(guān)系式[3]，建立混凝土本構(gòu)模型；混凝土損傷因子確定時(shí)，根據(jù)文獻(xiàn)，在多種損傷因子計(jì)算方法的對(duì)比下，Najar損傷理論具有更高的精度和普適性[4]。本次建模采用Najar損傷理論計(jì)算損傷因子。圖3所示為混凝土和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。

表1 柱分類情況一覽

注：e為偏心距，t為加固層厚度(cm)，n為加固層鋼絲網(wǎng)層數(shù)，ρ為對(duì)應(yīng)加固層配筋率，w為預(yù)損傷程度。

(a) 加固構(gòu)件模型

(b) 構(gòu)件鋼筋模型

鋼筋采用理想彈塑性模型，對(duì)于沒(méi)有明顯屈服階段的鋼絲網(wǎng)，可取應(yīng)變?yōu)?.2 %時(shí)對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度為材料的屈服強(qiáng)度[5]；樹(shù)脂混凝土材料本構(gòu)采用5 d齡期實(shí)測(cè)本構(gòu)曲線。

2.3 接觸關(guān)系

在ABAQUS中由于無(wú)法自動(dòng)識(shí)別實(shí)體間的接觸問(wèn)題，故需要對(duì)彼此接觸的模塊進(jìn)行接觸定義。本次建模中鋼筋和鋼絲網(wǎng)采用“埋入(Embedded)”的方法分別與混凝土和HTRCS加固層內(nèi)部單元共同工作，不考慮彼此間粘結(jié)滑移。

2.4 邊界條件

為了防止混凝土柱加載端和約束端產(chǎn)生局部效應(yīng)，在柱兩端頭分別設(shè)置了20 mm厚的剛性墊板，并與原柱通過(guò)“綁定約束(tie)”形成整體。考慮到短柱受偏心荷載，需要充分釋放牛腿轉(zhuǎn)動(dòng)，在一端鋼塊偏心位置處切分一條直線只約束三個(gè)方向的平動(dòng)自由度；另一端通過(guò)單調(diào)豎向位移加載控制。

2.5 加載方式

本次建模共分為兩個(gè)分析步，利用ABAQUS求解模塊中的“model change”功能實(shí)現(xiàn)單元生死，控制HTRCS加固層是否參加工作，來(lái)模擬并計(jì)算單側(cè)加固RC偏壓柱的二次受力情況。在第一個(gè)分析步中把HTRCS部分的單元“殺死”，對(duì)裸柱加以初始預(yù)損傷對(duì)應(yīng)的外力；第二個(gè)分析步中激活HTRCS部分的單元，并利用“綁定約束(tie)” 同原柱形成整體，然后在加載端施以單調(diào)豎向位移荷載，直到構(gòu)件發(fā)生破壞。

(a) 混凝土本構(gòu)關(guān)系

(b)鋼筋本構(gòu)關(guān)系圖3 混凝土及鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.6 網(wǎng)格劃分

根據(jù)現(xiàn)有研究，將混凝土單元長(zhǎng)度劃分為骨料最大粒徑兩倍左右時(shí)計(jì)算結(jié)果比較合理，因此本次分析時(shí)選取ABAQUS軟件中自帶的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能將單元長(zhǎng)度劃分為20 mm[6]，有限元計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 有限元計(jì)算模型

3 有限元參數(shù)分析

通過(guò)非線性有限元分析HTRCS加固RC短柱偏心受壓性能的參數(shù)，從而探討當(dāng)偏心距、加固層鋼絲網(wǎng)層數(shù)以及預(yù)損傷程度變化時(shí)，結(jié)構(gòu)承載能力和延性的變化情況。

3.1 偏心距對(duì)加固效果的影響

圖5為在有無(wú)加固條件下不同偏心距的偏壓短柱荷載撓度關(guān)系曲線。對(duì)該圖進(jìn)行分析可知，偏心距為150 mm和50 mm偏壓柱的承載力分別增加了13.82 %和1.87 %；延性方面，采用HTRCS單側(cè)加固的情況下，偏心短柱的延性稍有下降，當(dāng)荷載達(dá)到極限承載力時(shí)，偏心距為150 mm和50 mm偏壓柱的最大撓度下降比例為13.14 %和6.08 %。分析其原因，在相同荷載條件下，偏心距50 mm的小偏壓短柱相對(duì)于偏心距150 mm的大偏壓短柱在加載初期主要呈現(xiàn)出的是受壓和膨脹狀態(tài)，到加載后期受拉側(cè)的拉應(yīng)變也相對(duì)較弱，因此造成HTRCS加固層利用率較低，進(jìn)而造成加固效果降低。

圖5 不同偏心距下的荷載撓度曲線

3.2 加固層鋼絲網(wǎng)層數(shù)對(duì)加固效果的影響

圖6為偏心距150 mm、無(wú)預(yù)先損傷的短柱在不同加固層鋼絲網(wǎng)層數(shù)下的荷載撓度曲線?？梢钥闯?，隨著加固層鋼絲網(wǎng)層數(shù)的增加，偏壓柱的極限承載能力呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，延性呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但是趨勢(shì)均是逐漸減緩的。各層數(shù)鋼絲網(wǎng)加固下的極限荷載、撓度以及相關(guān)變化情況見(jiàn)表2。

圖6 加固層鋼絲網(wǎng)不同層數(shù)下的荷載撓度曲線

3.3 預(yù)受損程度對(duì)加固效果的影響

圖7為偏心距150 mm、加固層一層鋼絲網(wǎng)的短柱在不同預(yù)損傷程度下的荷載撓度曲線?？梢钥闯?，對(duì)于無(wú)預(yù)先損傷、預(yù)損傷30 %、預(yù)損傷60 %和預(yù)損傷80 %偏壓柱的極限承載能力提高比例分別是14.26 %、13.42 %、10.72 %和9.42 %。隨著預(yù)損傷程度加大，加固效果逐漸降低。

4 結(jié)論

(1)利用HTRCS側(cè)面加固偏壓柱后，短柱的極限承載能力均有了相應(yīng)提高。

(2)采用HTRCS側(cè)面加固偏壓柱適合于大偏心受壓構(gòu)件，并且加固效果隨著偏心距的增大而增強(qiáng)。對(duì)應(yīng)小偏壓構(gòu)件，加載初期主要呈現(xiàn)出受壓和膨脹狀態(tài)，到加載后期構(gòu)件受拉側(cè)的拉應(yīng)變也相對(duì)較弱，因此造成HTRCS加固層利用率較低，此時(shí)不宜采用HTRCS進(jìn)行側(cè)面加固。

表2 加固層鋼絲網(wǎng)層數(shù)影響計(jì)算結(jié)果

注：Pu為極限承載能力(kN)，a為極限承載能力提高百分比，y為極限承載能力時(shí)對(duì)應(yīng)柱中撓度，b為對(duì)應(yīng)撓度提高百分比。

圖7 不同預(yù)受損程度下的荷載撓度曲線

(3)采用HTRCS側(cè)面加固偏壓短柱時(shí)，隨著加固層鋼絲網(wǎng)層數(shù)增多，偏壓柱極限承載能力呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，而延性卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但變化趨勢(shì)均是逐漸減緩的。

(4)預(yù)損傷程度對(duì)HTRCS側(cè)面加固偏壓柱的加固效果有較大影響；隨著預(yù)損傷程度加大，加固增強(qiáng)效果降低。