■孫艷麗

(山西誠達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司， 太原 030006)

近年來， 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因具有施工方便、承載能力強(qiáng)、整體性高及優(yōu)良的耐久性等特點(diǎn)，逐漸在建筑工程中得到廣泛應(yīng)用[1]，但由于當(dāng)下學(xué)者對其抗連續(xù)倒塌能力的研究不足， 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的連續(xù)倒塌事故頻繁出現(xiàn)，因此，深入研究鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌性能具有重要意義[2]。

目前，已有學(xué)者提出了不同設(shè)計(jì)方法來提升鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗連續(xù)倒塌能力[3-4]。 如錢凱等[5]通過采用鋼筋混凝土(RC)梁-板子結(jié)構(gòu)提升了其抗連續(xù)倒塌性能， 其中RC 框架屈服承載力與極限承載力分別提升高達(dá)65%和61%;王英等[6]針對鋼筋混凝土雙跨梁的受力特征和破壞機(jī)理分別進(jìn)行靜力加載試驗(yàn)和有限元分析，計(jì)算得到理論分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本一致， 驗(yàn)證了有限元建模的正確性、可行性;鄧小芳等[7]提出有黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋較無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋可以有效提高結(jié)構(gòu)的屈服荷載與初始剛度，合理設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋的比例可有效提升PC 梁-柱子結(jié)構(gòu)在抗連續(xù)倒塌能力;高佳明[8]考慮現(xiàn)澆板作用對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗連續(xù)倒塌性能試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)框架梁破壞后現(xiàn)澆板仍能提供達(dá)極限荷載的84.9%的抗力， 體現(xiàn)了現(xiàn)澆板對結(jié)構(gòu)整體受力性能和變形能力的改善作用。

由于影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的因素眾多，現(xiàn)有研究對于提升結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌能力的方法還存在一定片面性，基于此，本文提出了一種獨(dú)立于鋼筋混凝土雙跨梁結(jié)構(gòu)之外的加固方法，并針對其抗連續(xù)倒塌能力進(jìn)行了模擬分析，最終得出該方法的顯著加固效果及較優(yōu)參數(shù)設(shè)計(jì)。

1 建立模型

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 建立鋼筋混凝土雙跨梁數(shù)值分析模型， 計(jì)算模型中雙跨梁長設(shè)計(jì)尺寸為(1800×100×150)mm，邊柱尺寸為(650×350×350)mm，中柱尺寸為(350×150×150)mm，共包含16744 個(gè)單元和19089 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土雙跨梁有限元模型圖

雙跨梁、 中柱及左右邊柱均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其中混凝土本構(gòu)模型采用塑性損傷模型，鋼筋本構(gòu)模型采用雙線性模型，鋼筋、混凝土及約束彈簧均采用梁單元模擬。 加載板和約束板均采用實(shí)體單元模擬，加載方式參照100 kN 液壓伺服系統(tǒng)，位移量程為500 mm，加載速度為5 mm/min，從中柱頂部施加豎向荷載來模擬鋼筋混凝土雙跨梁斷裂過程。 模型中采用鉸支座對左右邊柱水平位移和豎向位移進(jìn)行約束， 對雙跨梁及中柱進(jìn)行水平位移約束，上、 下部均為自由界面。 混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度為25.7 MPa，彈性模量為2.82×104MPA，鋼筋材料參數(shù)如表1 所示。

表1 鋼筋型號及材料參數(shù)表

2 計(jì)算結(jié)果分析

為研究鋼筋混凝土雙跨梁抗連續(xù)倒塌性能，針對鋼筋混凝土雙跨梁斷裂過程中雙跨梁變形及受力情況進(jìn)行模擬分析，具體分析過程如下。

2.1 變形分析

針對鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的最大變形情況進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果如圖2 所示。

圖2 不同受力階段-最大位移變化曲線

根據(jù)圖2 可知， 在混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫之前，雙跨梁受力處于抗彎階段， 當(dāng)中柱豎向位移達(dá)到-25 mm 時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)裂縫，此時(shí)抗彎受力階段結(jié)束，內(nèi)部鋼筋開始受力，雙跨梁進(jìn)入壓拱受力階段，當(dāng)中柱豎向位移達(dá)到-143 mm 時(shí)，雙跨梁外側(cè)裂縫急劇增多，底部鋼筋斷裂，承重荷載均表現(xiàn)為上部鋼筋拉力應(yīng)變， 此時(shí)雙跨梁進(jìn)入懸索受力階段，當(dāng)中柱位移達(dá)到-260 mm 時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)被完全破壞，上部鋼筋完全斷裂，雙跨梁承重完全失效。

2.2 受力分析

針對鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的承載力變化情況進(jìn)行模擬分析，計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同中柱位移-承載力關(guān)系曲線

根據(jù)圖3 可知， 隨著中柱豎向位移的增大，雙跨梁不同受力階段的承載力變化情況存在一定差異， 原因是雙跨梁在不同受力階段的承重結(jié)構(gòu)不同，以及受力過程中部分承重結(jié)構(gòu)失效造成的。 當(dāng)中柱豎向位移為25 mm 時(shí)，抗彎受力階段承載力達(dá)到最大值，約為12.05 kN，當(dāng)中柱豎向位移為53.9 mm 時(shí)， 抗彎受力階段承載力達(dá)到最大值， 約為14.47 kN，當(dāng)中柱豎向位移為257.4 mm 時(shí)，壓拱受力階段承載力達(dá)到最大值，約為22.11 kN。

3 加固方案設(shè)計(jì)

以原模型設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元軟件分別建立直徑為8 mm、12 mm、16 mm 及20 mm 的鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁數(shù)值模型，并針對不同鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁抗連續(xù)倒塌性能進(jìn)行對比分析，其有限元模型如圖4 所示。

圖4 鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁有限元模型

計(jì)算模型中鋼索均采用梁單元模擬，本構(gòu)模型采用各向同性彈塑性強(qiáng)化段模型， 加固設(shè)計(jì)包括3個(gè)連接件， 分別固定在中柱和邊柱混凝土結(jié)構(gòu)中，在雙跨梁底部增設(shè)2 根可調(diào)節(jié)鋼索， 長度與梁一致， 計(jì)算過程中假設(shè)連接件與鋼索為均勻同質(zhì)材料，不考慮連接件的影響。 不同直徑鋼索材料參數(shù)如表2 所示。

4 加固效果分析

為研究鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁的實(shí)際效果，針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁變形及受力情況進(jìn)行對比分析，具體分析過程如下。

表2 鋼索材料參數(shù)表

4.1 變形對比分析

針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的最大變形情況進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表3、圖5 所示。

表3 雙跨梁最大豎向位移計(jì)算結(jié)果

圖5 雙跨梁最大豎向位移變化曲線

根據(jù)表3 可知， 隨著鋼索加固直徑的增大，鋼筋混凝土雙跨梁的最大豎向位移呈增大趨勢，說明采用鋼索加固后有效延遲了雙跨梁的最終斷裂時(shí)間。 在抗彎受力階段不同直徑鋼索加固后的雙跨梁最大豎向位移基本一致，原因是此時(shí)鋼索未參與受力，因此最大豎向位移未發(fā)生變化。 在壓拱受力階段不同直徑鋼索加固后的雙跨梁最大豎向位移分別增大了2.5 mm、8.6 mm、11.1 mm 及11.7 mm，增幅相對較小，而在懸索受力階段不同直徑鋼索加固后的雙跨梁最大豎向位移分別增大了75.9 mm、99.4 mm、122.9 mm 及127.2 mm，增幅相對較大，由此說明鋼索加固主要作用于雙跨梁懸索受力階段，可有效延遲雙跨梁最終斷裂距離，從而提升其抗連續(xù)倒塌性能。

4.2 受力對比分析

針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的最大承載力進(jìn)行對比分析，結(jié)果如表4、圖6 所示。

表4 雙跨梁最大承載力計(jì)算結(jié)果

圖6 雙跨梁最大承載力變化曲線

根據(jù)表4 可知，鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段最大承載力不隨鋼索直徑的變化而變化，說明抗彎階段鋼索未參與受力。 壓拱受力階段最大承載力隨著鋼索直徑的增大而逐漸減小，原因是此時(shí)鋼索雖參與受力，但彈性應(yīng)變還未達(dá)到極限狀態(tài)，因此無法較大程度增大壓拱受力階段的最大承載力，但相對于未采用鋼索加固的雙跨梁承載力有所增大。懸索受力階段最大承載力隨著鋼索直徑的增大而不斷增大，最大承載力相對于未加固的雙跨梁分別增大了39.2 kN、46.29 kN、53.9 kN 及54.5 kN，增幅較為明顯，說明鋼索加固效果顯著。 結(jié)合對雙跨梁變形的影響，鋼索加固直徑不宜過大或過小，鋼索直徑過小的加固效果相對較差，直徑過大增幅效果不大， 可根據(jù)實(shí)際工程情況選擇直徑為12 mm 或16 mm 的鋼索進(jìn)行加固效果較優(yōu)。

5 結(jié)論

本文基于有限元分析法，模擬分析了鋼筋混凝土雙跨梁斷裂過程中變形及受力變化規(guī)律，并針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁的效果進(jìn)行對比分析，得出以下結(jié)論：

(1)鋼索在雙跨梁抗彎受力階段不參與受力，在壓拱受力階段受力較小，主要作用于最終懸索受力階段，大幅度提升了雙跨梁的抗連續(xù)倒塌能力。

(2) 鋼索加固直徑的增大有效增強(qiáng)了鋼筋混凝土雙跨梁的變形能力和最大承載能力，采用直徑為12 mm 或16 mm 的鋼索加固后，變形能力分別增幅了38.2%和47.2%，最大承載力分別增幅了209.4%和244.2%。

(3)鋼索直徑超過16 mm 后，其加固效果增幅不大，同時(shí)還加大了成本投入和施工難度，因此在實(shí)際工程中選擇直徑為12 mm 或16 mm 鋼索對鋼筋混凝土雙跨梁進(jìn)行加固效果較優(yōu)。