相鄰兩側增大截面法加固柱受力性能數值模擬

劉育維

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510640)

相鄰兩側增大截面法加固柱受力性能數值模擬

劉育維

(華南理工大學土木與交通學院，廣東廣州 510640)

為研究相鄰兩側增大截面法對鋼筋混凝土柱的加固效果，通過ABAQUS有限元軟件，建立了數值分析模型，對比了不同加固截面、初始軸壓比、側向力加載方向及卸載條件下加固柱的受力性能，得出了一些有價值的結論。

ABAQUS，鋼筋混凝土柱，增大截面法，承載力

0 引言

增大截面法在鋼筋混凝土加固領域應用廣泛，有充分的理論和試驗研究成果［1-3］。增大截面法的地位穩固，主要是因為增大截面加固法的突出優點，如剛度提高大、強度大、受力可靠、經濟性好等［4］。

提高抗震性能是結構加固的一個重點［5］。實際工程中，對特殊位置，比如建筑角部柱加固時，往往難以采用常見的單側加固［6，7］、雙側對稱加固［8］、四面圍套加固［9］等方法，這時采用相鄰兩側加固，又稱為L型加固更實際(見圖1)。但目前對相鄰兩側增大截面加固法的研究較少，難以為工程應用提供參考。本文通過ABAQUS［10］有限元軟件對不同加固截面、不同初始軸壓比、不同卸載條件下加固柱在單調水平荷載作用下的抗側力性能進行數值模擬，研究相鄰兩側增大截面法加固柱的受力性能及其主要影響因素。

圖1 增大截面法形式（陰影部分為原柱）

1 模型信息

1.1 試驗模型

本文采用了兩種加固截面尺寸方式，如圖2所示。主要參數為:原混凝土柱截面300 mm×300 mm，混凝土強度等級為C30，箍筋等級HRB335，縱筋等級HRB400。新增L型混凝土柱截面厚度分別為 120 mm和 200 mm，混凝土強度等級 C35，箍筋等級HRB335，縱筋等級HRB400。柱高1 500 mm，底部固定在混凝土底座上，底座尺寸為1 320 mm×720 mm×500 mm。

圖2 模型配筋圖

1.2 材料本構關系

本文中鋼筋采用理想彈塑性模型。混凝土受壓本構模型采用過鎮海［11］矩形約束混凝土應力—應變關系全曲線方程，并根據建模需要增加了彈性段。根據有關經驗［12］，在ABAQUS數值建模中將彈性段取到0.4fc，c，混凝土峰值應變取εp=0.002。應力—應變曲線如圖3a)所示。

混凝土受拉本構模型采用簡化的過鎮海受拉曲線方程，將曲線上升段取直線，如圖3b)所示。

圖3 C30約束混凝土應力—應變曲線

2 試驗方案和主要參數

加固柱沿主對角線對稱(見圖4)。在舊柱柱頂部分施加初始軸力;在柱頂側面Y1和Y2方向施加單調水平荷載，采用位移加載模式，點面耦合加載。試件分為6個加固柱系列和3根參照柱，參數設置見表1。其中，CW為未加固柱，CZ1，CZ2分別為邊長420 mm、邊長400 mm的整體澆筑柱。荷載工況有4種，Y1a，Y1b，Y2a和Y2b，a和b分別代表卸載和不卸載工況，詳見表1。

表1 試驗構件主要參數

混凝土和鋼筋分別采用C3D8R單元和T3D2單元。混凝土采用塑性損傷模型，損傷因子d=σ/fc，c(或d=σ/ft)［13］，取值到0.95以上保證收斂。鋼筋通過埋入(Embedded)方式與混凝土共同作用。假定新舊混凝土界面之間粘結完好，共同工作，模型中通過綁定約束(Tie)粘結。有限元模型見圖5。

圖4 加載方向示意圖

圖5 RCA6柱有限元模型

引入生死單元法(Model change)模擬加固柱二次受力狀況。設置多個分析步，第一步殺死新增柱部分，對原柱施加初始軸力;第二步復活新增柱部分，根據卸載工況改變柱頂荷載;第三步施加單調水平荷載。

3 模擬試驗結果分析

3.1 整體分析

部分試件荷載—位移曲線見圖6。各試件的側向力峰值如表2所示。

圖6 部分加固柱的荷載—位移曲線

由圖表可以得出:1)加固柱側向承載力得到有效提高。A截面加固柱側向承載力比原柱平均提高1.17倍，B截面加固柱平均提高1.83倍。2)由曲線分析，各加固柱與未加固柱對比，變形能力差別不顯著。

3.2 卸載工況分析

施加水平荷載之前，初始軸力的加載有兩種工況。工況一是先在舊柱上施加初始軸力，完全卸載，再在整柱上施加等值軸力;工況二是在舊柱上施加初始軸力后不卸載。完全卸載和不卸載都是理想假設狀態，便于分析。

表2 各試件峰值應力表 kN

卸載工況下:1)由表2可知，與整澆參照柱相比，A截面試件不利方向側向承載力達99.4%，B截面達90.5%。可見加固柱受力性能良好。2)由圖7可知，初始軸壓比越大，側向承載力越大。原因是均布軸壓力使截面受拉區有一定的壓應力儲備，不會很快進入受拉狀態。3)A截面試件兩方向承載力接近，而B截面試件Y2方向承載力高于Y1。分析原因:a.新增混凝土的抗壓強度等級更高，新增截面越大抗壓越有利;b.A截面上下兩側鋼筋抗拉力矩接近，而B截面上側鋼筋抗拉力矩高于下側。故設計時截面不宜過大，且新增部分混凝土和鋼筋都應該略強于原有部分。

圖7 卸載工況下各試件側向承載力圖

3.3 不卸載工況分析

不卸載工況下:1)由圖8可知，Y2方向承載力明顯高于Y1方向。原因是在Y2向水平力下，初始軸壓力位于加固柱截面的受拉側，提供了壓應力儲備，有利于抵抗側向力;相反，Y1向荷載下，初始軸壓力對抵抗側向力不利。2)初始軸壓比越大，側向承載力的比值(Y2/Y1)也越大。實際使用中風荷載、地震作用方向是往復變化的，除極少數確定情況，不應該利用舊柱初始軸力提高整柱側向承載力。

圖8 不卸載工況下各試件Y2與Y1側向承載力比值圖

3.4 卸載與不卸載的對比

試件綜合承載力應該取不利方向承載力對比。對比可知，卸載工況相比不卸載工況，綜合側向承載力有較大提高，且初始軸壓比越大越顯著。卸載可以有效提高試件的綜合承載力，減小二次受力的不利影響。

4 結語

通過ABAQUS數值模擬試驗分析，得出以下主要結論:1)相鄰兩側增大截面法加固柱受力性能良好，側向承載力提高顯著，略低于整澆參照柱。側向承載力與加固截面尺寸正相關，但變形能力變化不明顯。2)初始軸壓比增加了卸載工況下加固柱的側向承載力，提高了不卸載工況下兩方向側向承載力比值，對不卸載工況下的側向承載力影響不大。總體而言初始軸壓比是有利因素。3)Y1，Y2兩個方向的側向承載力相近更有利于結構抗震、抗風。加固截面較小或卸載工況下，兩方向側向承載力相近，而在不卸載工況下兩者相差很大。因此，加固截面不宜過大，應該盡量卸載以減小二次受力影響。

［1］胡惠榮.加大截面加固混凝土偏心受壓柱的非線性全過程分析［J］.工程力學，1990(S1):244-250.

［2］胡 成.擴大截面加固法與軟件設計——受壓構件加固［J］.工業建筑，2004，34(3):80-82.

［3］鄭華彬.基于目標使用期和整體可靠性的既有鋼筋混凝土結構鑒定與加固研究［D］.廣州:華南理工大學，2010.

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［5］洪 創.既有鋼筋混凝土結構抗震鑒定與加固設計研究［D］.南昌:南昌大學，2015.

［6］胡 波.加大截面法單面加固鋼筋混凝土柱受力性能研究［J］.特種結構，2005，22(1):79-82.

［7］李振寶.單側加固鋼筋混凝土柱受力性能的數值模擬［J］.土木工程學報，2014，47(S1):36-41.

［8］張 暉.混凝土加固柱大偏心受壓二次受力試驗研究［J］.揚州大學學報(自然科學版)，2000，3(4):61-66.

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［10］DASSAULT SYSTEMES.ABAQUS 6.13 USER’S MANUAL［Z］.2011.

［11］過鎮海.鋼筋混凝土原理［M］.第3版.北京:清華大學出版社，2013.

［12］方自虎.ABAQUS混凝土應力—應變關系選擇［J］.建筑結構，2013，43(S2):559-561.

［13］方自虎.ABAQUS混凝土損傷參數計算方法［J］.建筑結構，2014，44(S1):719-721.

Numerical simulation of reinforced column stress performance on adjacent sides with section enlarging method

Liu Yuwei
(College of Civil＆Traffic，the South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

In order to study the steel reinforced concrete column reinforcing effect on adjacent sides with section enlarging method，through ABAQUS finite element software，the paper establishes numerical analysis model，compares the reinforced column stress performance under conditions of different reinforced sections，preliminary axial pressure ration，lateral force loading direction and unloading，and finally draws some valuable conclusions.

ABAQUS，steel reinforced concrete column，section enlarging method，bearing capacity

TU375.3

:A

1009-6825(2016)36-0034-03

2016-10-13

劉育維(1990-)，男，在讀碩士