外包鋼加固截面削弱柱受力性能研究

林識(shí)棟, 朱 華, 周 安

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009;2.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031)

0 引 言

外包鋼加固法施工便捷、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量小、可大幅加固構(gòu)件的承載能力，被廣泛應(yīng)用于鋼筋混凝土柱的加固工程中[1]。外包型鋼在受力過程中與混凝土柱共同工作、協(xié)同變形，并通過外包鋼骨架對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)，約束混凝土的側(cè)向變形，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，進(jìn)而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

近年來，國內(nèi)學(xué)者針對(duì)外包鋼加固柱的受力性能進(jìn)行了研究[2,3]，但多針對(duì)于未受削弱的完整混凝土柱。在實(shí)際工程中常會(huì)遇到因打孔植筋造成柱截面削弱、柱身出現(xiàn)承載力不足需要進(jìn)行外包鋼加固的情況，設(shè)計(jì)方對(duì)削弱柱的實(shí)際加固效果并沒有定量的認(rèn)識(shí)，一般多憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文利用ABAQUS有限元軟件建立加固截面削弱柱數(shù)值模型，對(duì)其受力性能進(jìn)行分析研究。

1 加固設(shè)計(jì)方案

1.1 工程背景

淮河路步行街騰百商場(chǎng)在進(jìn)行錯(cuò)層改造工程中將現(xiàn)梁板整體拆除后，在梁板上方1.2 m位置重新進(jìn)行梁板支模澆筑。由于待澆梁板的植筋需要，工人們?cè)谥龛彸龆鄠€(gè)貫穿孔洞，造成柱有效截面大大削弱，嚴(yán)重部位削弱程度可以達(dá)到20%。設(shè)計(jì)方擔(dān)心在施工過程中因工人操作不當(dāng)或構(gòu)件自身承載力不足，而出現(xiàn)截面削弱柱大變形甚至倒塌的情況,為了保證結(jié)構(gòu)安全性，選用外包鋼加固法對(duì)截面削弱柱進(jìn)行加固。為了研究截面削弱柱的實(shí)際加固效果，本文研究課題在此基礎(chǔ)上提出，具體改造示意圖如圖1所示。

圖1 改造示意圖

1.2 加固設(shè)計(jì)方案

使用外包鋼對(duì)截面削弱混凝土柱加固前，應(yīng)先對(duì)混凝土表面進(jìn)行打磨和找平處理，缺陷處使用找平砂漿填充[4]。然后將L100×10的角鋼包裹在柱四角，角鋼與混凝土之間的空隙用結(jié)構(gòu)膠填充。綴板選用50×10的條形鋼板與角鋼三面圍焊，綴板間距為200 mm。打孔區(qū)域內(nèi)因后期需要植筋支模，不使用綴板進(jìn)行連接。綴板焊接完成后，使用結(jié)構(gòu)膠將綴板與混凝土之間的縫隙填實(shí)，并用水泥砂漿做封邊處理。

2 外包鋼加固截面削弱柱模型建立

2.1 材料參數(shù)

利用ABAQUS有限元分析軟件，建立500 mm×500 mm×2 500 mm的柱模型，縱筋直徑18 mm，總計(jì)8根，箍筋為間距200 mm的8 mm鋼筋。具體材料參數(shù)見表1、表2。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼材材料參數(shù)

2.2 截面削弱操作

使用Part模塊中的切削功能對(duì)柱部件進(jìn)行削弱截面操作。主梁方向總計(jì)切削8個(gè)植筋孔，上下3排；次梁方向總計(jì)6個(gè)植筋孔，上下2排。進(jìn)行打孔操作時(shí)應(yīng)注意對(duì)內(nèi)部鋼筋的避讓，鋼筋外露會(huì)造成計(jì)算中斷。打孔完成后應(yīng)對(duì)打孔部分分割處理，以保證后續(xù)網(wǎng)格劃分質(zhì)量、提高計(jì)算精度。

2.3 相互作用定義

建立模型時(shí)，不僅要考慮鋼筋與混凝土之間的相互作用，還應(yīng)考慮外包鋼與混凝土之間的相互作用。不考慮鋼筋與混凝土間的粘結(jié)滑移，將鋼筋與混凝土定義為Embedded Region，使鋼筋不可以在混凝土內(nèi)自由移動(dòng)但可以發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。將外包鋼與混凝土表面定義為Tie約束，認(rèn)為外包鋼與混凝土之間膠結(jié)密實(shí)、不發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2.4 生死單元定義

外包鋼加固屬于二次受力結(jié)構(gòu)，外包鋼要參與受力，必須施加新的荷載，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力滯后現(xiàn)象[5]。在ABAQUS中，可以通過定義生死單元來實(shí)現(xiàn)混凝土與外包鋼之間的應(yīng)力滯后。在Interaction模塊中使用Model change功能選中外包鋼骨架，使其在這一分析步驟中剛度接近無限小，不參與結(jié)構(gòu)受力；在下一個(gè)分析步驟中，激活外包鋼骨架的材料屬性，此時(shí)外包鋼骨架與混凝土共同受力。

3 外包鋼加固截面削弱柱結(jié)果分析

3.1 截面削弱對(duì)加固性能的影響

建立了普通混凝土柱、削弱柱、加固普通柱和加固削弱柱4個(gè)有限元模型，進(jìn)行對(duì)比分析。分析結(jié)果見表3及如圖2所示。

表3 四種柱有限元結(jié)果

圖2 荷載-位移關(guān)系曲線

由于打孔部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象，混凝土柱的極限承載力降低了10.88%。通過外包鋼加固后，削弱柱的極限承載力提高了32.95%，足以滿足施工要求。但從圖2可以發(fā)現(xiàn)，包鋼加固并不能恢復(fù)打孔截面削弱柱的變形能力，加固削弱柱在達(dá)到荷載峰值后下降段趨勢(shì)明顯。這說明雖然外包鋼骨架的套箍約束能夠提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但仍不能阻止打孔部位混凝土由于應(yīng)力集中現(xiàn)象提前退出工作。

從圖2還可以發(fā)現(xiàn)，在加載前期加固柱和加固削弱柱的荷載-位移曲線基本保持一致，繼續(xù)加載兩者關(guān)系曲線開始產(chǎn)生差異。這說明在混凝土處于彈性階段時(shí)，外包鋼骨架與鋼筋混凝土柱協(xié)同變形、共同工作，打孔削弱部位由于受到側(cè)向約束，應(yīng)力集中現(xiàn)象不明顯；進(jìn)入塑性階段后，打孔削弱部位混凝土出現(xiàn)較大變形，此處外包鋼骨架隨之產(chǎn)生較大變形；荷載達(dá)到峰值后混凝土被壓潰，但僅打孔區(qū)域的外包鋼骨架達(dá)到屈服強(qiáng)度，其他部位的角鋼處于較低強(qiáng)度。在實(shí)際工程中，若打孔削弱柱上部荷載較小，混凝土一直處于彈性階段，則可以忽略打孔對(duì)承載力的削弱。

3.2 初始應(yīng)力水平對(duì)加固性能的影響

以普通混凝土柱的極限承載力為基礎(chǔ)，對(duì)初始應(yīng)力水平為0.2、0.4、0.6、0.7、0.8的加固柱和加固削弱柱分別建立模型，分析應(yīng)力滯后效應(yīng)對(duì)混凝土柱加固性能的影響，并與規(guī)范[6]計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 荷載和初始應(yīng)力水平關(guān)系曲線

由圖3可知，外包鋼的加固效果隨著初始應(yīng)力水平的提高不斷下降，加固削弱柱的下降趨勢(shì)更為明顯。在混凝土處于彈性階段時(shí)，柱豎向變形和混凝土的橫向應(yīng)變較小，此時(shí)外包鋼骨架仍能保持較高的強(qiáng)度利用率；混凝土進(jìn)入塑性階段后，已經(jīng)產(chǎn)生了較大的變形，后加型鋼對(duì)混凝土的約束不斷降低。特別是針對(duì)加固削弱柱，高初始應(yīng)力水平下打孔部分混凝土已經(jīng)瀕臨破壞邊緣，外包鋼加固后僅施加少許荷載混凝土就被壓潰，外包鋼骨架無法獨(dú)自受力隨即也被壓垮，無法充分發(fā)揮外包鋼骨架的加固性能。

與規(guī)范計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，雖然規(guī)范公式中并未考慮應(yīng)力滯后和外包鋼對(duì)混凝土的套箍效應(yīng)，但即使對(duì)于普通加固柱而言規(guī)范計(jì)算值仍偏于保守。針對(duì)加固削弱柱，當(dāng)初始應(yīng)力水平高于0.7時(shí)，柱的極限承載力已經(jīng)低于規(guī)范計(jì)算值，并隨著初始應(yīng)力水平的增加快速下降。在對(duì)截面削弱柱進(jìn)行加固設(shè)計(jì)時(shí)若上部荷載較大，需要對(duì)柱進(jìn)行卸載措施，以免達(dá)不到規(guī)范設(shè)計(jì)要求而出現(xiàn)安全事故。

4 結(jié) 論

本文依據(jù)騰百商場(chǎng)實(shí)際改造工程，通過有限元分析手段，得出以下結(jié)論：

(1) 上部荷載較小，截面削弱柱處于彈性發(fā)展階段時(shí)可以忽略打孔對(duì)柱的影響。

(2) 外包鋼能有效提高截面削弱柱的承載能力，但無法使其變形能力恢復(fù)至打孔前的狀態(tài)。

(3) 初始應(yīng)力水平對(duì)截面削弱柱的影響不可忽視，在應(yīng)力水平較高時(shí)須采取必要措施對(duì)其進(jìn)行卸載。