劉傳奇, 孔凡磊
(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 青島 266033; 2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院, 西安 710064)
鋼板加固混凝土是基于鋼混組合結(jié)構(gòu)提出一種新的加固形式,位于梁底的鋼板可以充分發(fā)揮其抗拉性能,焊接在鋼板上的連接件可以使鋼板和混凝土形成整體,抵抗界面剪力。
壓型鋼板由于其構(gòu)造特點(diǎn),波峰和波谷可以作為縱向加勁肋,與普通鋼板相比大大提高了抗彎承載力;組合結(jié)構(gòu)通過(guò)剪力連接件產(chǎn)生組合作用,常用的剪力連接件有開(kāi)孔板(perfobond leiste,PBL)和栓釘?shù)萚1-5]。目前,壓型鋼板加固混凝土技術(shù)已展開(kāi)研究[6],但相對(duì)較少。PBL加勁型壓型鋼板加固混凝土技術(shù)具有廣闊的前景。
PBL連接件采用的研究方法有推出試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬。目前,中外學(xué)者已對(duì)PBL連接件進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究和理論分析。Oguejiofor等[7]通過(guò)推出試驗(yàn)提出了考慮開(kāi)孔個(gè)數(shù)、開(kāi)孔間距、混凝土強(qiáng)度和橫向鋼筋等參數(shù),得出了PBL荷載值計(jì)算公式。Medberry等[8]通過(guò)試驗(yàn)得出鋼與混凝土之間的黏結(jié)摩擦作用可以在一定程度上提高PBL連接件荷載值。Kraus等[9]和Zheng等[10]通過(guò)建立的有限元模型對(duì)PBL連接件的影響參數(shù)分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比,認(rèn)為有限元模型能夠有效模擬PBL連接件的力學(xué)性能。楊勇等[11]認(rèn)為端部承壓可以提高PBL連接件的極限承載力,并給出了考慮端部承壓的PBL連接件極限荷載值計(jì)算公式。肖林等[12]通過(guò)6組PBL連接件推出試驗(yàn),研究了PBL連接件破壞機(jī)理和PBL厚度對(duì)荷載值和破壞模式的影響,認(rèn)為PBL厚度對(duì)極限荷載值、抗剪剛度和延性均有顯著影響。張清華等[13]根據(jù)PBL連接件的受力特點(diǎn),建立了連接件群變形協(xié)調(diào)理論模型,提出了連接件群的荷載-滑移變形協(xié)調(diào)計(jì)算方法。馮劍平等[14]通過(guò)有限元模型與試驗(yàn)結(jié)果和理論公式計(jì)算結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了有限元分析可以作為PBL連接件受力分析的方法。
為研究PBL加勁型壓型鋼板混凝土界面黏結(jié)-滑移機(jī)理,首先設(shè)計(jì)3組共9個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行推出試驗(yàn),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析PBL連接件在鋼板中的破壞形態(tài)和極限荷載值。然后采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定模型參數(shù)。最后通過(guò)有限元數(shù)值模擬分析了PBL連接件在孔洞直徑大小、混凝土強(qiáng)度、鋼板強(qiáng)度和PBL鋼板厚度等參數(shù)的影響下的受力狀態(tài),明確PBL加勁型鋼板加固混凝土界面黏結(jié)-滑移機(jī)理。
設(shè)計(jì)了3組9個(gè)試件進(jìn)行推出試驗(yàn),PBL連接件主要參數(shù)如表1所示。試件中壓型鋼底板厚度為6 mm,PBL剪力連接件厚度為14 mm,貫穿鋼筋直徑為16 mm,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50。試件混凝土表面設(shè)置間距為100 mm的鋼筋網(wǎng),鋼筋直徑均為12 mm。PBL連接件的尺寸為513 mm×140 mm,推出試件尺寸為660 mm×366 mm×700 mm,試件具體構(gòu)造尺寸如圖1所示。
試件制作的過(guò)程中,在PBL剪力連接件下端墊長(zhǎng)度為5 cm的泡沫板用來(lái)消除端部承壓影響。除試件P-B-R-3外,其余試件均在鋼板與混凝土接觸面上涂抹黃油,來(lái)消除鋼板與混凝土之間的黏結(jié)作用。壓力機(jī)操作臺(tái)上鋪一層細(xì)砂調(diào)平。
表1 PBL連接件試件參數(shù)
圖1 試件構(gòu)造尺寸Fig.1 Structure dimensions of specimens
試件混凝土在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d,測(cè)得 150 mm 立方體抗壓強(qiáng)度為54.6 MPa。PBL連接件及壓型鋼底板采用Q345鋼材,屈服強(qiáng)度為 410.3 MPa,極限強(qiáng)度為512.4 MPa。貫穿鋼筋及表層鋼筋網(wǎng)均采用HRB400級(jí)鋼筋,屈服強(qiáng)度為443.2 MPa,極限強(qiáng)度為600.5 MPa。
圖2 試件加載裝置圖Fig.2 Load setup of specimens
本次試驗(yàn)加載裝置采用500 t微機(jī)控制的電液伺服壓力機(jī),試件加載布置如圖2所示。試驗(yàn)加載時(shí)采用位移控制加載至破壞,加載速率為 0.2 mm/min。試件的兩側(cè)各放置兩個(gè)位移傳感器測(cè)量壓型鋼板與混凝土之間的相對(duì)滑移。加載值和滑移量均通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)采集。整個(gè)加載過(guò)程大于180 min。
1.3.1 破壞形態(tài)
圖3為部分試件的裂縫分布圖。從試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出,試件破壞大致經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段和破壞階段3個(gè)階段。加載初期,試件無(wú)明顯現(xiàn)象,荷載主要由混凝土榫和鋼板共同承擔(dān),此時(shí)試件處于彈性階段。鋼板與混凝土有黏結(jié)摩擦作用的試件彈性階段的荷載值大于無(wú)黏結(jié)摩擦作用的試件,這是因?yàn)榧虞d初期荷載由鋼板和混凝土之間的黏結(jié)力抵抗。當(dāng)荷載加載至極限荷載的30%左右時(shí),試件底部開(kāi)始出現(xiàn)裂縫,試件進(jìn)入塑性階段。塑性階段初期,荷載由混凝土榫抵抗,隨著荷載的增加,混凝土榫逐漸開(kāi)裂并逐漸失去作用,貫穿鋼筋開(kāi)始參與受力。此時(shí),異性波折底板與混凝土出現(xiàn)較大的相對(duì)滑移,試件裂縫寬度和長(zhǎng)度逐漸發(fā)展。破壞階段,試件裂縫迅速發(fā)展,試件底部出現(xiàn)多條裂縫,混凝土有不同程度的剝落。內(nèi)部貫穿鋼筋出現(xiàn)變形,混凝土榫完全失去作用。試件的破壞階段持續(xù)了近120 min,表現(xiàn)出良好的延性。
1.3.2 極限荷載值
試件的極限荷載值和相應(yīng)的滑移量如表2所示。由表2可知,試件P-NB-R的極限荷載值平均值比試件P-NB-NR提高了716.5 kN,約73.8%,兩者的區(qū)別在于有無(wú)貫穿鋼筋,所以貫穿鋼筋可以有效地提高PBL連接件的極限荷載值。試件P-B-R的極限荷載值平均值比試件P-NB-R提高了 102.9 kN,兩者的區(qū)別在于異性波折鋼板和混凝土之間是否有黏結(jié)摩擦作用,所以,黏結(jié)摩擦力也可以提高PBL剪力連接件的極限荷載值。但是由于實(shí)際結(jié)構(gòu)中影響?zhàn)そY(jié)摩擦力因素眾多,工作機(jī)理不穩(wěn)定,因此計(jì)算時(shí)通常不考慮黏結(jié)摩擦力,而是作為設(shè)計(jì)荷載的安全儲(chǔ)備。
圖3 混凝土破壞形態(tài)Fig.3 Failure pattern of concrete
表2 推出試驗(yàn)結(jié)果
對(duì)于極限滑移量,有貫穿鋼筋的試件P-NB-R比無(wú)貫穿鋼筋的試件P-NB-NR平均值高了 2.84 mm,滑移量越多說(shuō)明試件的延性越好,所以貫穿鋼筋可以提高試件的延性。試件P-B-R比試件P-NB-R的極限滑移量提高了0.58 mm,說(shuō)明黏接摩擦作用也可以提高延性,但是效果不明顯。
利用有限元軟件ANSYS對(duì)推出試件進(jìn)行有限元模擬,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用整體式模型。有限元模型中混凝土采用Solid65單元,該單元可模擬混凝土開(kāi)裂壓碎的影響?;炷羻卧獜堥_(kāi)和閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)分別取值為0.5和0.95。PBL連接件采用Solid185單元;壓型鋼板采用Shell181單元,其積分方法選擇其默認(rèn)的有沙漏控制的縮減積分,鋼筋采用Solid45單元。有限元模型中材料本構(gòu)關(guān)系,混凝土采用多線性等向強(qiáng)化模型,波形鋼板、剪力連接件、貫穿鋼筋均采用雙線性等向強(qiáng)化(bilinear isotropic hardening,BISO)模型模擬,并采用Mises屈服準(zhǔn)則。鋼材與混凝土間的接觸。應(yīng)用TARGE170單元模擬目標(biāo)面,TARGA174模擬接觸面,摩擦因數(shù)采用0.2。對(duì)于混凝土單元,有限元模型的網(wǎng)格劃分大小對(duì)計(jì)算結(jié)果收斂有較大影響。為了提高計(jì)算速度以及避免局部造成應(yīng)力集中,對(duì)模型不同位置劃分不同的單元尺寸,整體單元尺寸取20 mm以盡可能減少計(jì)算時(shí)間,混凝土榫和貫穿鋼筋附近局部單元尺寸取5 mm以盡可能準(zhǔn)確模擬試件的力學(xué)行為,網(wǎng)格劃分方法采用多區(qū)域掃描方法。推出試件有限元模型如圖4所示。
圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of structural finite element model
表3為試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值對(duì)比,由表3可知,有限元計(jì)算得出的荷載值和滑移量都略小于推出試驗(yàn)得出的數(shù)值,有限元分析結(jié)果偏于保守,對(duì)結(jié)構(gòu)安全性有利。相應(yīng)參數(shù)下兩者的誤差均在5%以內(nèi),吻合度良好,因此運(yùn)用ANYSYS對(duì)PBL剪力連接件進(jìn)行有限元分析是可行的。
表3 試驗(yàn)值與有限元計(jì)算值對(duì)比
以試驗(yàn)為基礎(chǔ)建立PBL連接件有限元模型,通過(guò)改變PBL孔徑大小、混凝土強(qiáng)度、開(kāi)孔鋼板強(qiáng)度和PBL厚度等影響參數(shù),得出有限元PBL連接件的荷載-滑移曲線,分析各個(gè)影響參數(shù)對(duì)PBL連接件荷載值的影響。
初始模型中PBL直徑為50 mm,分別調(diào)整PBL直徑為40 mm和60 mm,其余參數(shù)保持不變,得出PBL連接件荷載值與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖5所示。
圖5 不同孔徑的荷載-滑移曲線Fig.5 Load-slip curves in different hole diameters
由圖5可知,相對(duì)于開(kāi)孔直徑為50 mm,開(kāi)孔直徑為40 mm時(shí)PBL連接件極限荷載值降低了12.5%,開(kāi)孔直徑為60 mm時(shí)PBL連接件極限荷載值提高了11.2%,PBL連接件的極限荷載值隨著開(kāi)孔直徑的增加而增加。
初始模型中混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,分別調(diào)整混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40和C60,其余參數(shù)保持不變,得出PBL連接件荷載值與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖6所示。
圖6 不同混凝土強(qiáng)度的荷載-滑移曲線Fig.6 Load-slip curves in different concrete grades
由圖6可知,相對(duì)于混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40的PBL連接件極限荷載值降低了9.4%,混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C60的PBL連接件極限荷載值提高了6.4%,PBL連接件的極限荷載值隨著混凝土強(qiáng)度的提高而增加。
初始模型中PBL強(qiáng)度等級(jí)為Q345,分別調(diào)整開(kāi)孔鋼板強(qiáng)度等級(jí)為Q235和Q390,其余參數(shù)保持不變,得出PBL連接件荷載值與PBL強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖7所示。
圖7 不同鋼板強(qiáng)度的荷載-滑移曲線Fig.7 Load-slip curves in different steel strength
由圖7可知,PBL連接件極限荷載值隨著PBL強(qiáng)度等級(jí)的提高基本沒(méi)有變化,這是因?yàn)镻BL連接件主要由孔中混凝土榫和貫穿鋼筋抵抗外部荷載。已有研究表明,PBL即使在強(qiáng)度等級(jí)Q235時(shí),達(dá)到極限荷載后也基本無(wú)變形,因此開(kāi)孔鋼板強(qiáng)度等級(jí)的變化不會(huì)改變滑移量和荷載值。
初始模型中PBL厚度為14 mm,分別調(diào)整開(kāi)孔鋼厚度為12 mm和16 mm,其余參數(shù)保持不變,得出PBL連接件荷載值與PBL厚度關(guān)系曲線如圖8所示。
圖8 不同PBL厚度的荷載-滑移曲線Fig.8 Load-slip curves in different steel thickness
由圖8可知,相對(duì)于PBL厚度為14 mm,PBL厚度為12 mm的PBL連接件極限荷載值降低了6.7%,PBL厚度為16 mm的PBL連接件極限荷載值提高了4.2%,PBL連接件的極限荷載值隨著PBL厚度的增加而增加。PBL連接件破壞形式為混凝土剪切破壞,孔中混凝土榫的體積的增加可以提高極限荷載值,PBL厚度的增加可以增加混凝土榫體積。
在推出試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合有限元數(shù)值模擬,分析了帶PBL加勁型壓型鋼板加固混凝土的破壞形態(tài)和界面黏結(jié)-滑移機(jī)理,得到以下結(jié)論。
(1)推出試驗(yàn)結(jié)果表明,試件的破壞大致經(jīng)歷彈性階段、塑性階段和破壞階段,破壞時(shí),混凝土出現(xiàn)貫通裂縫,底部混凝土剝落,試件表現(xiàn)出良好的延性。
(2)有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明,有限元分析和試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高,結(jié)果與實(shí)際相比偏安全,可以運(yùn)用ANSYS有限元軟件對(duì)PBL連接件進(jìn)行分析模擬。
(3)推出試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明,PBL連接件的荷載值隨著開(kāi)孔直徑、混凝土強(qiáng)度和PBL厚度的增加而增加,貫穿鋼筋是影響PBL極限荷載值的重要參數(shù),有貫穿鋼筋的試件比無(wú)貫穿鋼筋的試件極限荷載值提高了約73.8%,影響最為明顯,PBL厚度對(duì)其荷載值影響不顯著,而PBL強(qiáng)度對(duì)其荷載值基本無(wú)影響。