王錦森 涂 沖 魯 淵

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，ABAQUS 越來越多的用于結(jié)構(gòu)工程模擬與分析[1-2]，結(jié)構(gòu)加固補強的相關(guān)研究[3-4]應用也越來越廣泛。以一實際工程為例，利用ABAQUS 研究其受力特性。某在建工程為鋼筋混凝土框架剪力墻結(jié)構(gòu)高層建筑，因外立面造型施工需要，在一連接兩剪力墻墻肢的連梁跨中附近進行了機械切割。為保證結(jié)構(gòu)后續(xù)的安全使用，在完成外立面造型施工后，針對該連梁進行了荷載研究分析，并制定了加固補強方案。

加固補強方案如下：第1，該連梁截斷處采用同型號鋼筋對受拉鋼筋、受壓鋼筋進行焊接搭接，搭接長度均為300 mm；第2，該連梁原混凝土設(shè)計強度為C30，補強采用高一標號（C35）混凝土進行振搗填充；第3，外加適量膨脹劑，振搗密實后進行標準養(yǎng)護，各項施工程序和工藝嚴格執(zhí)行現(xiàn)行標準進行。標準養(yǎng)護28 d 后進行堆載試驗，試驗結(jié)果表明其承載能力完全滿足設(shè)計需求。為了解結(jié)構(gòu)補強后的工作狀況，利用ABAQUS 有限元軟件對連梁最不利荷載工況組合下的受力特性進行分析，為后續(xù)使用類似工程技術(shù)的相關(guān)人員提供理論依據(jù)。

1 模型計算參數(shù)選取

1.1 計算軟件

本計算內(nèi)容所采用的分析軟件是達索公司開發(fā)的ABAQUS（6.14.4 版本）有限元數(shù)值仿真計算軟件，計算選用隱式算法，采用的分析步為Static-General。為保證結(jié)果的真實性及仿真模擬的可靠性，計算中對該梁所承受的設(shè)計值荷載進行放大，鋼筋（HRB 400）的連接采用搭接面積最小的對焊連接，補強處澆筑的混凝土標號按原設(shè)計強度（C30）進行模擬（表1）。

表1 構(gòu)件參數(shù)

1.2 計算假定與荷載取值

依據(jù)施工圖紙及現(xiàn)場施工的相關(guān)數(shù)據(jù)，所需進行研究的連梁其兩端與結(jié)構(gòu)的剪力墻連接，考慮到連接部分具有足夠大的剛度值，在選取梁模型計算時默認其為兩端固接[5]。

關(guān)于連梁上的荷載取值，除考慮混凝土梁自身的重力荷載外，尚需依據(jù)施工圖紙信息考慮連梁上作用的墻體荷載，與連梁相接的樓板所傳遞來的荷載及與連梁相接梁所傳遞來的荷載（圖1）。連梁上部填充墻體高度為2.6 m，普通磚容重為18 kN/m3，則均布荷載值為0.0468 N/mm2，考慮到墻體兩側(cè)的裝修、抹灰等因素，將該荷載放大至0.06 N/mm2，與連梁相接梁集中力轉(zhuǎn)化為對應區(qū)域的均布面荷載值為0.14 N/mm2。

圖1 連梁上部荷載布置示意圖（來源：作者自繪）

1.3 混凝土本構(gòu)關(guān)系

采用ABAQUS 自帶的混凝土損傷塑性模型（Concrete Damaged Plasticity Model，CDP）來描述混凝土隨加載的強度變化情況，具體參數(shù)取值詳見表2，CDP 的應力-應變曲線如圖2 所示。

圖2 C30 混凝土本構(gòu)關(guān)系（來源：作者自繪）

表2 混凝土材料參數(shù)

1.4 鋼筋本構(gòu)關(guān)系

為保守起見，不計入鋼筋強化段部分引起的強度增加，以理想彈塑性模型進行描述，連梁所采用鋼筋本構(gòu)關(guān)系如圖3 所示，其中σ為HRB400鋼筋應力，ε為HRB400 鋼筋應變，對應的材料特性參數(shù)依照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）[6]第4.2.3 條取用，鋼筋詳細參數(shù)見表3。

圖3 HRB400 鋼筋本構(gòu)關(guān)系（來源：作者自繪）

表3 鋼筋詳細參數(shù)

1.5 模型組裝

混凝土采用實體建模，mm 制單位，單元類型選擇C3D8R，即8 節(jié)點6 面體減縮積分單元，網(wǎng)格密度取40。鋼筋則采用線建模，mm 制單位，單元類型選擇B31，即2 節(jié)點鐵木辛柯梁單元，網(wǎng)格密度取30，與混凝土之間采用Embed 約束形式進行傳力?；炷亮洪L度為4800 mm，寬度為600 mm，高度為200 mm，混凝土梁模型如圖4 所示。

圖4 混凝土梁模型（來源：作者自繪）

2 接頭模擬

假設(shè)在計算時搭接接頭連接可靠，能有效傳遞荷載作用，并按不低于規(guī)范要求限值來確定焊接長度。為了模擬焊接搭接位置處的連接情況，2 根鋼筋的連接處節(jié)點采用動態(tài)耦合約束進行傳力。鋼筋的搭接焊僅會引起軸向荷載的偏心傳遞，偏心的距離為鋼筋的直徑d，鋼筋搭接模擬方法如圖5 所示。

圖5 搭接模擬方法示意圖（來源：作者自繪）

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 原結(jié)構(gòu)連梁

利用ABAQUS 有限元軟件，對原結(jié)構(gòu)連梁的撓度、混凝土應力和鋼筋應力進行了數(shù)值模擬分析。

3.1.1 撓度

圖6 為原結(jié)構(gòu)梁撓度云圖，由圖6 可知（圖中U 是計算云圖中X、Y、Z這3 個方向位移的總稱，U2 代表Y方向（豎向）的位移，單位：mm），梁豎向撓度最大值0.1194 mm，遠低于規(guī)范限值，且最大撓度位置位于跨中附近。

圖6 原結(jié)構(gòu)梁撓度云圖（來源：作者自繪）

3.1.2 混凝土應力

圖7 為原結(jié)構(gòu)梁混凝土應力云圖，由圖7 可知，梁跨中靠下部分與支座位置靠上部分表現(xiàn)出明顯的受拉作用，跨中部分最大主應力值在1.148 ～1.340 N/mm2，滿足規(guī)范限值要求。

3.1.3 鋼筋應力

圖8 為原結(jié)構(gòu)梁鋼筋應力云圖，由圖8 可知，梁內(nèi)鋼筋受力最大位置位于支座處的上部縱筋，最大Mises應力值為6.792N/mm2；梁跨中底部鋼筋最大Mises 應力值為5.095 N/mm2。梁支座與跨中底部鋼筋最大遠應力均遠低于鋼筋屈服強度360 N/mm2。

圖8 原結(jié)構(gòu)梁鋼筋應力云圖（來源：作者自繪）

3.2 補強連梁

利用ABAQUS 有限元軟件，對補強連梁的撓度、混凝土應力和鋼筋應力進行了數(shù)值模擬分析。

3.2.1 撓度

圖9 為補強連梁撓度云圖，由圖9 內(nèi)容可知，梁豎向撓度的最大值為0.1189 mm，遠低于規(guī)范限值，且最大撓度位置位于跨中附近。

圖9 補強連梁撓度云圖（來源：作者自繪）

3.2.2 混凝土應力

圖10 為補強連梁混凝土應力云圖，由圖10 可知，其中梁跨中靠下部分與支座位置靠上部分表現(xiàn)出明顯的受拉作用，跨中部分最大主應力值在1.148 ～1.340 N/mm2，滿足規(guī)范限值要求。

3.2.3 鋼筋應力

圖11 為補強連梁鋼筋應力云圖，由圖11 可知，梁內(nèi)鋼筋受力最大位置位于支座處的上部縱筋，最大Mises應力值為8.872 N/mm2；梁跨中底部鋼筋最大Mises 應力值為5.177 N/mm2。梁支座與跨中底部鋼筋最大遠應力均遠低于鋼筋屈服強度360 N/mm2。

圖11 補強連梁鋼筋應力云圖（來源：作者自繪）

4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)數(shù)值模擬分析結(jié)果，將原結(jié)構(gòu)梁和補強梁的計算撓度、梁跨中主應力、梁跨中鋼筋最大應力整理得到表4。由表4 計算結(jié)果分析可知原結(jié)構(gòu)梁跨中最大撓度較補強梁大0.42%，在工程中可忽略不計。原結(jié)構(gòu)梁與補強梁跨中主應力相同。補強梁跨中底部鋼筋最大應力較原結(jié)構(gòu)梁大1.69%。

表4 連梁計算結(jié)果

5 結(jié)論

經(jīng)對原結(jié)構(gòu)連梁與補強連梁受力特性的分析，所得結(jié)論如下：第1，補強連梁的撓度、主應力和底部鋼筋最大應力均滿足設(shè)計要求。第2，對特殊原因需機械切割后進行結(jié)構(gòu)補強的鋼筋混凝土梁，經(jīng)規(guī)范施工后可滿足可保證結(jié)構(gòu)的安全使用要求。第3，該研究結(jié)果可為后續(xù)使用類似工程技術(shù)的相關(guān)人員提供理論依據(jù)。