帶肋鋼板加固腹板開洞RC梁受力性能模擬分析

閆田田 王 宇 秦 麟

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005)

0 引言

在房屋層高受限情況下，采用混凝土開洞梁(或開孔板)，各種管道設施從構件孔洞中穿過，為解決各種管線擠占建筑空間提供了有效的途徑。對開洞鋼筋混凝土梁的研究多集中在開洞削弱和預開洞配筋加固領域[1-4]。對于預留洞口的混凝土梁，可以在設計中在洞口四周增配鋼筋進行補強，然而，對于已有結構的后開洞混凝土梁，外部加固技術是唯一的解決方案。現(xiàn)行規(guī)范中對腹板預留洞口的混凝土梁通過構造措施來消除開洞削弱，但并未針對后開洞情況給出明確的加固方法及相應的設計方法。

隨著結構有限元理論及現(xiàn)代計算機技術的不斷發(fā)展，利用有限元方法對結構體系進行地震往復荷載作用下的彈塑性時程分析，從而得到結構體系在反復荷載作用下的反應是行之有效的方法。

本文基于課題組之前所做的靜力荷載作用下帶肋鋼板加固開洞RC梁試驗結果[5,6]，包括荷載傳遞機理、受力性能、破壞形態(tài)等。參照已有研究結果建立合理的恢復力模型，展開對帶肋鋼板加固腹板開洞梁的抗震性能研究。采用Abaqus有限元軟件對26根不同的鋼筋混凝土開洞梁抗震性能進行數值分析，探索這種新型加固方法的有效性，找出不同參數因素的影響，研究其對開洞RC梁抗震性能的分析。

1 Abaqus有限元模型

1.1 模擬試件及其參數

26根鋼筋混凝土梁模擬試件，截面尺寸為200 mm×500 mm，長度1 650 mm。混凝土采用強度等級為C30，頂部架立筋和底部受拉鋼筋均為4根18 mm直徑的HRB335級鋼筋，箍筋選用8 mm直徑HPB300級鋼筋。鋼筋混凝土基座截面尺寸為500 mm×500 mm，長度1 550 mm?？v筋為10根18 mm直徑的HRB335級鋼筋，箍筋選用8 mm直徑HPB300級鋼筋。為了簡化試件模型，只研究梁在開洞口側的情況，具體配筋及尺寸見圖1。

模擬變化參數包括洞口長度、洞口高度、洞口偏移、鋼板厚度，具體參見表1。試件編號Z-N代表對比梁；L,H,U,T分別代表洞口長度、洞口高度、洞口向上偏移、鋼板厚度；N,R分別代表不加固和帶肋鋼板加固，例如L2-N表示洞口長度200 mm未加固試件，T1-R表示帶肋鋼板厚度為1 mm試件。

1.2 單元的選擇及加載方式

建立三維有限元開洞梁模型，其中混凝土、帶肋鋼板、基座混凝土采用實體單元C3D8R，縱筋和箍筋采用Truss單元T3D2，只在縱筋本構模型中綜合考慮鋼筋與混凝土之間的粘結滑移。模擬過程中在梁端采用位移幅值控制施加往復荷載，直至試件破壞。

1.3 材料模型

混凝土本構選用GB 50010—2010鋼筋混凝土結構設計規(guī)范[7]中的混凝土本構關系，采用混凝土塑性損傷模型(Concrete Damaged Plasticity Model)，并考慮了混凝土進入塑性后的損傷分為受拉和受壓損傷，分別用兩個獨立的損傷因子來模擬由損傷引起的彈性剛度退化。該模型將損傷指標引入混凝土模型，通過對混凝土的彈性剛度矩陣加以折減，模擬混凝土剛度隨損傷增加而降低的特點。在材料進入損傷后，彈性模量可表示為E=(1-d)E0，其中，E0為無損傷彈性模量；d為損傷因子，用于描述卸載時材料剛度退化現(xiàn)象。根據Sidiroff的能量等效原理，提出了混凝土損傷因子計算方法：

(1)

其中，σ為混凝土應力；ε為混凝土應變。

開洞梁的鋼筋的本構模型，調用深圳大學方自虎老師開發(fā)的子程序[8]，該模型考慮了混凝土與鋼筋之間的粘結滑移損傷，能夠較好地模擬鋼筋在循環(huán)荷載下的應力應變行為。

鋼板與混凝土間的結構膠選用粘性接觸并設置其損傷，用以模擬鋼板與混凝土的粘結?；袖摻罨炷敛牧蠈傩跃O置為理想彈性模型。

模型中設定梁端的邊界條件為放開沿X軸方向的約束U1及繞X軸轉動的約束UR3，基座底面全部固結。

表1 試件基本參數

2 有限元結果分析

2.1 帶肋鋼板加固對試件承載力的提高

如圖2～圖5所示為各組試件梁的荷載—撓度曲線，粘貼帶肋鋼板加固試件梁可大幅提高開洞梁的受力性能。相比同組未加固開洞梁，加固后梁的極限荷載有大幅提升。參考表1，帶肋鋼板加固后承載力提升幅度在30%～157%之間。洞口長度的承載力削弱在31.4%～47.5%之間，帶肋鋼板加固后承載力基本可恢復至未開洞時的承載力。開洞高度是導致試件梁承載力下降的關鍵因素，洞口高度越大，承載力降低越明顯，但承載力削弱越大，加固后相對承載力提升幅度就越大，可見帶肋鋼板加固效果十分顯著。U0.5組試件為洞口向上偏移，對比洞口同樣大小的L4組由表1可以看出，U0.5組試件承載力均小于L4組試件，洞口偏移會對承載力造成不利影響。T組為不同鋼板厚度的試件，從承載力提高的角度分析，隨著鋼板厚度的增加，承載力不斷提高。當鋼板厚度為2.5 mm～3 mm時，承載力提高幅度不再明顯，在工程應用中，2 mm厚度的鋼板更為經濟，性價比更高。

相比未開洞的參照梁Z-N，對于0.4倍梁高的開洞高度，1倍～3倍的開洞寬高比(L組)的洞口情況下，帶肋鋼板加固能使開洞梁承載力恢復至參照梁Z-N承載力的95%以上。H組或開洞位置偏移的U組，承載力恢復仍能達到80%以上。在洞口高度增大至0.6倍梁高(H組)時，承載力恢復約為83%。

2.2 滯回特性分析

滯回曲線是進行抗震性能分析的主要依據，反映構件的剛度退化和耗能能力。滯回曲線的每一個滯回環(huán)所包含的面積反映了梁在地震作用下耗散地震能量的能力。圖6～圖9為模擬試件的滯回曲線，可以看出未加固的開洞梁試件滯回曲線比較癟，耗能能力有限，承載力、變形能力較小，剛度下降快。帶肋鋼板加固后的開洞梁，滯回曲線形狀比較飽滿，耗能能力也有大幅提升，變形能力、承載能力得到很大改善，剛度退化減緩。

3 結論

本文利用Abaqus有限元分析軟件，對26根具有不同參數的腹板開洞RC梁進行數值模擬分析，研究了不同洞口長度、洞口高度、洞口偏移、鋼板厚度對其受力性能的影響。得出以下重要結論：

1)粘貼帶肋鋼板加固試件梁可大幅提高開洞梁的承載能力，開洞削弱的承載力越大，加固效果越明顯。

2)隨著鋼板厚度的增加，試件承載力不斷提高，當鋼板厚度為2 mm時，更為經濟。

3)相比未加固開洞梁，帶肋鋼板加固試件滯回曲線較為飽滿，耗能能力更佳，剛度降低幅度也減緩。