UHPC 加固鋼筋混凝土矩形截面梁抗彎承載能力分析

田 耕

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民物質(zhì)生活的提高，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)提出了新的要求，許多既有結(jié)構(gòu)已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代生產(chǎn)和生活的需求，進(jìn)而使得鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生承載能力不足、變形過(guò)大等問(wèn)題[1]。因此，對(duì)無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代運(yùn)營(yíng)需求的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行加固和修繕已成為當(dāng)下研究的重點(diǎn)[2]。對(duì)既有基礎(chǔ)設(shè)施的加固和修繕，不僅可以減少社會(huì)資源的浪費(fèi)，而且還能對(duì)一些具有重要?dú)v史意義的建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。目前最常見(jiàn)的加固方法主要包括[3]：加大截面法、體外預(yù)應(yīng)力法和粘貼FRP 等方法，但這些方法均存在一定的局限和缺陷，如加大截面法會(huì)增加過(guò)多的自重。

超高性能混凝土 (Ultra High Performance Concrete,簡(jiǎn)稱(chēng)UHPC) 是指抗壓強(qiáng)度大于120MPa，抗拉強(qiáng)度大于5MPa 的一種水泥基復(fù)合材料[4]。UHPC 因具有較高的強(qiáng)度、較高的韌性和良好的耐久性能，已被用來(lái)作為改善鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用階段性能和提高承載能力的一種有效而簡(jiǎn)單的加固材料。與增大截面法類(lèi)似，利用UHPC 對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固具有養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、施工方便、強(qiáng)度提升速度快等優(yōu)點(diǎn)。目前已有大量研究者利用UHPC對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行了加固，并對(duì)其加固效果進(jìn)行了大量研究。Genedy[5]和Katrin[6]等首先利用UHPC材料對(duì)T 型梁進(jìn)行了加固，研究結(jié)果表明，與加固前相比，Katrin 加固后混凝土T 型梁承受荷載和抵抗變形的能力大大增強(qiáng)。Prem[7]等人利用UHPC 對(duì)破壞后的混凝土量進(jìn)行了加固，發(fā)現(xiàn)加固后梁的受彎承載能力和延性都較未加固前有了很大的改善。Lampropoulos[8]等利用試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)利用UHPC 對(duì)加固前后混凝土梁的承載能力和變形能力進(jìn)行了分析與研究，研究結(jié)果表明，利用有限元模型可以很好模擬UHPC 對(duì)混凝土梁的加固過(guò)程。除了上述研究外，還有大量科研人員對(duì)UHPC加固其他混凝土構(gòu)件進(jìn)行了大量研究[9-11]。

1 方案設(shè)計(jì)

為了對(duì)UHPC 加固鋼筋混凝土矩形梁抗彎承載能力進(jìn)行定量描述，選擇以某一長(zhǎng)度5m、寬度0.15m、高度0.3m 的普通鋼筋混凝土矩形梁為例，截面形式和配筋如圖1 所示?；炷恋燃?jí)采用C30，彈性模型采用E0=3.0×104MPa，泊松比為0.2。鋼筋采用HRB400，彈性模量為2.0×105MPa，泊松比為0.3。

圖1 未加固梁截面示意圖

以圖1 所示的普通鋼筋混凝土矩形截面梁為加固對(duì)象。在原有結(jié)構(gòu)幾何尺寸保持不變的情況下，通過(guò)在矩形梁下緣后澆筑UHPC 加固層，UHPC 加固層厚度每組各不相同，試件形狀如圖2 所示。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 UHPC 加固梁試件參數(shù)

圖2 加固梁截面示意圖

2 有限元模型的建立

以圖1 所示的矩形混凝土截面梁為例，利用大型有限元分析軟件ANSYS 建立了相應(yīng)的有限元分析模型。模型采用8 節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，混凝土單元采用solid45 單元，鋼筋采用link8 單元，網(wǎng)格劃分后模型結(jié)點(diǎn)總數(shù)為5085 個(gè)，單元總數(shù)為5296 個(gè)。建立的有限元模型如圖3 所示。模型中各種材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖4 所示。其中鋼筋采用曲線+水平線變化的應(yīng)力應(yīng)變曲線，鋼筋和UHPC 采用直線+水平線的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖3 有限元模型

圖4 模型中各材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線

3 結(jié)果分析

為了研究不同UHPC 厚度對(duì)普通鋼筋混凝土梁加固前后延興和承載能力方面的影響，在上述不同有限元模型的基礎(chǔ)上，分別研究了在跨中承受5kN 的集中力時(shí)，采用不同厚度的UHPC 材料加固后的梁的位移、應(yīng)力和鋼筋軸力沿梁縱向的變化。

3.1 位移的變化

圖5 為集中荷載作用下不同UHPC 加固層厚度下各組試件位移的變化云圖。從圖中可以看出，隨著UHPC 加固層厚度的增加，簡(jiǎn)支梁跨中最大位移逐漸減小，與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當(dāng)UHPC 加固層厚度從0 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時(shí)，簡(jiǎn)支梁跨中最大撓度分別減小了0.69 倍、0.55 倍和0.45 倍。

圖5 不同UHPC 厚度下結(jié)構(gòu)位移云圖的變化

為了定量描述UHPC 加固層厚度的變化與簡(jiǎn)支梁跨中位移之間的關(guān)系，圖6 給出了不同UHPC加固層厚度下試件各截面處撓度沿梁縱向的變化。

圖6 不同UHPC 加固層厚度下試件各截面撓度沿梁縱向的變化

從圖6 中可以看出，在集中荷載作用下，簡(jiǎn)支梁各截面位移沿梁縱向的變化關(guān)于跨中截面對(duì)稱(chēng)，在跨中截面橋梁位移達(dá)到最大。從圖中變化曲線可以看出，加固后簡(jiǎn)支梁跨中位移較加固前有了明顯改善，醉著UHPC 加固層厚度的增加，跨中撓度逐漸減小，且減小的速率隨厚度的增加而減小。

3.2 應(yīng)力的變化

圖7 為集中荷載作用下不同UHPC 加固層厚度下各組試件梁底截面應(yīng)力的變化云圖。從圖中可以看出，在集中荷載作用下，各組試件跨中截面梁底均出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，從圖中數(shù)值結(jié)果可知，隨著UHPC 加固層厚度的增加，截面拉、壓應(yīng)力均呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，因此為了便于進(jìn)一步分析，對(duì)圖7 中的結(jié)果進(jìn)行了量化，給出了不同UHPC 加固層厚度下試件各截面梁底拉應(yīng)力沿梁縱向的變化。結(jié)果如圖8 所示。

圖7 不同UHPC 厚度下結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖的變化

圖8 不同UHPC 加固層厚度下試件各截面梁底拉應(yīng)力沿梁縱向的變化

從圖8 可以看出，各試件梁底最大拉應(yīng)力隨UHPC 加固層厚度的變化與應(yīng)力云圖的結(jié)果一致，在集中荷載作用下，UHPC 加固層厚度為20mm 時(shí)，梁體跨中截面梁底拉應(yīng)力最大。隨著UHPC 加固層厚度的增加，截面最大拉應(yīng)力呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當(dāng)UHPC 加固層厚度從0mm 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時(shí)，簡(jiǎn)支梁跨中最大拉應(yīng)力分別增加了2.01 倍、1.44 倍和1.18 倍。

3.3 鋼筋應(yīng)力的變化

圖9 為集中荷載作用下不同UHPC 加固層厚度下各組試件鋼筋軸力的變化云圖。從圖中可以看出，在集中荷載作用下，跨中截面鋼筋軸力最大，在梁底承受拉應(yīng)力，梁頂承受壓應(yīng)力，兩者之間的偏差隨著UHPC 加固層厚度的增加而逐漸增大。對(duì)于與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁而言，在集中荷載作用下，鋼筋最大拉亞應(yīng)力比0.91，是UHPC 加固層厚度從0mm 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時(shí)鋼筋最大拉壓應(yīng)力比的0.78 倍、0.53 倍和0.21 倍。

圖9 不同UHPC 厚度下結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力云圖的變化

圖10 為不同UHPC 加固層厚度下試件各截面梁底鋼筋應(yīng)力沿梁縱向的變化。從圖中可以看出，隨著UHPC 層厚度的而增加，梁底鋼筋最大軸力逐漸減小，且隨著UHPC 加固層厚度的增加，鋼筋內(nèi)力減小的速率逐漸減小。在靠近跨中截面鋼筋承受拉應(yīng)力，在靠近梁端部位置，鋼筋承受壓應(yīng)力。與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當(dāng)UHPC加固層厚度從0 分別增加至20mm、40mm 和60mm時(shí)，鋼筋最大拉應(yīng)力分別減小了0.43 倍、0.19 倍和0.07 倍。

圖10 不同UHPC 加固層厚度下試件各截面鋼筋應(yīng)力沿梁縱向的變化

4 結(jié)論

（1）UHPC 是一種高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性的新型水泥基復(fù)合材料，用UHPC 對(duì)既有無(wú)法滿(mǎn)足承載能力要求的普通鋼筋混凝土梁進(jìn)行加固，可有效解決混凝土抗拉強(qiáng)度低的缺陷，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

（2）與未澆筑UHPC 加固層的普通混凝土梁相比，當(dāng)UHPC 加固層厚度從0mm 分別增加至20mm、40mm 和60mm 時(shí)，簡(jiǎn)支梁跨中最大撓度分別減小了0.69 倍、0.55 倍和0.45 倍，跨中最大拉應(yīng)力分別增加了2.01 倍、1.44 倍和1.18 倍，鋼筋最大拉應(yīng)力分別減小了0.43 倍、0.19 倍和0.07 倍。

(3) 通過(guò)與未加固混凝土梁跨中截面最大位移、應(yīng)力的比較，發(fā)現(xiàn)在梁底粘貼UHPC 層可顯著降低混凝土內(nèi)鋼筋的受力狀態(tài)。