李 妍，田雨陽

吉林建筑大學 木工程學院,長春 130118

當鋼筋混凝土結構經(jīng)歷一段服役期之后,由于混凝土的抗拉強度較低,導致鋼筋混凝土受彎構件跨中區(qū)域易產(chǎn)生裂縫,以至受彎構件長期帶裂縫工作,甚至會加速構件的強度損失,對其受彎性能造成一定影響.鑒于鋼絞線具有很高的抗拉強度,本文提出一種利用高強鋼絞線以體外預應力加固方式對鋼筋混凝土簡支梁進行加固[1],以提高RC梁的抗彎性能,并用有限元軟件模擬其受力特點,對不同參數(shù)的加固梁進行模擬,并與理論計算值對比,驗證方案的可行性與結果的準確性.

1 本構關系

為保證構件受力狀態(tài)的準確性,增加模擬的可靠度,本次有限元分析的本構關系均采用《混凝土結構設計規(guī)范》[2]中提供的理論模型.

(1) 混凝土單軸受壓本構模型,計算式如下:

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

(3)

(2) 混凝土單軸受拉本構模型,計算式如下:

σ=(1-dt)Ecε

(4)

(5)

(6)

(3) 筋單調(diào)受拉本構模型,計算式如下:

(7)

2 有限元分析

為研究預應力高強鋼絞線對鋼筋混凝土梁的抗彎加固效果[3],利用ABAQUS分析軟件對模擬梁進行了受力分析[4].本次模擬共設計4組不同工況的鋼筋混凝土梁模型,其中1組為無加固對比梁,其余3組為預應力高強鋼絞線加固梁.構件尺寸為200 mm×400 mm×2 100 mm;混凝土強度等級為C 30,保護層厚度為30 mm;受拉鋼筋和架立筋均使用HRB 335級鋼筋,箍筋使用HPB 300級鋼筋,如圖1所示.

圖1 試件配筋圖Fig.1 Reinforcement diagram of test piece

加固材料采用直徑為8.7 mm的高強鋼絞線,因規(guī)范中規(guī)定鋼絞線的張拉控制應力σcon≤0.75fpk,故3組模擬的預應力度分別確定為為鋼絞線抗拉強度的25 %,30 %,35 %.具體參數(shù)如表1所示.

表1 試件參數(shù)Table 1 parameter table of test piece

2.1 模型建立

對混凝土采用實體單元、鋼筋采用桁架單元進行模型建立,鋼筋骨架利用Embedded約束嵌入到混凝土中;另對支座處與受力點處逐次添加4個厚度為3 cm的鋼墊片,以防止局部出現(xiàn)應力集中,鋼墊片與混凝土梁用Tie約束綁定在一起.鋼絞線采用實體單元建模,長度為1 200 mm,預應力錨具采用厚度為4 cm的鋼塊,其中,錨具利用Tie約束分別綁定于梁底指定位置,3根鋼絞線沿梁橫截面方向均勻布置,間距為60 mm,與錨具的約束方式為Tie(綁定).

2.2 材料參數(shù)

具體材料參數(shù)情況如表2所示.

表2 材料參數(shù)Table 2 Material parameters

2.3 網(wǎng)格劃分

在ABAQUS模擬軟件中,網(wǎng)格劃分的關鍵程度足以影響到模擬結果的準確性以及軟件的計算效率,故網(wǎng)格的尺寸以及類型是網(wǎng)格劃分的關鍵部分.本模型對混凝土梁網(wǎng)格的尺寸界定為30 mm,對鋼筋和鋼絞線的尺寸界定更為細致為10 mm.因混凝土梁受彎區(qū)為本次模擬的關鍵部分,故將受彎區(qū)網(wǎng)格加密,布種尺寸為20 mm,如圖2所示.

A.鋼筋混凝土梁

B.加固裝置

C.鋼筋籠

D.高強鋼絞線

2.4 預應力的施加以及加載方式

(1) 本次模擬利用降溫法[5-6]對鋼絞線施加預應力,即利用鋼絞線熱脹冷縮這一特性,對鋼絞線施加一個預定義溫度場,使鋼絞線體積縮小從而內(nèi)部產(chǎn)生應力,從而達到施加預應力的效果.降溫法模擬預應力采用幅值建立起規(guī)律逐步降溫,以模擬真實施加預應力過程,該過程在step1全部完成.溫度變化值采用下式進行計算:

其中,α表示鋼絞線的溫度膨脹系數(shù),可取1×10-5.

(2) 本次模擬采用集中力加載方式[7],即在試件梁上部沿梁跨度方向2個三分點處設置2個加載參考點,對2個參考點施加豎向集中力,并采用幅值建立起規(guī)律進行加載,以確保模擬結果的準確性.

2.5 模擬結果

本次模擬除初始支座約束外,對比梁L 1設1個分析步,即為豎向位移荷載;加固梁設2個分析步,其中step 1為溫度預定義場[1],即預應力的施加.以預應力度為25 %的模型為例,圖3為該模型在預應力作用下各部件內(nèi)部產(chǎn)生應力變化的云圖.由圖3可見,此時鋼絞線內(nèi)部應力為316 MPa,由錨具連接于混凝土梁底,使混凝土梁底受彎區(qū)產(chǎn)生約3.2 MPa的壓應力,已初步達到預應力狀態(tài).

A.鋼絞線

B.混凝土梁

Step 2為豎向集中力荷載,即在step 1預應力施加完成后,在梁頂部兩受力點處分別施加等值豎向集中力.圖4分別為各組試件加載后應力云圖.

A.對比梁

B.25 % 預應力加固梁

C.30 % 預應力加固梁

D.35 % 預應力加固梁

可見,混凝土構件經(jīng)預應力高強鋼絞線加固之后,展現(xiàn)出了比普通混凝土梁更好的抗彎性能.相比普通RC梁,加固梁跨中區(qū)域裂縫出現(xiàn)時間推遲,裂縫擴散較慢且更加稀疏,當預應力度為25 %時,其極限荷載為92.03 kN,較之對比梁的極限荷載為76.06 kN提升了21 %；當預應力度為30 %,35 %時,其極限荷載分別為98.12 kN,105.62 kN,較之對比梁分別提升了29 %,39 %.其原因是高強鋼絞線在預應力作用下較好地發(fā)揮了力學性能,在初始階段幫助混凝土梁抵抗了部分彎矩,使加固梁的開裂荷載、極限荷載等力學性能指標均有不同程度地提升,且隨著預應力度由25 %上升到35 %,加固效果越來越好,其對比情況如圖5所示.

A.開裂荷載

B.極限荷載

表3 承載力對比Table 3 Comparison of bearing capacity

3 結語

本次模擬對不同預應力度的混凝土加固梁進行抗彎性能測試,結果與普通未加固梁相比,結論如下:

(1) 結合各組試件的塑型損傷和裂縫開展情況,發(fā)現(xiàn)各組試件發(fā)生開裂情況的區(qū)域基本一致,但裂縫出現(xiàn)時間不同,表現(xiàn)為其預應力度越高,裂縫出現(xiàn)時間越晚,其原因為預應力致使混凝土梁底受拉區(qū)域提前產(chǎn)生壓應力,抵消了部分受壓前期梁底產(chǎn)生的拉應力,從而推遲了裂縫的出現(xiàn),說明預應力鋼絞線可以提升混凝土梁的抗裂性能.

(2) 對于3組預應力加固梁,其極限荷載較之對比梁均有不同程度的提高,當預應力度為35 % 時,極限荷載最大提高了39 %,說明預應力鋼絞線可以與混凝土梁較好的協(xié)同工作,并可以提升混凝土梁的抗彎性能,加上此加固理念施工便捷、造價低,則該加固方式可推廣于實際工程中破損構件的加固施工.