負(fù)載下外包鋼筋混凝土加固柱軸壓承載性能

周 樂(lè), 關(guān)乾坤, 張 欣

(沈陽(yáng)大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院, b. 遼寧省環(huán)境巖土工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

目前,由于自然災(zāi)害、技術(shù)水平和施工經(jīng)驗(yàn)等原因,國(guó)內(nèi)存在大量的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物和建筑物不能按時(shí)完工和安全使用,且由于人和自然因素的影響,造成了鋼結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞.和其他類型的建筑一樣,鋼結(jié)構(gòu)從生產(chǎn)到毀壞都經(jīng)歷試驗(yàn)、安裝和使用3個(gè)階段,每個(gè)階段都可能導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的破壞.周紅波等[1]對(duì)不同組合形式的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物和建筑物的破壞形式進(jìn)行事故案例統(tǒng)計(jì)分析,共調(diào)查了109例國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)建筑事故,其中在試驗(yàn)階段發(fā)生的事故占比為3%,安裝階段為35%,使用階段最多,占62%.因此,有必要對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑在每個(gè)階段的安全性進(jìn)行評(píng)估.目前來(lái)說(shuō),對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的外包鋼筋混凝土加固是比較有效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)和方便的作法.

近年來(lái),鋼結(jié)構(gòu)的加固修復(fù)技術(shù)大多集中在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料粘貼領(lǐng)域[2-3]和鋼結(jié)構(gòu)焊接領(lǐng)域[4]的加固,但關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)試驗(yàn)研究較少.白云皓[5]通過(guò)外包鋼筋混凝土加固型鋼的研究得出,外包鋼筋混凝土加固軸心受壓鋼柱的主要型鋼在載荷作用下率先表現(xiàn)出屈曲情況,而型鋼、鋼筋和混凝土的應(yīng)力不能同時(shí)達(dá)到峰值的結(jié)論.金詩(shī)語(yǔ)等[6]通過(guò)對(duì)初始應(yīng)力和角鋼截面尺寸分析認(rèn)為,加固后鋼筋混凝土柱的極限承載力隨混凝土初始應(yīng)力水平的增大而減小,隨角鋼截面尺寸的增大而增大,并根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì),給出合理的角鋼強(qiáng)度利用系數(shù).蔣海強(qiáng)[7]總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)的加固方法:修改鋼結(jié)構(gòu)圖紙,減少或轉(zhuǎn)移載荷,加固連接點(diǎn),加固纖維增強(qiáng)復(fù)合材料.周樂(lè)等[8]通過(guò)凍融循環(huán)條件下加固軸壓柱的承載力計(jì)算方法研究認(rèn)為,凍融損傷會(huì)造成混凝土的質(zhì)量損失和截面面積減小,給結(jié)構(gòu)的加固效果帶來(lái)較嚴(yán)重的影響,使結(jié)構(gòu)加固與理論相差較大.

現(xiàn)階段外包鋼筋混凝土加固鋼構(gòu)件的研究還不完善,關(guān)于組合柱正截面承載力的計(jì)算公式也有所欠缺.基于研究現(xiàn)狀,有必要在現(xiàn)有外包鋼筋混凝土加固鋼結(jié)構(gòu)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究,從而驗(yàn)證外包鋼筋混凝土加固柱的有效性,并對(duì)其承載性能進(jìn)一步了解.希望為后續(xù)的研究和應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)研究

1.1 試件設(shè)計(jì)和制作

圖1 加固試件的截面形式Fig.1 Cross section of reinforced specimen

本試驗(yàn)一共制作5根高度均為900 mm的鋼柱作為試驗(yàn)試件:1根純鋼柱;1根鋼柱未負(fù)載直接外包鋼筋混凝土加固;2根鋼柱在負(fù)載0.5Fy(Fy為鋼的屈服強(qiáng)度)下外包鋼筋混凝土加固;1根鋼柱在負(fù)載0.7Fy下外包鋼筋混凝土加固.加固柱截面尺寸為200 mm×200 mm,其截面形式如圖1所示,工型鋼選用100 mm×100 mm規(guī)格.型鋼置于截面中心處,C1=50 mm,為型鋼邊緣到混凝土邊緣的距離;C2為混凝土保護(hù)層厚度;縱向貫穿了4根直徑為12 mm的HRB335級(jí)通長(zhǎng)鋼筋;箍筋采用直徑為8 mm的HPB300級(jí)鋼筋,間距為100 mm.試件參數(shù)詳見表1.

表1 試件尺寸和力學(xué)參數(shù)Table 1 Size and mechanical parameters of specimen

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

首先對(duì)原鋼構(gòu)件進(jìn)行預(yù)壓處理,用于模擬鋼結(jié)構(gòu)在負(fù)載條件下的狀態(tài).然后,對(duì)型鋼、混凝土和受力縱筋分別粘貼應(yīng)變片.型鋼的兩端、中部以及翼緣兩端分別粘貼橫縱應(yīng)變片.同理,混凝土的兩端、中部以及縱向鋼筋的中部分別粘貼橫縱應(yīng)變片.應(yīng)變片位置如圖2所示.最后綁扎鋼筋籠、澆筑混凝土,并在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d.試驗(yàn)加載設(shè)備采用3 000 kN自反力壓力機(jī),并利用5 000 kN拉壓力傳感器監(jiān)測(cè)載荷的大小,圖3為試驗(yàn)加載裝置簡(jiǎn)圖.

2 現(xiàn)象和結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

該試驗(yàn)中5個(gè)組合試件大體上都經(jīng)歷了彈性、 裂縫和破壞3個(gè)過(guò)程 . 如圖4所示, 在彈性初期,載荷值相對(duì)較小, 此時(shí)試件無(wú)明顯變化; 隨著載荷的不斷增加, 構(gòu)件中間會(huì)出現(xiàn)細(xì)小裂縫, 載荷與變形程度呈正比例線性增加, 并伴有輕微聲音. 隨著載荷的繼續(xù)增加, 混凝土表面裂縫逐漸增多, 裂縫發(fā)出的聲音也逐漸變大, 此時(shí)試件達(dá)到裂縫階段.當(dāng)載荷逐漸加載到極限載荷時(shí), 如圖5所示, 試件表面的混凝土開始大塊脫落, 可以明顯看到部分試件的鋼筋籠變形, 縱筋微彎, 純鋼試件扭曲, 試件到達(dá)破壞階段[9].

圖2 應(yīng)變片位置Fig.2 Strain gauge location

圖3 試驗(yàn)加載裝置簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of the loading device for the test

圖4 彈性階段的試件形態(tài)Fig.4 Specimen shape at the elastic stage

圖5 破壞階段的試件形態(tài)Fig.5 Specimen shape at the brittle stage

圖6 所有試件的試驗(yàn)載荷-位移曲線Fig.6 Load-displacement curves of all specimens

2.2 結(jié)果分析

圖6為由試驗(yàn)得出的5根鋼構(gòu)件的載荷-位移曲線圖,從圖中可以明顯看出,4根負(fù)載下加固的鋼筋混凝土柱增幅曲線明顯高于未負(fù)載、未加固的型鋼柱,說(shuō)明加固后的型鋼柱承載性能顯著提升,提供了一定的的承載空間.通過(guò)觀察5根試件曲線傾斜度和載荷值可知:負(fù)載加固后的試件的載荷-位移曲線傾斜度明顯大于未負(fù)載、未加固的型鋼;在位移一定的情況下,純鋼構(gòu)件的載荷值遠(yuǎn)小于加固后的鋼構(gòu)件的載荷值,說(shuō)明外包鋼筋混凝土加固后的鋼構(gòu)件能有效提高原鋼構(gòu)件的承載能力和剛度.

3 有限元模型數(shù)值分析

3.1 各材料屬性及類型選取

根據(jù)文獻(xiàn)[10]可知各材料參數(shù)如表2所示, 其中ρ為鋼材密度;υ為泊松比;E為彈性模量.混凝土和型鋼采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元C3D8R,縱向鋼筋和箍筋采用三維二節(jié)點(diǎn)桁架單元T3D2.

表2 材料屬性Table 2 Material properties

3.2 材料本構(gòu)關(guān)系的建立

1) 混凝土本構(gòu)關(guān)系.

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010—2010)[11]確定外包鋼筋混凝土加固柱中混凝土的本構(gòu)關(guān)系,其中模擬試件中的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如下.

受拉過(guò)程:

(1)

受壓過(guò)程:

(2)

式中:y為應(yīng)力系數(shù);x為應(yīng)變系數(shù);at為應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系中曲線下降段受拉的參數(shù)值;ad、aa分別為曲線上升、下降段受壓的參數(shù)值.

2) 型鋼、箍筋和縱向鋼筋本構(gòu)關(guān)系.

由于型鋼、箍筋和縱向鋼筋均是塑性材料,其本身屬性相似,所以都采用二折線強(qiáng)化模型[12],應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為

(3)

3.3 定義裝配件及約束

在Createinstance中,將混凝土、縱向鋼筋、箍筋和型鋼分別設(shè)置為獨(dú)立部件.通過(guò)移動(dòng)、陳列及旋轉(zhuǎn)等工具建立由箍筋和縱向鋼筋組成的鋼筋籠,如圖7所示.再由合并工具把鋼筋籠組成一個(gè)新的完整的部件,以便于后期部件的拾取,賦予屬性后使其嵌入模擬試件中.同理,型鋼也嵌入模擬試件中,模擬試件被賦予屬性后類似于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的材料.為了在部件合并時(shí)避免不必要的麻煩,在part模塊應(yīng)選擇合適的部件坐標(biāo).

圖7 鋼筋籠模型Fig.7 Model of reinforcement cage

創(chuàng)建參考點(diǎn),以便對(duì)外包鋼筋混凝土加固柱約束和施加載荷,在完成鋼筋骨架和混凝土耦合約束定義后,設(shè)置參考點(diǎn)與上、下頂面的耦合關(guān)系,選擇創(chuàng)建約束中的耦合類型,將RP-1、RP-2分別與加固柱的上頂面和下頂面耦合在一起.如圖8所示.

圖8 整體結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Model of whole structure

3.4 定義約束和施加載荷

約束模型邊界:將模型試件上頂面耦合點(diǎn)RP-2設(shè)定為完全固定約束,即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0;將模型試件下頂面耦合點(diǎn)RP-1設(shè)定為除z軸方向軸向位移不約束(U3≠0)的固定約束.

約束設(shè)定完成后,利用ABAQUS軟件中“生死單元”技術(shù)施加位移載荷.對(duì)于無(wú)負(fù)載下加固的鋼柱,不需要使用“生死單元”技術(shù),只需要一個(gè)分析步,一次性在step直接施加位移載荷;對(duì)于存在初始負(fù)載的外包鋼筋混凝土加固柱,則利用相互作用(interaction) 中的“生死單元”技術(shù),在第一分析步中選取model change“殺死”混凝土和鋼筋籠,目的使其不受力,讓施加的位移載荷只對(duì)型鋼起作用,類似于型鋼在沒(méi)有加固時(shí)的工作狀態(tài);接著在第二分析步中選取add,“激活”混凝土以及鋼筋籠,使其對(duì)整個(gè)模型施加位移載荷,達(dá)到一起受力的目的.

3.5 網(wǎng)格劃分

對(duì)于模型外包鋼筋混凝土加固柱和型鋼應(yīng)采用掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù),其優(yōu)點(diǎn)可以對(duì)復(fù)雜組合構(gòu)件及其輪廓進(jìn)行劃分.其三維區(qū)域以六面體為主的單元形狀,也應(yīng)進(jìn)行掃掠網(wǎng)格劃分技術(shù).先布置邊上種子,在Approximate global size(種子的大體數(shù)目)后輸入0.02,使得整個(gè)模型布滿種子.接著在軟件中點(diǎn)擊Apply,則模型按照網(wǎng)格種子自動(dòng)劃分網(wǎng)格完畢.如圖9所示.

圖9 網(wǎng)格劃分模型Fig.9 Model of mesh partition

3.6 有限元模型結(jié)果分析

圖10為由有限元軟件模擬得出的有限元模擬負(fù)載下外包鋼筋混凝土加固鋼構(gòu)件的載荷-位移曲線,將有限元模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果列于表3.

表3 試驗(yàn)結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對(duì)比

由圖10可知,在初始負(fù)載、混凝土強(qiáng)度等級(jí)和鋼筋強(qiáng)度等級(jí)相同的情況下,型鋼強(qiáng)度越高,外包鋼筋混凝土加固柱承載能力越大,且隨著載荷、位移的不斷增加,曲線相應(yīng)升高,當(dāng)?shù)綐O限載荷時(shí),曲線開始下降,表明試件剛度降低,試件開始受到破壞.表明當(dāng)純鋼柱的載荷到達(dá)極限時(shí),外包鋼筋混凝土加固可以有效地提升原鋼構(gòu)件的承載性能.通過(guò)有限元模擬得出的載荷-位移曲線(圖10)與試驗(yàn)得出的載荷-位移曲線(圖6)相比較,可以發(fā)現(xiàn)2種結(jié)果的曲線圖走向基本一致.由表3可知,通過(guò)有限元模擬數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果數(shù)值相比較,有限元模型的極限承載力計(jì)算結(jié)果大體上略小于試驗(yàn)計(jì)算的結(jié)果,但兩結(jié)果比較接近,吻合較好.

圖10 有限元模擬的載荷-位移曲線Fig.10 Load-displacement curve of finite element simulation

4 小 結(jié)

1) 將ABAQUS有限元軟件模擬結(jié)果和已有試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可知,純鋼構(gòu)件和外包鋼筋混凝土加固后的鋼構(gòu)件相比,加固后的純鋼構(gòu)件的承載力和剛度有很大的提升.

2) 在初始負(fù)載、混凝土等級(jí)和鋼筋等級(jí)相同的情況下,型鋼強(qiáng)度等級(jí)與試件的受力性能成正比.

3) 對(duì)于負(fù)載狀態(tài)下外包鋼筋混凝土加固鋼構(gòu)件,當(dāng)原構(gòu)件的初始負(fù)載很大時(shí),原鋼構(gòu)件將提前進(jìn)入屈服情況,使外包鋼筋混凝土較早地進(jìn)入工作狀態(tài),其會(huì)影響外包鋼筋混凝土加固后的鋼構(gòu)件的極限承載力,也會(huì)影響安全性及可靠性.