粘鋼加固鋼筋混凝土矩形梁仿真分析

鄢生全

（廣東長大公路工程有限公司第一分公司，廣東廣州 511431）

粘鋼加固鋼筋混凝土矩形梁仿真分析

鄢生全

（廣東長大公路工程有限公司第一分公司，廣東廣州 511431）

利用有限元軟件ANSYS對粘鋼加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行了分析研究，并結(jié)合工程實(shí)例加以論述，結(jié)果表明粘鋼加固鋼筋混凝土矩形梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度顯著提高。

粘鋼加固，鋼筋混凝土矩形梁，強(qiáng)度，剛度

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)揮了鋼筋和混凝土的優(yōu)點(diǎn)。混凝土材料的抗壓強(qiáng)度高，而抗拉強(qiáng)度卻很低;鋼材抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都很高。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有就地取材、耐久性好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其主要缺點(diǎn)是自重大、施工季節(jié)性影響大等。影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個(gè)重要原因是混凝土開裂引起的鋼筋銹蝕，而針對該種病害的處理方法之一是粘貼鋼板，提高鋼筋混凝土的強(qiáng)度和剛度，改善鋼筋混凝土的工作性能。本文基于ANSYS研究粘鋼加固對鋼筋混凝土矩形梁剛度和強(qiáng)度的影響情況。

1 建立仿真模型

1.1 仿真模型建立方式

鋼筋混凝土矩形梁粘鋼加固仿真模型建立采用有限元軟件ANSYS，仿真模型采用分離式形式，即分別采用實(shí)體單元Solid65和桿單元Link8模擬混凝土和鋼筋，混凝土單元和鋼筋單元之間連接采用共結(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行模擬，認(rèn)為鋼筋單元與混凝土單元之間粘結(jié)良好，不會發(fā)生滑移。采用分離式形式建立有限元模型的過程比較復(fù)雜，需要通過布爾預(yù)算的方式，在實(shí)體單元內(nèi)部切割出鋼筋的位置，然后將鋼筋單元的豎向賦予實(shí)體內(nèi)部的線。建立鋼筋過程中，應(yīng)采用主要受力鋼筋進(jìn)行模擬，鋼筋結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，會引起計(jì)算收斂過于困難。

1.2 材料的本構(gòu)關(guān)系

1.2.1 混凝土的本構(gòu)關(guān)系［2］

混凝土的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，混凝土本構(gòu)關(guān)系理論包括線彈性理論、非線性彈性理論、彈塑性理論等，應(yīng)根據(jù)數(shù)值分析的特點(diǎn)，選擇合適的本構(gòu)模型。本文中混凝土單軸應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系上升段采用GB 50010-2002規(guī)定公式，下降段則采用Hongnestad的處理方法，即: :

按照規(guī)范計(jì)算和規(guī)定分別取n=2，ε0=0.002，εcu=0.003 3，上述曲線采用數(shù)據(jù)擬合得出，采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO模擬。

1.2.2 鋼筋及加固用鋼板的本構(gòu)關(guān)系

鋼筋及鋼板的屈服強(qiáng)度fy=300 MPa，彈性模量Es=2.0× 105MPa，泊松比υs=0.3。

1.3 收斂控制

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析的最大困難在于計(jì)算的收斂。當(dāng)結(jié)構(gòu)接近于破壞時(shí)，出現(xiàn)不收斂，這屬于正常不收斂，但是當(dāng)荷載較小時(shí)就出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象，這是非正常不收斂。通過以下方式可以幫助解決非正常不收斂問題:

1）滿足計(jì)算精度要求的情況下盡量采用整體式模型，提高收斂性。

2）單元尺寸過小，容易引起應(yīng)力集中，造成早期開裂，盡量把單元尺寸控制在不小于50 mm，尤其是在可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的部位應(yīng)當(dāng)控制網(wǎng)格密度。

3）根據(jù)收斂過程追蹤圖調(diào)整子步數(shù)。

4）當(dāng)收斂困難時(shí)，可以適當(dāng)調(diào)整收斂準(zhǔn)則和收斂精度，但是改變收斂精度不能徹底解決收斂問題，所以改變收斂精度應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。

5）不考慮混凝土壓碎，計(jì)算易于收斂。一般結(jié)構(gòu)中采用的鋼筋混凝土構(gòu)件均為適筋梁，所以可以在計(jì)算中關(guān)閉混凝土壓碎選項(xiàng)。

6）加載點(diǎn)和支撐處盡量避免采用點(diǎn)荷載和點(diǎn)約束，盡量采用面荷載和面約束，避免應(yīng)力集中造成收斂困難。

2 實(shí)例分析

矩形鋼筋混凝土矩形梁截面高度300 mm，寬度200 mm，矩形梁長度為2 800 mm，計(jì)算跨徑為2 600mm。鋼筋混凝土梁配筋為少筋梁，受力鋼筋采用2φ10鋼筋，架立鋼筋采用2φ6鋼筋，箍筋采用φ6鋼筋，縱向間距為100 mm，矩形梁橫斷面見圖1。混凝土強(qiáng)度等級為C30。加固用鋼板采用寬度為130 mm，厚度為4 mm的鋼板，鋼板長度為1 800 mm。

根據(jù)算例中鋼筋混凝土矩形梁尺寸，建立有限元模型，計(jì)算結(jié)果如下:

1）未加固鋼筋混凝土矩形梁極限承載能力為17.8 kN，極限荷載作用下梁的豎向變形為－4.7 mm，底緣縱向鋼筋應(yīng)力為235 MPa，上緣縱向鋼筋應(yīng)力為－45.6 MPa。

圖1 少筋梁橫斷面

2）粘鋼加固鋼筋混凝土矩形梁極限承載能力為86.9 kN，極限荷載作用下梁的豎向變形為－7.8 mm，底緣縱向鋼筋應(yīng)力為235 MPa，上緣縱向鋼筋應(yīng)力為－185.7 MPa，底緣粘貼鋼板MISES應(yīng)力為235 MPa，圖2～圖4為鋼筋混凝土矩形梁粘鋼加固后的變形及應(yīng)力情況。

圖2 極限荷載下加固后鋼筋混凝土矩形梁豎向變形

圖3 極限荷載下加固后鋼筋混凝土矩形梁鋼筋應(yīng)力

圖4 極限荷載下加固后鋼筋混凝土矩形梁底緣鋼板M ISES應(yīng)力

圖5 極限荷載作用下底緣膠黏層縱向切應(yīng)力

3）由圖5可知，膠黏層在端部的剪切應(yīng)力值較大，因此在進(jìn)行粘鋼板加固時(shí)，可在端部設(shè)置錨固螺栓，以避免膠黏層與鋼筋混凝土矩形梁脫開，改善粘鋼加固鋼筋混凝土矩形梁的效果。

3 結(jié)語

根據(jù)有限元分析可知，粘鋼加固顯著提高了鋼筋混凝土矩形梁的承載能力。本文算例中的鋼筋混凝土矩形梁加固前后上緣鋼筋應(yīng)力均為達(dá)到屈服，說明該鋼筋混凝土矩形梁加固前、后均為少筋梁。采用實(shí)體單元模擬結(jié)構(gòu)膠層可以充分反映結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部的應(yīng)力情況。

［1］呂西林，金國芳，吳曉涵.鋼筋混凝土非線性有限元理論與應(yīng)用［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，1997.

［2］江見鯨，陸新征，葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006.

［3］王新敏.ANSYS工程數(shù)值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

On simulation analysis of stick steel consolidation reinforced concrete rectangle beam

YAN Sheng-quan

（No.1 Branch Company of Changda Road Engineering Co.，Ltd of Guangdong，Guangzhou 511431，China）

The study adopts the finite element software，ANSYS，to analyze and research the stick steel consolidation reinforced concrete beam，indicates by combining with the engineering example，and proves by the results that the strength and the stiffness of the stick steel consolidation reinforced concrete rectangle beam is improved obviously.

stick steel consolidation，reinforced concrete rectangle beam，strength，stiffness

TU375

A

2012-03-17

鄢生全（1983-），男，工程師