鋼索在鋼筋混凝土雙跨梁結構中的加固效果研究

■孫艷麗

(山西誠達公路勘察設計有限公司， 太原 030006)

近年來， 鋼筋混凝土結構因具有施工方便、承載能力強、整體性高及優良的耐久性等特點，逐漸在建筑工程中得到廣泛應用[1]，但由于當下學者對其抗連續倒塌能力的研究不足， 導致結構的連續倒塌事故頻繁出現，因此，深入研究鋼筋混凝土結構的抗連續倒塌性能具有重要意義[2]。

目前，已有學者提出了不同設計方法來提升鋼筋混凝土結構的抗連續倒塌能力[3-4]。 如錢凱等[5]通過采用鋼筋混凝土(RC)梁-板子結構提升了其抗連續倒塌性能， 其中RC 框架屈服承載力與極限承載力分別提升高達65%和61%;王英等[6]針對鋼筋混凝土雙跨梁的受力特征和破壞機理分別進行靜力加載試驗和有限元分析，計算得到理論分析結果和試驗結果基本一致， 驗證了有限元建模的正確性、可行性;鄧小芳等[7]提出有黏結預應力筋較無黏結預應力筋可以有效提高結構的屈服荷載與初始剛度，合理設計預應力筋與非預應力筋的比例可有效提升PC 梁-柱子結構在抗連續倒塌能力;高佳明[8]考慮現澆板作用對鋼筋混凝土框架結構進行了抗連續倒塌性能試驗，研究發現框架梁破壞后現澆板仍能提供達極限荷載的84.9%的抗力， 體現了現澆板對結構整體受力性能和變形能力的改善作用。

由于影響鋼筋混凝土結構抗連續倒塌能力的因素眾多，現有研究對于提升結構抗連續倒塌能力的方法還存在一定片面性，基于此，本文提出了一種獨立于鋼筋混凝土雙跨梁結構之外的加固方法，并針對其抗連續倒塌能力進行了模擬分析，最終得出該方法的顯著加固效果及較優參數設計。

1 建立模型

運用有限元軟件ABAQUS 建立鋼筋混凝土雙跨梁數值分析模型， 計算模型中雙跨梁長設計尺寸為(1800×100×150)mm，邊柱尺寸為(650×350×350)mm，中柱尺寸為(350×150×150)mm，共包含16744 個單元和19089 個節點，其有限元模型如圖1 所示。

圖1 鋼筋混凝土雙跨梁有限元模型圖

雙跨梁、 中柱及左右邊柱均為鋼筋混凝土結構，其中混凝土本構模型采用塑性損傷模型，鋼筋本構模型采用雙線性模型，鋼筋、混凝土及約束彈簧均采用梁單元模擬。 加載板和約束板均采用實體單元模擬，加載方式參照100 kN 液壓伺服系統，位移量程為500 mm，加載速度為5 mm/min，從中柱頂部施加豎向荷載來模擬鋼筋混凝土雙跨梁斷裂過程。 模型中采用鉸支座對左右邊柱水平位移和豎向位移進行約束， 對雙跨梁及中柱進行水平位移約束，上、 下部均為自由界面。 混凝土的軸心抗壓強度為25.7 MPa，彈性模量為2.82×104MPA，鋼筋材料參數如表1 所示。

表1 鋼筋型號及材料參數表

2 計算結果分析

為研究鋼筋混凝土雙跨梁抗連續倒塌性能，針對鋼筋混凝土雙跨梁斷裂過程中雙跨梁變形及受力情況進行模擬分析，具體分析過程如下。

2.1 變形分析

針對鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的最大變形情況進行模擬分析，計算結果如圖2 所示。

圖2 不同受力階段-最大位移變化曲線

根據圖2 可知， 在混凝土結構出現裂縫之前，雙跨梁受力處于抗彎階段， 當中柱豎向位移達到-25 mm 時，混凝土結構開始出現裂縫，此時抗彎受力階段結束，內部鋼筋開始受力，雙跨梁進入壓拱受力階段，當中柱豎向位移達到-143 mm 時，雙跨梁外側裂縫急劇增多，底部鋼筋斷裂，承重荷載均表現為上部鋼筋拉力應變， 此時雙跨梁進入懸索受力階段，當中柱位移達到-260 mm 時，混凝土結構被完全破壞，上部鋼筋完全斷裂，雙跨梁承重完全失效。

2.2 受力分析

針對鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的承載力變化情況進行模擬分析，計算結果如圖3 所示。

圖3 不同中柱位移-承載力關系曲線

根據圖3 可知， 隨著中柱豎向位移的增大，雙跨梁不同受力階段的承載力變化情況存在一定差異， 原因是雙跨梁在不同受力階段的承重結構不同，以及受力過程中部分承重結構失效造成的。 當中柱豎向位移為25 mm 時，抗彎受力階段承載力達到最大值，約為12.05 kN，當中柱豎向位移為53.9 mm 時， 抗彎受力階段承載力達到最大值， 約為14.47 kN，當中柱豎向位移為257.4 mm 時，壓拱受力階段承載力達到最大值，約為22.11 kN。

3 加固方案設計

以原模型設計參數為基礎，運用有限元軟件分別建立直徑為8 mm、12 mm、16 mm 及20 mm 的鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁數值模型，并針對不同鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁抗連續倒塌性能進行對比分析，其有限元模型如圖4 所示。

圖4 鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁有限元模型

計算模型中鋼索均采用梁單元模擬，本構模型采用各向同性彈塑性強化段模型， 加固設計包括3個連接件， 分別固定在中柱和邊柱混凝土結構中，在雙跨梁底部增設2 根可調節鋼索， 長度與梁一致， 計算過程中假設連接件與鋼索為均勻同質材料，不考慮連接件的影響。 不同直徑鋼索材料參數如表2 所示。

4 加固效果分析

為研究鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁的實際效果，針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁變形及受力情況進行對比分析，具體分析過程如下。

表2 鋼索材料參數表

4.1 變形對比分析

針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的最大變形情況進行對比分析，結果如表3、圖5 所示。

表3 雙跨梁最大豎向位移計算結果

圖5 雙跨梁最大豎向位移變化曲線

根據表3 可知， 隨著鋼索加固直徑的增大，鋼筋混凝土雙跨梁的最大豎向位移呈增大趨勢，說明采用鋼索加固后有效延遲了雙跨梁的最終斷裂時間。 在抗彎受力階段不同直徑鋼索加固后的雙跨梁最大豎向位移基本一致，原因是此時鋼索未參與受力，因此最大豎向位移未發生變化。 在壓拱受力階段不同直徑鋼索加固后的雙跨梁最大豎向位移分別增大了2.5 mm、8.6 mm、11.1 mm 及11.7 mm，增幅相對較小，而在懸索受力階段不同直徑鋼索加固后的雙跨梁最大豎向位移分別增大了75.9 mm、99.4 mm、122.9 mm 及127.2 mm，增幅相對較大，由此說明鋼索加固主要作用于雙跨梁懸索受力階段，可有效延遲雙跨梁最終斷裂距離，從而提升其抗連續倒塌性能。

4.2 受力對比分析

針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段、壓拱受力及懸索受力階段的最大承載力進行對比分析，結果如表4、圖6 所示。

表4 雙跨梁最大承載力計算結果

圖6 雙跨梁最大承載力變化曲線

根據表4 可知，鋼筋混凝土雙跨梁抗彎受力階段最大承載力不隨鋼索直徑的變化而變化，說明抗彎階段鋼索未參與受力。 壓拱受力階段最大承載力隨著鋼索直徑的增大而逐漸減小，原因是此時鋼索雖參與受力，但彈性應變還未達到極限狀態，因此無法較大程度增大壓拱受力階段的最大承載力，但相對于未采用鋼索加固的雙跨梁承載力有所增大。懸索受力階段最大承載力隨著鋼索直徑的增大而不斷增大，最大承載力相對于未加固的雙跨梁分別增大了39.2 kN、46.29 kN、53.9 kN 及54.5 kN，增幅較為明顯，說明鋼索加固效果顯著。 結合對雙跨梁變形的影響，鋼索加固直徑不宜過大或過小，鋼索直徑過小的加固效果相對較差，直徑過大增幅效果不大， 可根據實際工程情況選擇直徑為12 mm 或16 mm 的鋼索進行加固效果較優。

5 結論

本文基于有限元分析法，模擬分析了鋼筋混凝土雙跨梁斷裂過程中變形及受力變化規律，并針對不同直徑鋼索加固鋼筋混凝土雙跨梁的效果進行對比分析，得出以下結論：

(1)鋼索在雙跨梁抗彎受力階段不參與受力，在壓拱受力階段受力較小，主要作用于最終懸索受力階段，大幅度提升了雙跨梁的抗連續倒塌能力。

(2) 鋼索加固直徑的增大有效增強了鋼筋混凝土雙跨梁的變形能力和最大承載能力，采用直徑為12 mm 或16 mm 的鋼索加固后，變形能力分別增幅了38.2%和47.2%，最大承載力分別增幅了209.4%和244.2%。

(3)鋼索直徑超過16 mm 后，其加固效果增幅不大，同時還加大了成本投入和施工難度，因此在實際工程中選擇直徑為12 mm 或16 mm 鋼索對鋼筋混凝土雙跨梁進行加固效果較優。