粘貼鋼板加固型鋼梁受彎試驗(yàn)研究

卜良桃，劉華剛

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

近年來，鋼結(jié)構(gòu)建筑已廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑，具有巨大的市場潛力，但是，由于建筑本身設(shè)計(jì)具有的問題、進(jìn)行施工管理不當(dāng)造成的缺陷，材料質(zhì)量達(dá)不到規(guī)范要求，后期使用功能的變更，經(jīng)歷災(zāi)害損傷造成的耐久性不足等，大量鋼結(jié)構(gòu)建筑亟待需要加固處理[1-2]。

當(dāng)前主流的鋼結(jié)構(gòu)加固方法有：增大截面焊接加固方法，這是最傳統(tǒng)和直接的選擇；采用特制的建筑結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面，依靠建筑結(jié)構(gòu)膠使其黏結(jié)形成整體協(xié)同工作，可提高結(jié)構(gòu)承載力的粘鋼加固法；粘貼纖維增強(qiáng)材料(FRP)在結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面的方法；在橋梁工程中廣泛應(yīng)用的組合加固方法；采用了預(yù)應(yīng)力鋼絞線對(duì)鋼結(jié)構(gòu)整體或構(gòu)件進(jìn)行加固的預(yù)應(yīng)力加固法以及對(duì)連接和節(jié)點(diǎn)的加固等[3-7]。

粘貼鋼板加固法作為一種建筑結(jié)構(gòu)加固手段，可避免明火施工，以便在傳統(tǒng)的焊接加固方法不能使用的工業(yè)廠房和倉庫進(jìn)行加固，同時(shí)具有高強(qiáng)、高效、成本低、操作方便的特點(diǎn)，現(xiàn)雖已納入最新的鋼結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范中，但現(xiàn)有的試驗(yàn)研究仍較少[8]。

本文在考慮二次受力的情況下，對(duì)粘貼鋼板加固型鋼梁進(jìn)行受彎試驗(yàn)研究，同時(shí)運(yùn)用了黏聚力單元方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，最后結(jié)合理論推導(dǎo)給出了粘鋼加固鋼梁計(jì)算模型，可為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)研究

本次試驗(yàn)方案中，共設(shè)置了1根非加固對(duì)比梁和4根粘貼鋼板加固型鋼梁，所有截面均采用工14。為研究粘貼鋼板加固型鋼梁二次受力下初始應(yīng)力比和粘貼鋼板厚度對(duì)加固型鋼梁抗彎性能的影響，在本次試驗(yàn)中鋼板的長度均為1.6 m，寬度為80 mm，錨固螺栓間距為300 mm，構(gòu)件的初始應(yīng)力比分別有0、0.25和0.5，鋼板厚度分別為4 mm和6 mm，試件具體信息見表1。

1.1 材料性能參數(shù)

型鋼梁的材質(zhì)為國內(nèi)常見的Q235鋼材，長度2 m、凈跨1.8 m，其截面為工14：140 mm×80 mm×5.5 mm×9.1 mm，由廠家出示的材料出廠證明，認(rèn)定其屈服強(qiáng)度為235 MPa、彈性模量為206 GPa。為保證型鋼翼緣的集中荷載處的承壓強(qiáng)度足夠，不發(fā)生試驗(yàn)梁的局部穩(wěn)定破壞，共設(shè)置了8塊厚度為4 mm的橫向加勁肋分別被焊接在加載點(diǎn)及支座處腹板兩側(cè)。本次試驗(yàn)方案采用寬80 mm、厚4 mm和 6 mm的Q235B普通碳素結(jié)構(gòu)鋼板。試驗(yàn)用粘接劑為高性能建筑結(jié)構(gòu)膠，同時(shí)控制膠層厚度為1 mm。根據(jù)廠家出示的產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)合格證，粘結(jié)劑具體性能參數(shù)見表2。

表2 粘結(jié)劑力學(xué)性能Table2 Mechanicalpropertiesofbinder型號(hào)抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPa剪切強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值/MPaESA53560021

1.2 試驗(yàn)加載裝置

本次試驗(yàn)為二集中力三分點(diǎn)等效加載，加載點(diǎn)距離支座600 mm。為模擬實(shí)際工程中持載下鋼板的粘貼加固，試驗(yàn)正向設(shè)置型鋼梁，使其梁頂朝上，分配梁位于型鋼梁上方，反力梁位于分配梁上方，并搭設(shè)腳手架形成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，保證試驗(yàn)安全，并消除吊籃加載裝置中反力梁的偏移誤差，從上往下進(jìn)行加載。為充分考慮加載裝置自身重量的影響，加載前運(yùn)用群吊葫蘆將反力梁抬升至最高，使分配梁不與型鋼梁接觸，將數(shù)據(jù)記錄儀清零，試驗(yàn)加載裝置如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)加載裝置

位移傳感計(jì)T1～T5分別設(shè)置在鋼梁支座、跨中和加載點(diǎn)處，以便測量加載過程中鋼梁撓度變化;應(yīng)變片G1～G6布置在型鋼梁與鋼板在跨中位置，以便驗(yàn)證復(fù)合截面平截面假定；應(yīng)變片G7～G13在鋼板上沿中線布置，以便研究鋼板在不同荷載作用下的應(yīng)變分布；應(yīng)變片G14～G18沿型鋼梁翼緣布置，以便觀測鋼板與型鋼梁之間的滑移情況。位移傳感計(jì)T1～T5和應(yīng)變片G1～G18的詳細(xì)位置見圖2。

圖2 構(gòu)件示意圖(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

未加固型鋼對(duì)比梁L-1發(fā)生彎曲破壞，1根粘貼鋼板加固型鋼梁發(fā)生剝離破壞，3根粘貼鋼板加固型鋼梁發(fā)生彎曲破壞，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 屈服荷載試驗(yàn)值Table3 Yieldloadtestvalue編號(hào)屈服荷載/kN提高幅度/%破壞模式DBL-179kN—彎曲破壞JGL-190.214.2彎曲破壞JGL-286.39.2彎曲破壞JGL-382.94.9彎曲破壞JGL-486.89.9剝離破壞

從表3的數(shù)據(jù)可以看出，在持載下粘貼同等厚度的鋼板加固型鋼梁時(shí)，初始應(yīng)力越高，加固后提升的承載能力越低。在同等初始應(yīng)力情況下，粘貼的鋼板厚度越大，加固后的提升的承載能力越高。在實(shí)際工程中，應(yīng)盡可能卸除在施工中的荷載，根據(jù)加固設(shè)計(jì)需要，選擇適宜的鋼板厚度進(jìn)行加固。

2.2 破壞過程

本次試驗(yàn)為了詳細(xì)觀察粘貼鋼板加固型鋼梁二次受力受彎破壞的現(xiàn)象，同時(shí)保證試驗(yàn)安全，設(shè)置了較為可靠的錨固措施及側(cè)向圍護(hù)支撐，試驗(yàn)中，除加固試件JGL-4發(fā)生剝離破壞外，其余試件呈現(xiàn)出一般受彎構(gòu)件的彎曲破壞形式，如圖3所示。

圖3 試件破壞情況

大部分加固試件在加載至屈服荷載前，撓度、荷載變化較為穩(wěn)定，基本符合線性變化的規(guī)律。當(dāng)荷載提升至屈服荷載時(shí)，型鋼梁呈現(xiàn)明顯的彎曲狀態(tài)。隨著荷載進(jìn)一步增大，鋼梁整體撓度過大，不能繼續(xù)承載，發(fā)生彎曲破壞。試件在加固后進(jìn)行再次加載時(shí)，由于粘結(jié)鋼板外多余的結(jié)構(gòu)膠體發(fā)生剝離，會(huì)伴有輕微的撕裂聲，對(duì)試件本身不造成影響。在型鋼梁的整個(gè)加載過程中，伴有輕微的局部屈曲發(fā)生在型鋼梁上翼緣的加載點(diǎn)處，無明顯的側(cè)向扭曲破壞。

試件JGL-4到達(dá)屈服荷載前的受力變形過程與其他構(gòu)件相似，但在達(dá)到屈服荷載之后，繼續(xù)加載時(shí)，突然出現(xiàn)一聲巨響，同時(shí)伴有較大的撕裂聲，此時(shí)，試件因?yàn)槟z結(jié)層發(fā)生粘結(jié)破壞，螺栓被剪斷，鋼板發(fā)生剝離而破壞。當(dāng)試件發(fā)生剝離破壞時(shí)，是無征兆的脆性破壞，具有較大的危險(xiǎn)性，通常是由于膠層分布均勻，未采取可靠的錨固措施等原因，在實(shí)際過程中應(yīng)采取針對(duì)性的措施進(jìn)行處理，避免剝離破壞的發(fā)生。

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 荷載—撓度曲線

由圖4的荷載-跨中位移曲線表明：

a.粘貼鋼板加固型鋼梁顯著提升了組合試件的屈服荷載和極限荷載，且提高幅度隨初始應(yīng)力的減小和剛度厚度的增加而增大。

b.在型鋼梁達(dá)到屈服以前，粘貼鋼板顯著提升了型鋼梁的剛度，這是因?yàn)樗迟N的鋼板的彈性模量與型鋼梁一致，鋼板的厚度不容忽視，間接導(dǎo)致組合試件的鋼截面面積增大，且提高幅度隨鋼板厚度增加而增大。進(jìn)入塑性階段后，組合試件的剛度開始退化，撓度曲線呈現(xiàn)非線性特征。

圖4 荷載撓度曲線圖

3.2 型鋼應(yīng)變及鋼板應(yīng)變

圖5為型鋼梁純彎段控制截面處沿截面高度的應(yīng)變分布情況，其型鋼應(yīng)變的變化趨勢為：在初期荷載作用下，型鋼應(yīng)變沿截面高度呈線性分布規(guī)律，在加固后，試件因受拉側(cè)截面面積增大，中性軸下移，截面應(yīng)變隨高度的變化仍符合線性變化規(guī)律，直至達(dá)到屈服荷載；在達(dá)到屈服荷載后，型鋼截面應(yīng)變開始呈現(xiàn)非線性分布的特點(diǎn)，但尚不明顯，應(yīng)變?nèi)砸暈榻凭€性分布；在荷載逐步增加至極限荷載時(shí)，應(yīng)變的非線性分布特點(diǎn)呈現(xiàn)顯著，型鋼上翼緣較下翼應(yīng)變發(fā)生更明顯的突變。因此，對(duì)于粘鋼加固鋼梁進(jìn)行受力分析和理論計(jì)算時(shí)，仍可采用平截面假定。

圖5 試件跨中控制界面應(yīng)變

加固試件跨中處受拉翼緣應(yīng)變和鋼板跨中處應(yīng)變隨荷載變化情況如圖6所示。圖6表明，在彈性階段時(shí)，由于存在初始應(yīng)力，跨中截面處鋼板應(yīng)變與同一位置處型鋼梁受拉翼緣應(yīng)變差值為型鋼梁加固前的應(yīng)變，且大致保持不變，符合理論公式中鋼板與型鋼梁的受拉翼緣之間無粘接滑移的計(jì)算假定。

(a)JGL-1

4 有限元模擬

4.1 單元?jiǎng)澐?/h3>

本次數(shù)值模擬中選用跨度1.8 m的工字型鋼梁為計(jì)算模型，其翼緣寬度為80 mm，翼緣厚度為9 mm，腹板厚度為5.5 mm，型鋼梁兩段鉸接；粘貼鋼板，關(guān)于型鋼梁的中心線對(duì)稱布置，且僅在梁底處布置，其寬度均為80 mm，長均為1.6 m；通過設(shè)置不同的初始荷載來模擬初始應(yīng)力的不同，并給出相應(yīng)加固情況下的模型[9]。在建立型鋼梁-膠層-鋼板協(xié)同作用的模型過程中，型鋼梁采用的單元類型為C3D8R，這種實(shí)體單元具有3個(gè)平動(dòng)自由度，8個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)目的線性縮減積分單元，其位移結(jié)果較為準(zhǔn)確，且節(jié)點(diǎn)應(yīng)力精度低于完全積分，計(jì)算時(shí)間較少，網(wǎng)格劃分較細(xì)，適用于嚴(yán)重扭曲，在彎曲荷載下不易發(fā)生剪切自鎖。鋼板采用的單元類型為四邊形殼單元S4R，該線性單元具有4個(gè)節(jié)點(diǎn)減縮積分單元，有3個(gè)平動(dòng)自由度，3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能較好地適用于復(fù)合材料層合殼模型中剪切柔度和有限薄膜應(yīng)變等問題。膠層采用單元類型為黏聚力單元COH3D8，即8結(jié)點(diǎn)三維內(nèi)聚力單元型，鋼梁的下翼緣表面和鋼板與黏聚力單元表面接觸連接，該黏聚力模型常見與模擬層合板開裂、纖維拔出以及顆粒/基體界面開裂[10]。

型鋼梁采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，?shí)體單元的尺寸為20 mm×20 mm×9 mm；殼單元尺寸為10 mm×10 mm；黏聚力單元使用掃掠化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分。

本次數(shù)值模擬中，為了模擬實(shí)際工程中的二次受力情況，利用“Model change”和“Step”功能來實(shí)現(xiàn)“生死單元法”的效果，將模擬試驗(yàn)過程分兩個(gè)分析步進(jìn)行；第一分析步，僅有型鋼梁單元被激活，在膠層單元和鋼板單元均被消滅的情況下，施加初始荷載；第二分析步，同時(shí)激活膠層單元和鋼板單元，繼續(xù)加載直至試件最終破壞。

4.2 材料參數(shù)

本文ABAQUS模擬中型鋼梁和鋼板所用鋼材級(jí)別均為Q235鋼，本構(gòu)關(guān)系為理想彈塑性模型。

粘貼鋼板加固型鋼梁最常見的破壞形式為鋼板發(fā)生剝離，即膠結(jié)層發(fā)生了界面破壞，因此必須對(duì)膠層參數(shù)合理設(shè)置。參照工程中常用的建筑結(jié)構(gòu)膠性能參數(shù)，基于斷裂力學(xué)模型，膠層厚度取為1 mm，伸長率取為3.5%，膠層具體破壞參數(shù)可根據(jù)表2進(jìn)行設(shè)置。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

L-0是未加固對(duì)比梁，L-1～L-4是在初始應(yīng)力分別為0，0.25，0.5，0.75，使用4 mm鋼板進(jìn)行加固，L-5是在初始應(yīng)力為0.5下，使用6 mm鋼板進(jìn)行加固，基于ABAQUS使用黏聚力單元建立的黏聚力模型來模擬了膠層的黏結(jié)作用，其屈服荷載試驗(yàn)值如表5所示。

表5 模擬屈服荷載試驗(yàn)值Table5 Simulatedyieldloadtestvalue編號(hào)屈服荷載/kN提高幅度/%對(duì)比試驗(yàn)值L-080.8—1.023L-187.07.70.965L-285.45.70.990L-384.54.61.017L-483.23.0—L-586.36.80.994

從表5的數(shù)據(jù)看出，粘貼鋼板加固型鋼梁屈服荷載模擬值和試驗(yàn)值相差在0.965～1.023之間，模型較為準(zhǔn)確可靠。且在較高的初始應(yīng)力情況下進(jìn)行加固時(shí)，仍具有一定的加固效果。但在實(shí)際工程中，高應(yīng)力下進(jìn)行加固具有較大的風(fēng)險(xiǎn)性，加固效果不佳，應(yīng)盡量卸載。

5 受彎承載力計(jì)算

本次粘鋼加固型鋼梁抗彎承載力針對(duì)的是損傷型鋼梁的情況，為簡化計(jì)算作以下假定[11]：

① 鋼板與型鋼梁都為理想的彈塑性材料，其組成的復(fù)合截面應(yīng)變分布復(fù)合平截面假定。

② 不考慮沿著鋼板厚度方向的應(yīng)變變化。

③ 型鋼梁下翼緣與鋼板貼合充分，且無相對(duì)滑移。

④ 對(duì)于膠結(jié)層厚度的忽略不計(jì)。

在對(duì)受彎型鋼梁加固計(jì)算時(shí)，將粘貼的鋼板通過靜力等效原則換算成型鋼截面新增的一部分鋼截面，如圖7所示。

圖7 鋼板加固型鋼梁計(jì)算簡圖

為考慮二次受力的影響，應(yīng)加入型鋼梁的初始應(yīng)變，并假設(shè)型鋼梁在加固后的加載過程中，型鋼梁受拉翼緣應(yīng)變與鋼板應(yīng)變的差值保持不變，且與加固前型鋼梁的初始應(yīng)變一致。型鋼梁的受拉翼緣粘鋼進(jìn)行加固時(shí)，其正截面承載力應(yīng)可按下列公式確定：

(1)

式中：σs為構(gòu)件加固后控制截面處的應(yīng)力；M0為構(gòu)件加固前控制截面處由于自重和無法卸載的活荷載作用產(chǎn)生的初始彎矩設(shè)計(jì)值；Mx為構(gòu)件加固后抗彎承載力設(shè)計(jì)值；Wx0為構(gòu)件加固前控制截面處的凈截面模量；βm為粘貼鋼板加固抗彎承載力修正系數(shù)，在無初始應(yīng)力和低初始應(yīng)力下建議取值0.9，在較高初始應(yīng)力情況下可取0.95；γx為截面塑性發(fā)展系數(shù)，對(duì)于工字型截面取1.05；Wx為構(gòu)件加固后控制截面處的凈截面模量；f為鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；

該式基于鋼結(jié)構(gòu)加固規(guī)范的計(jì)算式，但抗彎承載能力的修正系數(shù)對(duì)鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值進(jìn)行折減時(shí)可能出現(xiàn)加固后承載能力下降的情況，故改為對(duì)組合截面凈截面模量的折減。其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比較。粘貼鋼板加固型鋼梁屈服荷載的試驗(yàn)值與理論公式計(jì)算值對(duì)比如表6所示。

表6 理論計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比Table6 Comparisonbetweentheoreticalandexperimentalval-ues荷載JGL-1JGL-2JGL-3JGL-4理論值/kN89.484.982.5887.09試驗(yàn)值/kN90.286.382.986.8理論值/試驗(yàn)值0.9910.9840.9961.003

從表6中可以看出，該計(jì)算式理論值與實(shí)際值吻合較好，誤差在0.984～1.003之間，具有較高精度。理論計(jì)算值與模擬值對(duì)比如表7所示。

表7 理論計(jì)算值與模擬值對(duì)比Table7 Comparisonbetweentheoreticalandanalogvalues荷載L-1L-2L-3L-4L-5理論值/kN89.484.982.5876.6887.09模擬值/kN87.085.484.583.286.3理論值/模擬值1.0280.9940.9770.9211.009

在表7中，除在較高應(yīng)力下的L-4外，理論值和模擬值誤差均在0.977～1.028之間，精度較好。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果顯示，在較高的初始應(yīng)力的情況下進(jìn)行加固，基本無加固效果。但根據(jù)實(shí)際情況和有限元模擬中，仍具有一定的加固效果。因此，在高初始應(yīng)力的情況可以取較小的折減系數(shù)，來有效評(píng)估加固效果，而在無初始應(yīng)力和低初始應(yīng)力情況下出于安全考慮，應(yīng)取較大的折減系數(shù)。

6 結(jié)論

本文采用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬和理論推導(dǎo)相結(jié)合的方法，給出了粘貼鋼板加固受彎鋼梁的承載力計(jì)算公式，同時(shí)表明采用黏聚力模型進(jìn)行粘鋼加固鋼梁的數(shù)值模型是準(zhǔn)確和可靠的，該計(jì)算方法和數(shù)值模型可用于指導(dǎo)實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程的加固：

a.粘貼鋼板顯著提高了型鋼梁的屈服荷載和極限荷載，并且提高幅度會(huì)隨著鋼板厚度的增加而增大，隨著初始應(yīng)力的增大而減小，在施工過程中，應(yīng)盡量卸載，以達(dá)到較好的加固效果。

b.粘貼鋼板加固型鋼梁依舊適用于平截面假定，且型鋼梁受拉翼緣與鋼板之間可視為充分貼合、無相對(duì)滑移。

c.粘貼鋼板加固型鋼梁抗彎承載力的計(jì)算公式精度較高，其理論計(jì)算值、試驗(yàn)值和模擬值三者吻合較好，計(jì)算結(jié)果偏于安全，可應(yīng)用于實(shí)際工程。

d.在端部有可靠錨固情況下，粘貼鋼板加固型鋼梁的主要破壞模式為彎曲破壞；在端部無錨固情況或錨固不牢靠的情況下，鋼板加固型鋼梁的破壞模式為鋼板與型鋼梁的剝離破壞，為無明顯預(yù)兆的脆性破壞，在實(shí)際工程宜中采用可靠的錨固措施。