劉 斌，孫 強,2，陳信堂，蘇 磊，周 翔

(1.安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601；2．安徽文達信息工程學院，安徽 合肥 231201)

20世紀五六十年代以后，由于經濟條件以及施工技術的原因，并且磚混結構成本相對較低，因此，被廣泛用于住宅樓和其他建筑物。隨著時間的增加，這些老舊的磚混結構需要有效地加固。目前，有兩種方法可以處理這些舊建筑和現有建筑。一種是直接拆除重新建造，另一種是對原始的建筑進行改造和加固，而這種方法是加強原有的建設和轉型。因此，與直接拆除重建相比，這種方式經濟環(huán)保，對資源的需求小，具有投資小見效快的特點[1]。

加固技術一般分為兩類：一類是先對已受損的部分進行局部拆除，再進行加固和改造。第二類是應用托換技術[2]，而本文提出了一種新型托換技術，為單折線體外預應力鋼板—磚砌體組合結構，本技術是將加固結構內部插入預應鋼筋，并用鋼板和螺栓固定磚砌結構，使加固結構兼?zhèn)淇箟汉涂估奶攸c。目前，針對該加固技術的理論和試驗研究都還有許多不足的地方，本文以1根20世紀老舊的磚混梁為研究對象，選取單折線形布置的體外預應力加固方案，通過理論分析、試驗研究和數值計算3種方法，對單折線體外預應力鋼板—磚砌體組合梁進行力學性能研究。

1 理論計算分析

目前，針對鋼磚砌體結構開展的理論計算相對較少，因此，抗彎承載力計算可參照鋼—混凝土組合結構的計算方法[3-5]。單折線體外預應力梁相比較直線筋式結構有很多不同的地方：第一是力筋在梁的作用部分產生偏心距；第二是由于跨度中有轉向點，會對力筋產生1個豎向的分力；第三是預應力筋端部的錨固，也會有一部分的力距產生[6]，具體的內力分析如圖1所示。

圖1 單折線形體外預應力梁內力分析

在計算時，取梁跨度的一半，對鉸支座求彎矩，并且忽略偏心力矩的影響，這時力筋產生的彎矩為

ΔM1=0.5fpsinθ·L-fpcosθ·e1.

(1)

式中：L為梁支座跨度，θ為力筋與水平方向的夾角，e1為截面形心軸到張拉端的距離。

在計算單折線體外預應力中的彎曲承載能力時，預應力筋的作用點將使結構的承載力提高，使得梁的中和軸發(fā)生移動，但在彈性階段對鋼-磚砌體的承載力的變化影響很小。但是，在塑性階段時，梁的受壓區(qū)高度會變化，需再次計算[7-8]。圖2為計算圖。

圖2 體外預應力組合梁承載力計算

如圖2所示，利用水平方向力學平方條件，以及對梁的中和軸求距，可得單折線體外預應力鋼板-磚砌體組合梁正截面抗彎承載力計算公式為

(2)

式中：θ為預應力筋與水平方向的夾角，計算公式主要考慮預應力筋的張力對梁中性軸的影響。對于單折線形布置形式而言，該力是由轉折點和水平面所供應的分力產生的。在塑性計算過程中，單折線體外預應力結構極限承載力的計算公式為

Mmax=Mu+ΔM1.

(3)

在單折線體外預應力加固鋼板-磚砌體組合梁的計算時，可分為三部分：

1)首先在計算確認預應力值的大小后，需要考慮預應力的損失量，由于砌體結構的彈性收縮對預應力影響相對較小，因此，主要考慮張拉錨具變形和預應力鋼筋內縮引起的預應力損失、摩擦引起的預應力損失以及力筋松弛引起的預應力損失，即σl1，σl2和σl3，其中，σl1內縮值a取5 mm，σl2摩擦系數取0.25，得到的單折線形力筋體外預應力損失279.55 N/mm2。

2)在計算預應力增量時，參考相關的試驗結果[9]，可知預應力筋的伸長量為3.2 mm，求得預應力增量為165.05 MPa。

3)除去σl1，σl2，σl3和預應力增量對預應力大小的影響，最后對體外預應力加固鋼板-磚砌體組合梁的極限承載力進行計算，得出理論承載極限為617.31 kN。

2 組合梁試驗研究

2.1 試驗方案

本試驗的磚砌體梁的尺寸為3 000 mm×240 mm×370 mm，鋼板規(guī)格為Q235B，厚度為5 mm和15 mm，尺寸為3 000 mm×5 mm×370 mm，采用對拉螺栓規(guī)格為M16，共17根(排列如圖3所示)，鋼絞線的尺寸為1 mm×7 mm×15.24 mm，標準強度等級為1 860 MPa，采用的高延性纖維混凝土是以水泥、石英砂等為基體的纖維增強復合材料，圖3和圖4為試驗原型安裝加固示意圖。

圖3 底部鋼板間距及布置形式

圖4 對拉螺與單折線預應力張拉具體布置

2.2 測點布置與加載制度

2.2.1 測點布置

實驗的過程中在組合梁的跨中底部布置1個電子位移計，并在兩端支座位置各布置1個位移計用來觀察實驗中組合梁的變形情況。應變片的安裝如圖5和圖6所示。

圖5 側板應變片布置

圖6 底板應變片布置

2.2.2 加載制度

此測試中，在梁跨度兩側的1/3點上施加集中載荷，代替測試中所需的均勻載荷。測試中控制載荷為測試梁的中跨彎曲力矩達到截面的最大設計力矩時的載荷。此時，支撐部位的最大剪切力與載荷均勻時的剪切力的設計值相同。加載過程如圖7所示。

圖7 試驗裝置加載

正式加載前，請按加載值的10%進行預加載，觀察組合梁的整體狀況，檢查儀器是否工作正常并進行合理的調試。在一切正常之后，正式加載開始，并且加載值是估計值的10%。等待數據穩(wěn)定后，收集記錄的數據。當加載值達到估算值的80%時，每次加載的加載值將更改為估算值的5%。數據穩(wěn)定后，收集并記錄相關數據，直到發(fā)現試件變形明顯，組合梁受到嚴重破壞，加載停止[9-11]。

2.3 試驗現象與結果分析

2.3.1 試驗現象

在加載的初始階段，組合梁處于良好的應力狀態(tài)。直到載荷增加到320 kN為止，有輕微脆性噪聲，并發(fā)現輕微的裂紋，但這并不影響組合梁的整體性能。

在加載到450 kN的過程中，脆性噪聲顯著增加。如圖8(a)所示，在梁的兩端都出現一小段的半掉落現象。

荷載達到500 kN時，梁的變形仍然處于發(fā)展階段。沿著梁的寬度方向，在梁底部小鋼板之間的砌體部分出現1條小裂縫。且在磚砌體和上部混凝土層之間的接縫處，梁的左端部出現輕微的小裂縫。

繼續(xù)增加荷載至600 kN時，在梁的固定鉸支座下部兩側的鋼板彎曲并變形，如圖8(c)所示。同時，梁上部混凝土層與磚砌接合處的裂縫滲透到分布梁的左端，如圖8(b)所示。此刻終止加載，觀察梁的變形和裂縫，確定梁已破壞。最后將荷載卸載到0，發(fā)現梁明顯上升現象。

圖8 試件破壞

2.3.2 試驗結論

將1～3號測點為梁1-1截面(左跨1/3處)，4～8測點為梁的2-2截面(跨中)，9～11測點為梁的3-3截面(右跨1/3處)，3個截面的荷載-應變關系如圖9所示。

從圖9可知：

圖9 試件的荷載-應變曲線

1)試件的截面應變沿梁高分布基本符合平截面假定。

2)從荷載-應變曲線可以看出，在梁兩側鋼板破壞之前，梁的荷載-應變曲線成線性分布。

3)組合梁試件最終破壞階段的承載能力達到610 kN?？缰形灰七_到13.90 mm。

3 有限元分析

為了更好地研究單折線形體外預應力鋼-磚砌體組合梁力學性能的變化，本文采用ANSYS有限元軟件對這一形式的組合梁進行力學性能模擬分析。主要針對組合梁進行靜載荷試驗模擬，求解組合梁的應力、應變和撓度的變化。

3.1 模型的建立與處理

本文在對組合梁進行數值分析過程中，磚砌、鋼板和螺栓采用的均為實體單元模型[12-15]，具體尺寸和材料參數與試驗模型相同。圖10是該模型的示意圖。

圖10 鋼板-磚砌體組合梁模型

3.2 組合梁數值分析

本試驗模擬的組合梁結構為梁中部設置轉向塊的體外預應力梁，在模擬過程中施加208°的溫度荷載。圖11是荷載達到600 kN(極限荷載)時，組合梁應力、應變和位移云圖。

通過圖11可知：

圖11 試驗梁應力、應變及位移云圖

1)對于單折線體外預應力組合梁的加固技術而言，其跨中截面的應力與應變皆滿足平截面假定；

2)組合梁的最大撓度為13.835 mm，發(fā)生在中跨位置，而正常使用極限狀態(tài)下允許的撓度極限值為15 mm，組合梁擾度滿足規(guī)范要求；

3)在應力方面，梁的受壓區(qū)最大應力約為354 N/mm2，十分接近鋼板的屈服強度值，此時的荷載值近似達到極限荷載。

4 結論對比分析

為了檢驗通過參數擬合得到的實際計算結果的可靠性，比較理論計算的撓度值和試驗的撓度值以及ANSYS計算的撓度值，如圖12和表1所示。

圖12 組合梁跨中撓度變化對比

表1 極限狀態(tài)下試驗、理論與數值分析擾度比較

從表1和圖12可以看出：

1)試驗結果表明，試驗的擾度值略大于有限元結果，驗證了單折線形體外預應力加固方案的可行性；

2)在荷載-跨中彎矩曲線中可以明顯看出，有限元曲線與試驗曲線大致相同，都趨向于線性增長。隨著外部荷載的不斷增加，兩者都在跨中出現了較大的擾度變形，且擾度值近似相同。

3)試驗結果與數值分析結果之間的差異很小，兩者的理論誤差均在10%以內，造成誤差的主要原因有兩個：一是在組合梁的制作過程中，鋼板和砌塊之間的結構膠沒有涂抹均勻，導致兩者的粘結力受到影響。二是由于在數值模擬過程中各構件的材料參數與試驗過程中各構件的材料參數有些許誤差，所以造成了計算誤差。但是總體而言，有限元結果仍然較為精確地反映試驗梁應力及位移隨荷載的關系。

5 結束語

通過理論分析，本文表明體外預應力這一加固技術可以有效地提高鋼-磚砌體組合梁的承載能力。在數值計算與試驗結果進行比較的過程中，分析了組合梁最可能的破壞位置，并驗證單折線體外預應力鋼筋加固方案的可行性。

本文只針對一種工況情況進行了研究，還可以進一步對雙折線形體外預應力加固的形式進行研究論證。

3)本文的有限元建模沒有考慮形成磚石的磚與砂漿之間的相互作用，并且還需要研究采用分離式模型數值分析的計算結果。