基于Ansys的銹蝕RC梁底面鋼板加固有限元仿真分析

王修闖 唐 鋒

(中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528403)

基于Ansys的銹蝕RC梁底面鋼板加固有限元仿真分析

王修闖 唐 鋒

(中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528403)

采用Ansys建立了底面粘鋼加固銹蝕梁有限元模型，并且通過粘鋼加固銹蝕梁抗彎性能試驗，驗證了模型的正確性，分析了試驗梁裂縫、變形、鋼板應變等力學參數(shù)，并得出一些有意義的結(jié)論。

有限元，仿真分析，鋼板加固，RC梁

0 引言

鋼板加固由于其方便、成本低等特點，在工程中已廣泛使用。國內(nèi)外學者對于鋼筋銹蝕梁和鋼板加固非銹蝕梁有限元分析方面的研究已經(jīng)較為深入[1-4]。在上述兩方面的研究中，學者僅考慮鋼筋銹蝕后鋼板加固單方面的因素，在實際工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往是在鋼筋銹蝕引起結(jié)構(gòu)性能退化之后進行加固的，因此有必要結(jié)合兩個因素，研究鋼板加固銹蝕RC結(jié)構(gòu)的力學性能。

本文通過Ansys平臺，建立了粘貼鋼板加固銹蝕RC梁底面的有限元模型，選用合適的單元類型模擬各材料，考慮銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移，分析了粘鋼加固混凝土梁受力破壞后的變形、裂縫分布、鋼板應變力學指標。制作了6片鋼板加固銹蝕梁，通過靜載試驗，將試驗結(jié)果與有限元結(jié)果進行對比，驗證有限元模型的正確性。同時考慮不同銹蝕率和鋼板厚度對試驗梁承載力和變形的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 混凝土模型

在大部分Ansys有限元研究中混凝土選用Solid65單元進行模擬。混凝土的非線性材料屬性采用Miss屈服準則下的多線性強化模型。混凝土開裂后使用自適應降低和拉應力消失相組合的方法，模擬混凝土開裂過程。Solid65的破壞準則是改進的William-Wamke的5參數(shù)破壞準則，5參數(shù)分別是單軸抗拉強度、單軸抗壓強度、雙軸抗壓強度以及在某一圍壓下的單軸抗壓強度和雙軸抗壓強度[1]。

鋼筋一般采用Link8三維桿件模型模擬。Link8單元有兩個節(jié)點，三個自由度，可以承受單向的拉伸和壓縮。對于鋼筋的銹蝕，在實際工程中大多數(shù)情況下不會均勻，因此本文采用Val[5]提出的點蝕模型，銹蝕鋼筋的屈服強度可以采用Stewart[6]提出的銹蝕鋼筋屈服強度線性模型：

(1)

其中，fyc為銹蝕后鋼筋的屈服強度;fy為未銹蝕時鋼筋的屈服強度;As為未銹蝕鋼筋的截面面積;φ為實驗系數(shù)，對于光圓鋼筋和螺紋鋼筋來說，彭建新[7]通過大量銹蝕鋼筋拉拔試驗取平均值為0.003 5。

1.2 銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移模型

銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移使用Combine39來實現(xiàn)，Combine39單元是一個非線性彈簧單元。如果使用Combine39實現(xiàn)粘結(jié)滑移，就必須繪制荷載—位移曲線。荷載即銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)力，粘結(jié)力與粘結(jié)強度之間存在如下關(guān)系：

F(s)=μ·πdl

(2)

其中，s為粘結(jié)滑移量；μ(s)為銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)強度；d為鋼筋直徑；l為聯(lián)結(jié)間距，取為35 mm。

當鋼筋銹蝕量很小的時候，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強度會增強，當沿鋼筋出現(xiàn)銹脹裂縫的時候，粘結(jié)強度才會降低[8]。在現(xiàn)有研究中，Maaddawy[9]提出了考慮箍筋錨固的粘結(jié)強度計算公式：

(3)

Harajli提出了粘結(jié)強度和滑移量之間的法則[10]，見下式：

(4)

其中，α=0.7；μ1=2.57(fc)0.5；s0=0.4；c0=8 mm；s1=0.15c0；s2=0.35c0，粘結(jié)強度μ和滑移量s之間的關(guān)系圖如圖1所示，由粘結(jié)應力和位移的關(guān)系，結(jié)合式(2)，可得粘結(jié)力與位移的關(guān)系。

1.3 粘膠層和鋼板模型

粘膠層和鋼板采用六面體八節(jié)點Solid45單元模擬，為了簡化膠層和鋼板建模，在劃分單元時，在其厚度方向上劃分三個單元。本文中考慮鋼板厚度的影響，因此按各種鋼板厚度的相同厚度因子作為單元高度，進行鋼板單元劃分。鋼板的應力應變曲線如圖2所示，圖中應力應變的數(shù)量級分別是105Pa和10-6微應變。

1.4 建立有限元模型

本文采用分離式建模方式，先建立銹蝕梁模型，然后建立鋼板模型，分別按照上述所述的材料單元進行建模，假設(shè)混凝土和膠層，以及膠層與鋼板聯(lián)結(jié)完好，沒有滑移，有限元模型和劃分網(wǎng)格如圖3所示。

2 試驗研究

2.1 試驗梁設(shè)計

為了驗證有限元模型的正確性，本文制作了9片鋼板加固銹蝕梁，試驗梁尺寸為150 mm×300 mm×2 400 mm，鋼板的尺寸為100 mm×2 000 mm，厚度分別是2 mm，4 mm，6 mm，所有鋼筋為HRB335的精軋螺紋鋼，鋼板為Q235普通鋼板，受壓區(qū)鋼筋為兩根φ12的螺紋鋼筋，受拉區(qū)鋼筋為兩根φ18的螺紋鋼，箍筋為φ8的螺紋鋼筋，箍筋間距為110 mm。鋼筋布置具體見圖4。

混凝土采用C30混凝土，混凝土試塊通過28 d標準養(yǎng)護后測試抗壓強度平均值為30.03 MPa。受壓區(qū)鋼筋和受拉區(qū)鋼筋的屈服強度分別為336 MPa和340 MPa。箍筋的屈服強度為338 MPa。鋼筋的彈性模量為200 GPa。鋼板的屈服強度為238 MPa。粘膠層使用JN建筑結(jié)構(gòu)膠，抗壓強度為89.5 MPa，與混凝土正粒的粘結(jié)強度為4.0 MPa。

2.2 鋼筋銹蝕和鋼板安裝

本試驗采用實驗室快速銹蝕抗拉鋼筋的方法進行腐蝕，腐蝕槽內(nèi)配有質(zhì)量分數(shù)為15%的NaCl溶液，將試驗梁受拉主筋和直流電源的正極相連，浸泡在銹蝕溶液中的不銹鋼板與直流電源的負極相連，保持直流電源的電流穩(wěn)定。6片梁的銹蝕率分為2個等級10%，20%。鋼板粘貼采用JN建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼，鋼板厚分為2個等級，具體粘貼示意圖見圖5。

2.3 試驗梁加載

本試驗采用雙點加載的方式進行，每級加載10 kN，在每級加載過程中，記錄跨中、1/4跨的鋼板應變和撓度，同時描繪前后兩面裂縫分布情況。試驗加載圖見圖6。

3 實驗結(jié)果與有限元結(jié)果對比

3.1 實驗結(jié)果分析

實驗結(jié)果和部分設(shè)計參數(shù)在表1中列出。

從表1中可以看出，在銹蝕率接近的情況下鋼板增加2 mm，例如P1和P2，P4和P5極限承載力增長20 kN左右，極限跨中撓度降低2.7 mm左右，然而，對比P2和P3，P6和P5發(fā)現(xiàn)，極限承載力增加量和撓度的減小量降低。說明鋼板厚度對于銹蝕梁極限承載力和剛度的增加不是線性的，當鋼板厚度超過一定值后對于極限承載力和剛度的提高量將會減少[11]。

表1 實驗結(jié)果

在鋼板厚度相同的情況下，銹蝕率提高10%，承載力降低30 kN左右，撓度增加3 m左右，對比兩種情況，銹蝕率對于鋼板加固銹蝕梁的影響更大。

3.2 實驗結(jié)果與有限元分析

本文選取了L1～L3梁的跨中撓度與有限元結(jié)果對比，圖7a)～圖7c)分別為L1～L3梁試驗和有限元荷載撓度對比。

從圖7中可以看出，實驗結(jié)果和有限元結(jié)果較為吻合，其他3片梁實驗結(jié)果和有限元結(jié)果也比較接近。說明有限元仿真能夠較為準確的模擬鋼板加固銹蝕梁實驗過程中變形性能。

圖8a)～圖8c)給出了L1～L3跨中鋼板應變實驗值和有限元對比。

從圖8中可以看出，有限元仿真過程鋼板應變結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，在接近極限荷載的時候應變出現(xiàn)突然減小，是因為鋼板末端有略微的剝落，從而引起應變下降。

本文也使用Ansys列舉出L1～L3的裂縫分布圖(如圖9所示)。

從實驗結(jié)果和有限元結(jié)果可以看出(見表1)，隨著鋼板厚度增大，裂縫分布減小，間距也減小，鋼板厚度越小，寬厚比越大，裂縫分布越密集，這是因為鋼板對銹蝕梁緊箍效應隨著寬厚比增加而增大[11]。

4 結(jié)語

本文通過對鋼板底面加固銹蝕梁有限元仿真，模擬了鋼板加固銹蝕梁受靜載試驗全過程，同時通過試驗研究與有限元進行了對比，對鋼板加固銹蝕梁的變形，裂縫分布，鋼板應變進行了試驗分析和對比研究，得出了以下結(jié)論：

1)Ansys有限元仿真能夠較為準確的模擬試驗過程，實驗結(jié)果與有限元結(jié)果較為接近。

2)鋼板厚度對于銹蝕梁極限承載力和剛度的增加不是線性的，當鋼板厚度超過一定值后對于極限承載力和剛度的提高量將會減少。銹蝕率對于鋼板加固銹蝕梁的影響更大。

3)由于鋼板在接近極限荷載時候，鋼板末端剝落引起了鋼板應變下降。

4)同一銹蝕率下，鋼板厚度越小，寬厚比越大，裂縫分布越密集，鋼板對銹蝕梁緊箍效應隨著寬厚比增加而增大。

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Simulated analysis for corroded RC beam strengthened by bonding steel plate from bottom based on Ansys

Wang Xiuchuang Tang Feng

(Road&BridgeSouthChinaEngineeringCo.,Ltd,Zhongshan528403，China)

A finite element model for corroded RC beam strengthened by bonding steel plate from bottom is proposed used Ansys. The validity of the model is verified through the experiment of the corroded and strengthened beams. The mechanical parameters of tested beams such as cracks, deformation, train of steel plate are analysed, some significative conclusions are obtained.

finite element， simulated analysis， strengthened by bonding steel plate， RC beam

2015-01-30

王修闖(1983- )，男，工程師； 唐 鋒(1985- )，男

1009-6825(2015)10-0029-03

TU392.4

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