鋼板加固混凝土梁的力學性能研究

雒振林 河北省建筑工程質(zhì)量檢測中心有限公司，石家莊 050227

褚少輝 河北建研科技有限公司，石家莊 050021

劉淑紅 石家莊鐵道大學，石家莊 050043

1 引言

鋼筋混凝土結構擁有獨特的優(yōu)勢，在土木工程中的應用十分廣泛，鋼筋混凝土建筑在我們的日常生活中幾乎隨處可見。不過，這些建筑所處的環(huán)境差異過大，有些建筑會使用在環(huán)境惡劣的條件下，有些會受到設計時未考慮到的化學腐蝕的影響，而且可能出現(xiàn)設計和施工不恰當?shù)那闆r，或者有些結構會受到建筑的使用要求發(fā)生變化等多種因素的影響，所以，許多建筑結構在施工和使用過程中受到不同程度的破壞，影響到了人們的正常使用。為了讓人們能夠繼續(xù)使用這些結構，我們有必要對鋼筋混凝土結構的加固技術進行研究。因此，人們開始傾向于對鋼筋混凝土結構加固的研究，想以此來提高鋼筋混凝土結構的使用壽命。目前，人們常用的鋼筋混凝土加固方法有：增加界面的鋼筋、更換混凝土鋼筋、體外預應力鋼筋、體外粘結鋼筋、粘貼鋼板鋼筋、增設支點鋼筋、高性能復合砂漿鋼筋，粘貼纖維增強復合材料加固等方法。而粘貼鋼板是一種非常常見的鋼筋混凝土梁的加固方法，簡單來說，就是將一塊或幾塊鋼板用一些方法粘貼在鋼筋混凝土受拉的部分的表面，使鋼板與結構一起承受拉力，分擔鋼筋混凝土結構上的荷載，由于鋼板的彈性模量一般比鋼筋混凝土大，所以，根據(jù)材料力學上的理論，在靜定條件下，可以分擔更多的荷載。這種加固方法的耐久性很好、施工的速度十分快、材料隨處可見，十分便宜、非常簡單輕便又經(jīng)濟合理。因此，有必要研究粘貼鋼板加固鋼筋混凝土技術。本文介紹用有限元ANSYS軟件，去模擬在受拉側(cè)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁，研究其力學性能，這些可以為以后研究粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁，在如何建立模型，選取什么單元，如何模擬加固等方面提供一些方法。

2 模型梁概況

本次模擬試驗使用的梁的截面尺寸為寬0.15m，高0.25m，保護層厚度為0.03m。總長2.6m，凈跨為2.4m。加載位置為在距支座0.8m處各有一個加載位置；在受拉區(qū)，配置3根直徑為16mm的HRB335級鋼筋。在受壓區(qū)配置2根直徑為10mm的HPB235級鋼筋。另外，用直徑為8mm的HPB235級鋼筋作為箍筋。鋼板粘貼在鋼筋混凝土梁的受拉側(cè)，鋼板厚度為3mm。利用節(jié)點耦合的方式將鋼板單元節(jié)點與混凝土單元節(jié)點耦合在一起，模擬鋼板加固，計算至不收斂或荷載位移曲線趨于水平時可認為達到屈服極限。

梁的受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋的力學參數(shù)如表1所示。

表1 鋼筋信息表

3 ANSYS建模及單元網(wǎng)格劃分

在ANSYS分析中整體采用分離式模型，這樣的計算精度可以高一些。同時，為了節(jié)約計算機性能，加快計算速度，再加之，該結構是關于前后和左右對稱的，所以，本文采用了1/4梁建模。在一般情況下，在劃分混凝土時采用SOLID65單元，劃分鋼筋采用LINK8單元，混凝土采用多線性等向強化MISO模型，在這篇文章中也是如此。在建模時，先建立一個長方體，然后針對箍筋、受拉區(qū)鋼筋、受壓區(qū)鋼筋等的位置進行切分，切出這些鋼筋的位置，然后再分配不同的單元實常數(shù)及材料屬性，以區(qū)分不同鋼筋。建立模型后再劃分單元，鋼筋采用理想彈塑性模型，即在鋼筋到達屈服階段以后就可以認為不管鋼筋的變形如何，鋼筋上的正應力永遠不會再改變?；炷敛捎枚嗑€性強化模型，輸入其本構關系，模擬混凝土?；炷敛捎梦鍏?shù)屈服準則，并把抗壓極限設為-1，以關閉壓碎。等ANSYS運行至不收斂，或者運行出來的荷載位移曲線趨于平緩的時候，就可以認為達到了屈服極限。模型采用SOLID45單元。鋼板的泊松比是0.3，彈性模量是2.1e11，并且其屈服強度為280MPa。利用節(jié)點耦合的方式將鋼板單元節(jié)點與混凝土單元節(jié)點耦合在一起，模擬鋼板加固，計算至不收斂或荷載位移曲線趨于水平時可認為達到屈服極限。

圖1 鋼筋混凝土梁的單元劃分圖

梁的單元劃分如圖1所示，耦合節(jié)點后如圖2所示。

圖2 加固并耦合節(jié)點后單元劃分圖

計算結果如圖3所示，再往上加載將不再收斂，所以可認為屈服極限為118kN。

圖3 粘貼鋼板后梁的結果運行圖

4 ANSYS模擬結果與試驗結果對比

在本文中，將試驗的屈服荷載和ANSYS模擬的屈服荷載進行了對比，對比的結果如表2所示。

表2 結果對比表

由表2可知，加固前后屈服荷載的試驗值與理論值的相對誤差都在10%以內(nèi)，加固后的屈服荷載提高了40%以上，說明粘貼鋼板可有效提高鋼筋混凝土梁的承載能力。還說明，用本文提供的模型和單元模擬研究鋼筋混凝土梁的力學性能，或者研究粘貼鋼板的加固的鋼筋混凝土梁的力學性能是可行的。在以后的學習或者研究的過程當中，仍可用本文提供的模型和單元去進行粘貼鋼板加固混凝土梁的模擬。

圖4 未加固試驗模擬對比圖

圖5 加固試驗模擬對比圖

加固前后試驗荷載位移曲線和ANSYS模擬的荷載位移曲線對比分別如圖4、圖5所示。

通過圖4和圖5可知，未加固的鋼筋混凝土梁的ANSYS模擬值與試驗值的相對誤差很小，兩條曲線幾乎是一致的。對于粘貼一層鋼板后的鋼筋混凝土梁來說，雖然誤差有所增加，但仍在誤差允許范圍以內(nèi)，并且曲線的增長趨勢幾乎一樣，所以，再一次說明可以用本文所提供的單元和模型去模擬鋼筋混凝土梁或者去模擬粘貼鋼板加固后的鋼筋混凝土梁。在以后類似的研究中我們可以用本文提供的方法、模型、單元去研究。

在建模時采用了一些理想化的假設，比如，鋼筋和鋼板都采用的是理想彈塑性模型，即在鋼筋和鋼板進入屈服階段后，鋼筋上的應力將不再隨著應變的增加而改變。但在實際工程中，鋼板和鋼筋要進入強化階段，所以，這與實際情況是有些差異的。再者，在模擬分析時，鋼板與混凝土之間完全連結，沒有相對位移。但在實際工程中，混凝土與鋼板之間膠結，可能會產(chǎn)生相對位移。另外，加力方式與實際的加力方式也有所區(qū)別，在建模時，為了防止出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，采用了用等效的均布力代替集中力加載的方式，與實際加載方式有些出入。

5 結論

混凝土結構是我國建筑中最常見的結構形式，由于種種原因需要對混凝土結構進行加固。本文采用有限元法，采用ANSYS模型研究鋼筋混凝土梁的加固的力學性能，并與試驗數(shù)據(jù)對比，誤差在10%以內(nèi)，也分析了產(chǎn)生誤差的原因。用本文提供的單元、模型去模擬鋼筋混凝土梁是可行的，在以后計算中，可用本文的方法去進行鋼筋混凝土梁的研究和粘貼鋼板加固后的鋼筋混凝土梁的研究。