雒振林 河北省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，石家莊 050227

褚少輝 河北建研科技有限公司，石家莊 050021

劉淑紅 石家莊鐵道大學(xué)，石家莊 050043

1 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在土木工程中的應(yīng)用十分廣泛，鋼筋混凝土建筑在我們的日常生活中幾乎隨處可見。不過(guò)，這些建筑所處的環(huán)境差異過(guò)大，有些建筑會(huì)使用在環(huán)境惡劣的條件下，有些會(huì)受到設(shè)計(jì)時(shí)未考慮到的化學(xué)腐蝕的影響，而且可能出現(xiàn)設(shè)計(jì)和施工不恰當(dāng)?shù)那闆r，或者有些結(jié)構(gòu)會(huì)受到建筑的使用要求發(fā)生變化等多種因素的影響，所以，許多建筑結(jié)構(gòu)在施工和使用過(guò)程中受到不同程度的破壞，影響到了人們的正常使用。為了讓人們能夠繼續(xù)使用這些結(jié)構(gòu)，我們有必要對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)進(jìn)行研究。因此，人們開始傾向于對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加固的研究，想以此來(lái)提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前，人們常用的鋼筋混凝土加固方法有：增加界面的鋼筋、更換混凝土鋼筋、體外預(yù)應(yīng)力鋼筋、體外粘結(jié)鋼筋、粘貼鋼板鋼筋、增設(shè)支點(diǎn)鋼筋、高性能復(fù)合砂漿鋼筋，粘貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固等方法。而粘貼鋼板是一種非常常見的鋼筋混凝土梁的加固方法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是將一塊或幾塊鋼板用一些方法粘貼在鋼筋混凝土受拉的部分的表面，使鋼板與結(jié)構(gòu)一起承受拉力，分擔(dān)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的荷載，由于鋼板的彈性模量一般比鋼筋混凝土大，所以，根據(jù)材料力學(xué)上的理論，在靜定條件下，可以分擔(dān)更多的荷載。這種加固方法的耐久性很好、施工的速度十分快、材料隨處可見，十分便宜、非常簡(jiǎn)單輕便又經(jīng)濟(jì)合理。因此，有必要研究粘貼鋼板加固鋼筋混凝土技術(shù)。本文介紹用有限元ANSYS軟件，去模擬在受拉側(cè)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁，研究其力學(xué)性能，這些可以為以后研究粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁，在如何建立模型，選取什么單元，如何模擬加固等方面提供一些方法。

2 模型梁概況

本次模擬試驗(yàn)使用的梁的截面尺寸為寬0.15m，高0.25m，保護(hù)層厚度為0.03m?？傞L(zhǎng)2.6m，凈跨為2.4m。加載位置為在距支座0.8m處各有一個(gè)加載位置；在受拉區(qū)，配置3根直徑為16mm的HRB335級(jí)鋼筋。在受壓區(qū)配置2根直徑為10mm的HPB235級(jí)鋼筋。另外，用直徑為8mm的HPB235級(jí)鋼筋作為箍筋。鋼板粘貼在鋼筋混凝土梁的受拉側(cè)，鋼板厚度為3mm。利用節(jié)點(diǎn)耦合的方式將鋼板單元節(jié)點(diǎn)與混凝土單元節(jié)點(diǎn)耦合在一起，模擬鋼板加固，計(jì)算至不收斂或荷載位移曲線趨于水平時(shí)可認(rèn)為達(dá)到屈服極限。

梁的受拉區(qū)和受壓區(qū)鋼筋的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 鋼筋信息表

3 ANSYS建模及單元網(wǎng)格劃分

在ANSYS分析中整體采用分離式模型，這樣的計(jì)算精度可以高一些。同時(shí)，為了節(jié)約計(jì)算機(jī)性能，加快計(jì)算速度，再加之，該結(jié)構(gòu)是關(guān)于前后和左右對(duì)稱的，所以，本文采用了1/4梁建模。在一般情況下，在劃分混凝土?xí)r采用SOLID65單元，劃分鋼筋采用LINK8單元，混凝土采用多線性等向強(qiáng)化MISO模型，在這篇文章中也是如此。在建模時(shí)，先建立一個(gè)長(zhǎng)方體，然后針對(duì)箍筋、受拉區(qū)鋼筋、受壓區(qū)鋼筋等的位置進(jìn)行切分，切出這些鋼筋的位置，然后再分配不同的單元實(shí)常數(shù)及材料屬性，以區(qū)分不同鋼筋。建立模型后再劃分單元，鋼筋采用理想彈塑性模型，即在鋼筋到達(dá)屈服階段以后就可以認(rèn)為不管鋼筋的變形如何，鋼筋上的正應(yīng)力永遠(yuǎn)不會(huì)再改變?；炷敛捎枚嗑€性強(qiáng)化模型，輸入其本構(gòu)關(guān)系，模擬混凝土。混凝土采用五參數(shù)屈服準(zhǔn)則，并把抗壓極限設(shè)為-1，以關(guān)閉壓碎。等ANSYS運(yùn)行至不收斂，或者運(yùn)行出來(lái)的荷載位移曲線趨于平緩的時(shí)候，就可以認(rèn)為達(dá)到了屈服極限。模型采用SOLID45單元。鋼板的泊松比是0.3，彈性模量是2.1e11，并且其屈服強(qiáng)度為280MPa。利用節(jié)點(diǎn)耦合的方式將鋼板單元節(jié)點(diǎn)與混凝土單元節(jié)點(diǎn)耦合在一起，模擬鋼板加固，計(jì)算至不收斂或荷載位移曲線趨于水平時(shí)可認(rèn)為達(dá)到屈服極限。

圖1 鋼筋混凝土梁的單元?jiǎng)澐謭D

梁的單元?jiǎng)澐秩鐖D1所示，耦合節(jié)點(diǎn)后如圖2所示。

圖2 加固并耦合節(jié)點(diǎn)后單元?jiǎng)澐謭D

計(jì)算結(jié)果如圖3所示，再往上加載將不再收斂，所以可認(rèn)為屈服極限為118kN。

圖3 粘貼鋼板后梁的結(jié)果運(yùn)行圖

4 ANSYS模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在本文中，將試驗(yàn)的屈服荷載和ANSYS模擬的屈服荷載進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)比的結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)果對(duì)比表

由表2可知，加固前后屈服荷載的試驗(yàn)值與理論值的相對(duì)誤差都在10%以內(nèi)，加固后的屈服荷載提高了40%以上，說(shuō)明粘貼鋼板可有效提高鋼筋混凝土梁的承載能力。還說(shuō)明，用本文提供的模型和單元模擬研究鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能，或者研究粘貼鋼板的加固的鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能是可行的。在以后的學(xué)習(xí)或者研究的過(guò)程當(dāng)中，仍可用本文提供的模型和單元去進(jìn)行粘貼鋼板加固混凝土梁的模擬。

圖4 未加固試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比圖

圖5 加固試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比圖

加固前后試驗(yàn)荷載位移曲線和ANSYS模擬的荷載位移曲線對(duì)比分別如圖4、圖5所示。

通過(guò)圖4和圖5可知，未加固的鋼筋混凝土梁的ANSYS模擬值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差很小，兩條曲線幾乎是一致的。對(duì)于粘貼一層鋼板后的鋼筋混凝土梁來(lái)說(shuō)，雖然誤差有所增加，但仍在誤差允許范圍以內(nèi)，并且曲線的增長(zhǎng)趨勢(shì)幾乎一樣，所以，再一次說(shuō)明可以用本文所提供的單元和模型去模擬鋼筋混凝土梁或者去模擬粘貼鋼板加固后的鋼筋混凝土梁。在以后類似的研究中我們可以用本文提供的方法、模型、單元去研究。

在建模時(shí)采用了一些理想化的假設(shè)，比如，鋼筋和鋼板都采用的是理想彈塑性模型，即在鋼筋和鋼板進(jìn)入屈服階段后，鋼筋上的應(yīng)力將不再隨著應(yīng)變的增加而改變。但在實(shí)際工程中，鋼板和鋼筋要進(jìn)入強(qiáng)化階段，所以，這與實(shí)際情況是有些差異的。再者，在模擬分析時(shí)，鋼板與混凝土之間完全連結(jié)，沒有相對(duì)位移。但在實(shí)際工程中，混凝土與鋼板之間膠結(jié)，可能會(huì)產(chǎn)生相對(duì)位移。另外，加力方式與實(shí)際的加力方式也有所區(qū)別，在建模時(shí)，為了防止出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用了用等效的均布力代替集中力加載的方式，與實(shí)際加載方式有些出入。

5 結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)是我國(guó)建筑中最常見的結(jié)構(gòu)形式，由于種種原因需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。本文采用有限元法，采用ANSYS模型研究鋼筋混凝土梁的加固的力學(xué)性能，并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差在10%以內(nèi)，也分析了產(chǎn)生誤差的原因。用本文提供的單元、模型去模擬鋼筋混凝土梁是可行的，在以后計(jì)算中，可用本文的方法去進(jìn)行鋼筋混凝土梁的研究和粘貼鋼板加固后的鋼筋混凝土梁的研究。