沈 炫, 盧亦焱, 宗 帥, 馬文濤

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068; 2.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，湖北 武漢 430072)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建造和使用過程中受到施工質(zhì)量、環(huán)境侵蝕等不利因素的影響，往往會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力不足，難以正常使用。另外，對于結(jié)構(gòu)功能改變或有承載力升級需求的建筑，也亟需采取措施使其承載能力快速大幅提高。加固改造則是解決此類問題最為有效的手段。目前傳統(tǒng)加固方法如粘鋼加固法和增大截面法，因存在承載力提高幅度有限和施工周期較長等問題，難以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)承載力的快速大幅提升[1～3]，而采用型鋼加固，雖然能夠大幅提高承載力[4～7]，但也存在加固組件繁多、操作工藝復(fù)雜等不足[8,9]。

為解決混凝土結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)大幅提高承載力的問題，本課題組結(jié)合U型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢[10～13]，提出采用U型鋼對混凝土梁進(jìn)行加固的新型加固法[14]。本方法加固時(shí)僅用建筑結(jié)構(gòu)膠和錨固螺栓將U型鋼與混凝土梁側(cè)面連接，當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)膠硬化后U型鋼即可與混凝土梁形成U型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)共同工作。由于U型鋼底面鋼板與混凝土梁底板形成空間箱型結(jié)構(gòu)，加固梁在增加界面配筋率的同時(shí)截面高度也得到增大，使加固梁的承載力和剛度得到大幅提高，而建筑結(jié)構(gòu)膠硬化周期短的優(yōu)勢，則可縮短加固周期，使加固結(jié)構(gòu)可以快速投入使用。此外，加固后形成的空間箱型結(jié)構(gòu)不進(jìn)行混凝土填充，也使結(jié)構(gòu)自重增加相對較小。因此，與傳統(tǒng)加固方法相比本加固法具有明顯優(yōu)勢。

為深入了解U型鋼加固法的性能優(yōu)勢，本研究進(jìn)行了U型鋼加固梁的抗彎性能測試，并在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ABAQUS分析了U型鋼加固梁的全過程受力，并進(jìn)行了損傷演化分析，進(jìn)一步研究了U型鋼加固梁的工作機(jī)理，期望為U型鋼加固法的工程應(yīng)用提供理論參考。

1 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了12根試件，包括1根未加固對比梁和11根U型鋼加固梁，試件截面尺寸和試驗(yàn)參數(shù)如圖1、表1所示。加固梁所用U型鋼由3塊Q235級鋼板焊接制作，U型鋼側(cè)板上預(yù)制螺栓孔位置參照GB 50367《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]要求，并根據(jù)梁內(nèi)鋼筋位置進(jìn)行設(shè)計(jì)，為避免加固梁受彎變形后箱體與支墩碰觸，U型鋼下部箱形截面邊緣距支座距離為150 mm。試件所用鋼筋及加固用鋼板性能參數(shù)詳見表2。

表1 試件主要參數(shù)

表2 鋼材力學(xué)性能

圖1 U型鋼加固鋼筋混凝土梁/mm

試件采用四點(diǎn)彎曲加載方案，通過分配梁將對稱荷載施加于梁凈跨的三分點(diǎn)處。加載過程中試件表現(xiàn)出3種破壞形態(tài)，分別為剝離屈曲與彎曲破壞的混合破壞、彎曲破壞、剝離屈曲與剪切破壞的混合破壞，圖2為試件的3種典型破壞形態(tài)。由圖2a可知，試件未發(fā)生破壞時(shí)，U型鋼與混凝土梁連接良好，無剝離和屈曲；對于發(fā)生剝離屈曲與彎曲破壞的混合破壞試件，U型鋼側(cè)板多處發(fā)生剝離并屈曲，破壞時(shí)加固梁純彎段頂面混凝土出現(xiàn)壓潰,如圖2b；發(fā)生彎曲破壞的試件在整個(gè)加載過程中U型鋼側(cè)板未發(fā)生剝離，試件破壞表現(xiàn)為跨中純彎段頂面混凝土壓潰,如圖2c；發(fā)生剝離屈曲與剪切破壞的混合破壞試件，U型鋼側(cè)板在剪跨段過早發(fā)生剝離，導(dǎo)致剪跨段抗剪能力不足，混凝土梁出現(xiàn)從支座向加載點(diǎn)延伸的斜裂縫而破壞(圖2d)，此種破壞發(fā)生過程較為突然，屬于脆性破壞，在工程應(yīng)用中應(yīng)予以避免。

圖2 試件破壞形態(tài)

圖3為加固試件彎矩-撓度曲線。由圖3a可知，相對于混凝土對比梁RCB，11根U型鋼加固梁承載力提高了5～7倍，表明加固梁承載力得到了大幅提升。圖3b為試件SRCB1加載初期的撓度曲線與混凝土對比梁RCB撓度曲線的對比，從該圖可以清晰的觀察到當(dāng)對比梁RCB達(dá)到極限荷載時(shí)，加固梁SRCB1的跨中撓度僅為對比梁的1/30，表明加固試件的剛度得到大幅提升。此外，根據(jù)各試件參數(shù)變化對加固性能的影響可知，加固梁的承載力以及剛度隨著加固后截面高度增加而增大；增加U型鋼側(cè)面鋼板或底面鋼板厚度均可提高加固結(jié)構(gòu)的承載力和剛度；待加固梁的初始配筋率的提高對加固試件剛度提高作用較小，但可增大極限承載力；隨著待加固試件混凝土強(qiáng)度等級的提高，加固構(gòu)件的承載力和剛度隨之提高，加固試件也具有更好的整體工作性能。

圖3 加固試件彎矩-撓度曲線

2 有限元分析

由于本加固方法采用U型鋼加固時(shí)，U型鋼對混凝土梁側(cè)面及底面進(jìn)行了包裹，試驗(yàn)過程中無法觀察混凝土梁發(fā)生破壞的過程，因此采用有限元軟件模擬U型鋼加固梁的受力過程，可進(jìn)一步了解U型鋼加固混凝土梁的受力機(jī)理，為工程應(yīng)用提供參考。

2.1 單元模型及本構(gòu)關(guān)系

本研究中混凝土采用C3D8R單元，該單元為8節(jié)點(diǎn)6面體線性減縮實(shí)體單元，在計(jì)算時(shí)不易發(fā)生剪切自鎖的現(xiàn)象，對位移的求解比較精確。對鋼筋和螺栓的模擬采用梁單元B31單元，梁單元可以產(chǎn)生軸向、彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，在分析包含接觸分析問題時(shí)具有較大優(yōu)勢。U型鋼采用殼單元S4R單元，即4節(jié)點(diǎn)四邊形有限薄膜應(yīng)變線性縮減積分殼單元。

混凝土本構(gòu)模型采用ABAQUS提供的塑性損傷模型，即Concrete Damaged Plasticity模型，混凝土的受壓及受拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用GB 50010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16]中推薦的模型；鋼材視為各向同性，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用彈性強(qiáng)化型模型，該模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系具有唯一性，在計(jì)算過程中有利于保證計(jì)算收斂。

2.2 模型建立與求解

對于界面的處理，鋼筋與混凝土之間采用區(qū)域嵌固進(jìn)行處理。U型鋼與混凝土梁設(shè)置為面-面接觸，其中將鋼板設(shè)為主面，混凝土表面設(shè)為從屬面，兩者法向上設(shè)置為硬接觸，即U型鋼側(cè)板與混凝土面可以傳遞壓力，但接觸單元不能相互滲入，當(dāng)接觸面的壓力為零或者負(fù)值時(shí)，接觸面相互脫離接觸。模型計(jì)算采用Newton-Raphson平衡迭代法，當(dāng)?shù)^程中殘差力小于容許值則認(rèn)為達(dá)到平衡狀態(tài)。

2.3 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

圖4為典型試件SRCB1的有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比。由圖4可知，有限元計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線在各階段發(fā)展趨勢吻合較好，計(jì)算曲線在彈性階段及彈塑性階段變形略小于試驗(yàn)值，而在破壞階段曲線發(fā)展較為平緩。這是由于實(shí)際加固試件材料性能存在一定離散性，以及加固試件在制作和加載過程中人為因素影響所導(dǎo)致。但從表1給出的發(fā)生剝離屈曲與彎曲破壞試件的有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比可知，Pu,FEM/Pu,t的平均值為1.008，均方差為0.052，計(jì)算結(jié)果吻合較好。綜合以上對比結(jié)果，可知本有限元模型可以較好的對U型鋼加固混凝土梁的全過程受力進(jìn)行模擬。

圖4 典型試件的有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比

2.4 應(yīng)力分析

圖5為U型鋼加固梁SRCB1達(dá)到極限荷載時(shí)的應(yīng)力分布情況。由圖5可知，U型鋼側(cè)板在受壓區(qū)存在明顯屈曲，與試驗(yàn)中因發(fā)生剝離而形成屈曲的現(xiàn)象較為吻合，且發(fā)生屈曲的U型鋼側(cè)板應(yīng)力要明顯大于未發(fā)生剝離的側(cè)板，而發(fā)生U型鋼剝離區(qū)域的混凝土壓應(yīng)力也明顯高于其他區(qū)域。由此可知，當(dāng)U型鋼發(fā)生剝離后，該區(qū)域的混凝土將承擔(dān)更多的壓應(yīng)力，導(dǎo)致該區(qū)域混凝土易發(fā)生壓潰。另外，從圖中也可以發(fā)現(xiàn)U型鋼側(cè)板及混凝土梁設(shè)置有螺栓的區(qū)域應(yīng)力也相對較高，表明錨固螺栓能夠提供界面剪力，抑制界面滑移的發(fā)展，保證U型鋼與混凝土梁共同工作。

圖5 加固梁應(yīng)力云圖/MPa

2.5 混凝土梁損傷演化分析

2.5.1 受拉損傷演化分析

圖6為典型加固試件SRCB1混凝土梁的受拉損傷演化圖。由圖6可知，加固組合梁的混凝土受拉損傷首先出現(xiàn)在純彎段梁底，隨著荷載的增大，純彎段的損傷范圍逐漸增大。與此同時(shí)，由于加固梁梁端U型鋼與混凝土梁之間開始出現(xiàn)相對滑移，錨固螺栓在發(fā)揮抗剪作用抑制相對滑移的同時(shí)，也導(dǎo)致混凝土梁最外側(cè)螺栓區(qū)域出現(xiàn)一定損傷，而加固梁跨中區(qū)域由于相對滑移趨勢較小，該處螺栓區(qū)域損傷與端部相比也較小。隨著荷載的進(jìn)一步增大，梁底受拉損傷區(qū)域逐漸向梁頂擴(kuò)展，而剪跨段螺栓區(qū)域的損傷范圍也在擴(kuò)大，并出現(xiàn)了斜向發(fā)展的損傷趨勢，表明螺栓孔的存在使剪跨段螺栓孔附近的混凝土易產(chǎn)生斜向剪切裂縫。而同時(shí)注意到雖然斜向損傷由截面中部向梁端支座和梁頂面加載點(diǎn)延伸，但并未形成貫通的斜向損傷，這也表明U型側(cè)板在粘結(jié)良好的情況下能夠?qū)π绷芽p的發(fā)展起到有效的抑制作用。

圖6 加固混凝土梁各階段受拉損傷

2.5.2 受壓損傷演化分析

圖7為試件SRCB1混凝土梁的受壓損傷演化圖。由圖7可知，混凝土受壓損傷出現(xiàn)相對較晚，這是由于U型鋼加固后，位于受壓區(qū)的U型鋼側(cè)板相當(dāng)于增加了受壓區(qū)配筋，在未發(fā)生剝離的情況下，鋼板的存在大幅提升了結(jié)構(gòu)受壓區(qū)的抗壓能力，使混凝土梁的受壓損傷發(fā)展較慢。隨著荷載的增加，純彎段的壓應(yīng)力不斷增大，使得混凝土的損傷區(qū)域不斷增大。另外，由于U型鋼與混凝土梁之間的變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致界面出現(xiàn)相對滑移，而錨固螺栓對滑移的約束作用，也使螺栓孔區(qū)域產(chǎn)生受壓損傷。隨著荷載的繼續(xù)增加，損傷區(qū)域不斷向梁底擴(kuò)展。而當(dāng)U型鋼側(cè)板發(fā)生剝離后，混凝土梁對應(yīng)區(qū)域的受壓損傷程度要明顯高于未剝離區(qū)域。這是由于U型鋼發(fā)生剝離后形成半波屈曲，其所能承擔(dān)的壓應(yīng)力大幅減小，截面壓應(yīng)力由U型鋼與混凝土梁共同承擔(dān)轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕苫炷亮撼袚?dān)。因此，當(dāng)加載至極限荷載時(shí)，發(fā)生剝離區(qū)域的混凝土受壓損傷要遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，在試驗(yàn)中則表現(xiàn)出該區(qū)域混凝土發(fā)生壓潰。

圖7 加固混凝土梁各階段受壓損傷

3 結(jié) 論

(1)采用U型鋼加固鋼筋混凝土梁，U型鋼能夠與混凝土梁形成組合結(jié)構(gòu)共同工作，加固梁與原混凝土梁相比，承載力和剛度都得到了大幅提高。

(2)本文有限元模型計(jì)算所得的荷載-撓度曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好，加固梁模型的破壞形態(tài)與試驗(yàn)現(xiàn)象相符，說明本模型能夠較為準(zhǔn)確地對U型鋼加固梁的受力行為進(jìn)行模擬。

(3)由有限元模型損傷演化過程可知，加固后的混凝土梁受拉損傷隨著荷載的增大由梁底逐漸向梁頂發(fā)展；由于螺栓孔的存在會使剪跨段產(chǎn)生斜向剪切裂縫，但U型鋼側(cè)板會對裂縫的發(fā)展起到一定的抑制作用；U型鋼側(cè)板發(fā)生剝離后其承壓作用將減弱，該截面的壓應(yīng)力將主要由混凝土承擔(dān)，導(dǎo)致該區(qū)域混凝土率先發(fā)生壓潰。