粘貼鋼板加固RC梁抗彎性能分析

李林果，宋力,樊成

(大連大學(xué)材料破壞力學(xué)數(shù)值試驗中心， 遼寧大連116622)

0 引言

梁底粘貼鋼板加固法是當前提高混凝土承載力構(gòu)件強度不足常用的一種方法，因可增加混凝土構(gòu)件抗彎剛度，改善其彎曲、剪切、拉伸性能，減少撓度，并抑制裂縫發(fā)展等優(yōu)點，現(xiàn)越來越被廣泛用于橋梁加固中。目前國內(nèi)外學(xué)者對粘貼鋼板加固RC梁正截面抗彎承載力進行理論分析、試驗和有限元模擬，取得很多成果。

楊建江等[1]研究加固前的抗力衰減模型和加固前后荷載分配，用可靠度對RC梁進行壽命預(yù)測。李凌志等[2]得出了RC梁抗彎剛度橫向滑移和橫向剪力傳遞計算方法。劉祖華等[3]根據(jù)彈性梁理論和截面假定，推導(dǎo)出鋼板與混凝土梁之間的粘結(jié)剪應(yīng)力與法向應(yīng)力的解析解以及鋼板拉應(yīng)力與加固梁撓度的解析解。WAIYIN等[4]發(fā)現(xiàn)嵌入式鋼板可以提高連梁強度和剛度；劉廷濱等[5]根據(jù)鋼板與RC梁之間變形協(xié)調(diào)條件和粘鋼加固RC梁截面平衡條件,推導(dǎo)鋼板拉力表達的粘鋼加固RC梁非線性微分方程。除此之外，還有許多待完善之處。

我國現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)加固技術(shù)規(guī)范》[6]僅在附錄中給出鋼板加固技術(shù)要求，已無法滿足快速發(fā)展的工程實際需要。本文結(jié)合試驗，對鋼板鋼板的層數(shù)、厚度、長度等因素對加固RC梁的破壞形式、開裂荷載、撓度等抗彎性能進行系統(tǒng)研究。

1 試驗概況

1.1 試驗梁設(shè)計

RC試驗梁截面尺寸為b×h=120 mm×200 mm，梁長為1 700 mm?；炷翉姸鹊燃墳镃30，保護層厚度為30 mm，配筋率為0.59 %，縱向受拉受壓鋼筋分別為HRB400的2Φ8、2Φ12，箍筋型號為HPB300，箍筋配置為Φ6@150 mm，試驗梁為適筋梁。實測混凝土立方體抗壓強度為fcu為37.84 MPa，試驗梁的幾何尺寸、具體參數(shù)以及配筋圖如圖1所示。

圖1 梁的配筋參數(shù)Fig.1 Reinforcement parameters of beam

1.2 材料性能

試驗鋼板由上海浩程金屬材料有限公司提供，其物理性能見表1。建筑結(jié)構(gòu)膠由上海灄口實業(yè)有限公司提供，其力學(xué)指標見表2。

表1 鋼板物理性能Tab.l Stainless steel plate physical properties

表 2 建筑結(jié)構(gòu)膠力學(xué)指標Tab.2 Structural plastics mechanical index

1.3 鋼板加固方案

研究不同鋼板層數(shù)對RC梁抗彎性能影響，BM-1為對比梁，BM-2、BM-3、BM-4分別為1、2、3層鋼板加固后的RC梁，相關(guān)方案見表3。

表3 鋼板加固方案Tab.3 Stainless steel reinforcement scheme

RC梁加固前，對梁底鋼板用打磨機打磨，越粗糙越好。之后清理底面，去除底表面浮漿，使混凝土石外露，形成粗糙面，表面不平處輕鑿整平，最后用清水沖洗干凈，待完全干燥后應(yīng)丙酮擦拭表面。自然風(fēng)干后，將不少于3 mm建筑結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹在RC梁底面，粘貼1層鋼板，粘貼好后立即用特制的U型夾具夾緊，使建筑結(jié)構(gòu)膠從鋼板邊緣擠出為準。粘貼多層鋼板重復(fù)上述步驟即可。梁加固后放置在試驗室養(yǎng)護5 d。

1.4 加載方法及數(shù)據(jù)采集

試驗采用大連大學(xué)建工學(xué)院的YJ-IID型結(jié)構(gòu)力學(xué)組合實驗裝置，三分點加載方式，手搖液壓式千斤頂施加荷載。圖2、3分別為試驗加載裝置示意圖和現(xiàn)場加載試驗圖。試驗采取兩點對稱加載，千斤頂提供壓力分配梁分配載荷，壓力傳感器測定相應(yīng)試驗參數(shù)。

圖 2 試驗梁加載示意
Fig.2 Test beam loading schematic

圖 3 現(xiàn)場鋼板加固梁試驗圖
Fig.3 Site steel reinforcementbeam test chart

試驗采用東華測試的DH3815N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)系統(tǒng)收集荷載、應(yīng)變、位移等試驗數(shù)據(jù)。包括：跨中截面應(yīng)變、實時荷載值、加載點、跨中位移等。

1.5 試驗結(jié)果及分析

加載過程中，梁BM-2、BM-3、BM-4都發(fā)出了啪啪聲響(鋼板與梁底混凝土產(chǎn)生滑移)。對比梁BM-1破壞為典型的適筋梁破壞情況。梁BM-2出現(xiàn)兩端鋼板剝落現(xiàn)象；梁BM-3跨中混凝土出現(xiàn)1.5 mm的裂縫，鋼板未脫落；梁BM-4加載時跨中混凝土裂縫同樣達到1.5 mm，受壓區(qū)混凝土壓碎，鋼板先從中間剝離并向兩端U型箍延伸。各組梁破壞形態(tài)如圖4所示。承載力試驗結(jié)果如表4所示，荷載—位移曲線如圖5所示。

(a) BM-1梁適筋破壞狀態(tài)

(b) BM-2鋼板端部剝離

(c) BM-3梁破壞狀態(tài)

(d) BM-4梁破壞狀態(tài)

圖 4 各組試驗梁的破壞狀態(tài)
Fig.4 Destruction status of test beams in each group

表 4 對比梁和鋼板加固梁試驗結(jié)果Tab.4 Contrast beam and steel reinforcement beam test results

表5 對比梁和鋼板加固梁有限元結(jié)果Tab.5 Contrast beam and steel plate reinforcement beam finite element results

圖5 試驗梁的荷載位移曲線Fig.5 Test beam load displacement curve

由表4、圖5試驗結(jié)果和表5有限元模擬對比得到：隨鋼板層數(shù)增加，梁抗彎承載力從小到大為：BM-1、BM-2、BM-3、BM-4，最大撓度從小到大為BM-1、BM-4、BM-3、BM-2。表明增加鋼板層數(shù)可以提高梁極限荷載值和屈服荷載值，且對提高極限荷載值更為明顯。存在最佳鋼板層數(shù)，當未達到最佳使層數(shù)時，梁的抗彎承載力會隨鋼板層數(shù)增加而增加；當超過最佳層數(shù)時，梁的抗彎承載力增加不明顯或基本不增加。同樣由圖5可知鋼板層數(shù)對撓度影響不大且無明顯規(guī)律。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

對加固梁進行有限元模擬且梁和鋼板選用分離式模型[7-9]，假定鋼板、鋼筋為理想線彈性和理想彈塑性材料，不考慮二者與混凝土之間粘結(jié)滑移?；炷敛捎肅3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元，鋼板采用S4R單元。混凝土結(jié)構(gòu)受拉、受壓本構(gòu)模型采用規(guī)范[10-12]中提供關(guān)系，如圖6、圖7分別為RC單軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線、鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線[13-14]。

圖6 混凝土單軸應(yīng)力—應(yīng)變曲線
Fig.6 Uniaxial stress-strain curve of concrete

圖7 鋼筋應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系
Fig.7 Steel stress-strain curve

模擬鋼板加固梁相互作用時，將鋼筋作為被嵌入體，嵌入混凝土中且鋼板綁定約束至混凝土，模型梁支座及加載點處均設(shè)置鋼墊塊，支座處鋼墊塊底部中線處添加鉸接約束，分別約束5個方向自由度(UR1=0，UR2=0，U1=0，U2=0，U3=0)和4個方向的自由度(UR1=0，UR2=0，U2=0，U3=0)。建立有限元模型如圖8(a)，根據(jù)文獻[15-17]，混凝土梁網(wǎng)格劃分為25 mm，且種子按邊布種。網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖8(b)所示。

(a) 梁有限元模型

(b) 梁網(wǎng)格劃分和種子布置

圖 8 梁模型有限元建立和網(wǎng)格劃分、種子布置
Fig.8 Beam model finite element establishment and meshing, seed placement

2.2 有限元模擬與試驗對比

圖9為有限元模擬和試驗的荷載—位移曲線對比分析，得出各組模型梁荷載—位移曲線整體趨勢與試驗結(jié)果基本吻合，且模型梁極限荷載、屈服荷載以及最大撓度值與試驗數(shù)據(jù)之間的誤差都在8 %以內(nèi)，驗證模型合理，且二者高度吻合。圖10為BM-1(對比梁)的受拉損傷云圖和主拉應(yīng)力云圖。

圖 9 有限元模擬與試驗荷載—位移曲線對比
Fig.9 Finite Element Simulation and Experimental Load-Displacement Curve Comparison

(a) BM-1受拉損傷云圖

(b) BM-1主拉應(yīng)力云圖

圖10 BM-1受拉損傷云圖、主拉應(yīng)力云圖
Fig.10 BM-1 concrete tensile damage cloud, main tensile stress cloud

2.3 影響因素分析

驗證試驗與有限元模擬結(jié)果，進一步深入分析配筋率、鋼板層數(shù)對梁加固效果影響。

2.3.1 配筋率因素

對比Φ10和Φ12鋼筋，取BN-1、BN-2和BO-1、BO-2四種模擬數(shù)據(jù)，表6為不同配筋率方案，有限元結(jié)果如圖11。

圖11 配筋率比較結(jié)果Fig.11 Comparison result of steel percentage

試件編號配筋率/%鋼板層數(shù)BN-10.630BN-20.860BO-10.632BO-20.862

圖11 有限元模擬得出：(1)對比BN-1與BN-2、BO-1與BO-2兩組，梁極限抗彎承載力從小到大為BO-2,BO-1,BN-2,BN-1;最大撓度從小到大為BN-2,BN-1,BO-2,BO-1。四種模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)梁BO-2極限荷載值相對BO-1提高程度比梁BN-2相對于BN-1更高，同樣最大撓度值也是梁BO-2相對BO-1減小程度高于BN-2相對BN-1。

2.3.2 鋼板長度因素

表7所列5類情況，有限元模擬結(jié)果如圖12所示。

圖12 鋼板加固長度結(jié)果Fig.12 Steel reinforcement length results

試件編號板長/mm板層數(shù)BP-11 1001BP-21 2001BP-31 3001BP-41 4001BP-51 5001

圖12模擬得出：增加相同長度鋼板，梁BP-4極限荷載值相對BP-5極限荷載值提高幅度最大，效果最明顯；鋼板長度達到1 300 mm后，其對RC梁極限荷載提高幅度減弱或不是很明顯；鋼板長度對撓度影響很小。

3 結(jié)論

①普通RC梁配筋率增加26.7 %，梁極限荷載增加11.4 %；相同鋼板層數(shù)下，RC梁配筋率增加26.7 %，梁極限荷載增加不明顯，僅有5.6 %。

②增加鋼板長度可以提高RC梁屈服和極限荷載，就本論文而言鋼板長度1 300 mm時最好，占總長的86.7 %，鋼板長度對撓度影響不大。

③鋼板加固層數(shù)、長度和配筋率影響因素中，鋼板層數(shù)的改變對RC梁抗彎性能影響最為顯著；僅粘貼一層鋼板梁屈服荷載提高33.83 %，極限荷載提高39.07 %。

④實際工程應(yīng)用中，應(yīng)從經(jīng)濟和適用性等方面綜合考慮最合理加固方案。