二次受力下粘貼鋼板加固RC梁抗彎性能分析*

宋 力， 李林果， 樊 成

(大連大學(xué) 材料破壞力學(xué)數(shù)值試驗中心， 遼寧 大連 116622)

粘貼鋼板加固鋼筋混凝土橋梁(RC構(gòu)件)主要目的是提高構(gòu)件抗彎承載力，同時改善構(gòu)件剛度，二者可以形成共同受力的整體，改善原RC構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)，達到補強效果，在實際工程加固已得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展[1-3].

目前，國內(nèi)外學(xué)者對鋼板加固RC梁已有很多研究.郭文龍等[4]發(fā)現(xiàn)加固梁中性軸高度和抗彎剛度隨荷載增加均呈非線性變化，且實際計算模型應(yīng)考慮橋梁損傷的現(xiàn)實狀態(tài)；張維真[5]對銹蝕RC梁進行加固，發(fā)現(xiàn)梁承載力提高明顯，但屈服撓度變化不明顯；Alam等[6]發(fā)現(xiàn)用鋼板和粘接劑修復(fù)嚴重剪切損壞的鋼板鋼筋，可以完全恢復(fù)梁的原始剪切能力.

但大多數(shù)研究人員只停留在考慮一次受力狀態(tài)，而忽略橋梁二次受力的影響.一般情況下，RC構(gòu)件加固是在初始荷載存在時，構(gòu)件加固前處于一次受力或不完全卸荷狀態(tài).為更加貼近實際RC構(gòu)件加固工程，本文針對二次受力下鋼板加固鋼筋混凝土梁進行抗彎性能研究.采用數(shù)值模擬軟件ABAQUS對二次受力下鋼板加固RC梁進行模擬，并將得出的模擬數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果進行對比，分析鋼板層數(shù)、配筋率和預(yù)載量等因素對鋼板加固RC梁效果的影響，評估其可靠度和實用性，為修復(fù)實際RC橋梁加固工程提供理論基礎(chǔ).

1 試驗與有限元分析

1.1 試 驗

RC梁為適筋梁，梁長為1 700 mm，截面尺寸為b×h=120 mm×200 mm，縱向受拉、壓鋼筋分別為HRB400的2φ8、2φ12，配筋率為0.59%，混凝土保護層厚度為30 mm，箍筋型號為HPB300，箍筋配置為φ6@150 mm，混凝土強度等級為C30.單層鋼板厚度為2 mm，寬度為120 mm，彈性模量為192 GPa，屈服強度為300 GPa，極限抗拉強度為610 GPa.圖1為RC梁試驗加載裝置，采用三分點加載方式，RC梁試驗加載方案如表1所示.

圖1 RC梁試驗加載裝置Fig.1 Loading device for RC beam test

1.2 有限元模型建立

表1 RC梁試驗加載方案Tab.1 Loading schemes for RC beam test

圖2 RC單軸拉、壓應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.2 Stress-strain curve of RC under uniaxial tension and compression tests

根據(jù)上述條件建立有限元模型，如圖4a所示.根據(jù)文獻[13]，混凝土梁網(wǎng)格劃分為30 mm，且種子按邊布種.網(wǎng)格劃分以及種子布置結(jié)果如圖4b所示.

圖3 鋼材和環(huán)氧樹脂膠應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of steel and epoxy adhesives

圖4 梁模型有限元建立和網(wǎng)格劃分、種子布置Fig.4 Finite element establishment，meshing and seed placement of beam model

2 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比

表2 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果對比Tab.2 Comparison between finite element simulation and test results

3 加固效果影響因素分析

3.1 鋼板厚度因素

選取N、O兩組數(shù)據(jù)結(jié)合對比梁ML-1進行分析，比較方案如表3所示，有限元模擬結(jié)果如圖6所示，圖7為鋼板厚度對梁極限承載力影響柱狀圖.由圖6、7可知：1)無論RC梁是否有加載歷程，RC梁極限抗彎承載力都隨著鋼板厚度的增加而提高；2)當加載歷程相同時，鋼板厚度對RC梁極限抗彎承載力影響較為明顯，且隨鋼板厚度增加而增大；3)對比NL-4和OL-4發(fā)現(xiàn)，無加載歷程時，鋼板厚度對RC梁的抗彎承載力提高更為明顯(NL-1，2，3和OL-1，2，3結(jié)論相同)；4)無加載歷程時，NL-4和NL-3相對于NL-2和NL-1對提高RC梁的抗彎承載力更大.

3.2 鋼板長度因素

表4為鋼板長度比較方案.圖8為模擬結(jié)果.由圖8可知，鋼板長度為1 300 mm時對RC梁極限荷載提高幅度減弱或不是很明顯；鋼板長度對撓度影響很小.

圖5 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果荷載位移曲線對比Fig.5 Comparison of load-displacement curves between finite element simulation and test results

表3 不同鋼板厚度方案比較Fig.3 Scheme comparison with various steel plate thickness

圖6 鋼板厚度和預(yù)載量對加固梁荷載位移曲線的影響Fig.6 Effect of steel plate thickness and preload amount on load-displacement curves of reinforced beams

圖7 加固厚度與梁極限抗彎承載力關(guān)系Fig.7 Relationship between reinforcement thickness and ultimate bending capacity of beams

表4 鋼板長度比較方案Tab.4 Scheme comparison for various steel plate lengths

圖8 不同鋼板長度效果Fig.8 Influence of various steel plate lengths

3.3 配筋率因素

表5為不同配筋率比較方案.圖9為有限元結(jié)果.由圖9可知：1)相同配筋率下，加固梁TL-3(TL-2和TL-1)相對于未加固梁SL-3(SL-2和SL-1)其極限荷載承載力提高45.30%(41.36%和37.94%)；2)鋼板厚度相同情況下，RC梁抗彎承載力隨配筋率增加而增大，但不明顯；3)RC梁最大撓度值減小程度TL組大于SL組，即RC梁更快達到其抗彎承載力.

表5 不同配筋率對比方案Tab.5 Scheme comparison for different reinforcement ratios

圖9 不同配筋率影響結(jié)果Fig.9 Influence of different reinforcement ratios

4 結(jié) 論

本文通過分析得出以下結(jié)論：

1) 當二次受力下RC梁配筋率較高時，使用鋼板加固RC梁其極限承載力提高明顯，即加固效果更好；相對于對比梁而言，增加配筋率對RC梁極限抗彎承載力影響較大.

2) 對二次受力下鋼板RC梁加固時，梁抗彎承載力隨鋼板厚度增加而增大；當預(yù)載程度為60%且鋼板厚度為6和8 mm時，其抗彎承載力增加很明顯，分別為23.00%、25.80%，且鋼板長度對撓度影響不大.

3) 存在最佳配板率，使得二次受力下鋼板加固RC梁極限承載力提高不再明顯或基本不提高.本文中鋼板長度為1 300 mm時最好，占總長的86.70%，故實際工程應(yīng)考慮合理的加固方案以節(jié)省鋼板原材料.