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        UHPC 加固鋼筋混凝土矩形截面梁抗彎承載能力分析

        2021-10-14 07:24:18
        甘肅科技 2021年17期
        關(guān)鍵詞:梁底簡支梁云圖

        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)已無法滿足現(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、變形過大等問題[1]。因此,對(duì)無法滿足現(xiàn)代運(yùn)營需求的基礎(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)增加過多的自重。

        超高性能混凝土 (Ultra High Performance Concrete,簡稱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單的加固材料。與增大截面法類似,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,簡支梁各截面位移沿梁縱向的變化關(guān)于跨中截面對(duì)稱,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,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。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)既有無法滿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)。

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