二次受力下預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固RC梁抗彎性能分析

程雪原，萬勝武,2

(武漢科技大學(xué)1.城市建設(shè)學(xué)院；2.高性能工程結(jié)構(gòu)研究院，湖北武漢 430081)

國內(nèi)現(xiàn)存建筑物受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的局限，現(xiàn)在面臨亟待解決的加固房屋問題。體外預(yù)應(yīng)力被認(rèn)為是建造新結(jié)構(gòu)以及加固現(xiàn)有結(jié)構(gòu)最具成本效益的技術(shù)之一。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的使用是減少混凝土構(gòu)件裂縫寬度、變形和結(jié)構(gòu)尺寸的有效方法[1]。與其他加固方法相比，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是預(yù)應(yīng)力和混凝土澆筑可以獨(dú)立進(jìn)行，鋼筋束更容易檢查和維修，使添加、移除鋼筋束的可行性變大，可根據(jù)實(shí)際需求改變預(yù)應(yīng)力水平。預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固法可以很好的解決加固后產(chǎn)生的應(yīng)力滯后現(xiàn)象，施工方便快捷，便于災(zāi)后重建，使工程快速恢復(fù)使用。

國內(nèi)外學(xué)者對預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固方法進(jìn)行了相應(yīng)的研究，孫寶俊等人[2]對預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固受損混凝土柱進(jìn)行力學(xué)性能分析，提出預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固下的極限承載力計(jì)算公式；王榮霞等人[3]進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固不同初始狀態(tài)箱梁的靜力性能試驗(yàn)研究；方淑君等人[4]利用ANSYS研究和設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向塊的細(xì)部構(gòu)造。Sunkyu Park等人[5]對無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼束的工字鋼橋梁的受彎性能和加固效果進(jìn)行試驗(yàn)；Rahmani Z等人[6]進(jìn)行了在鋼管混凝土受拉區(qū)加入預(yù)應(yīng)力鋼絞線以控制鋼筋混凝土梁中的裂縫的試驗(yàn)和模擬研究。

為了充分研究體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固二次受力混凝土梁的承載能力，采用數(shù)值分析方法對文獻(xiàn)中已有的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚐SS1進(jìn)行模擬，在驗(yàn)證ABAQUS數(shù)值模型準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)12根預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土加固梁，分析體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固RC梁的整體性能受不同初始加載程度的影響，驗(yàn)證體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固二次受力梁ABAQUS建模分析方法的可行性。在工程實(shí)踐中，考慮二次受力因素為體外預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固鋼筋混凝土梁提供設(shè)計(jì)參考。

1 試件設(shè)計(jì)

選取已有試驗(yàn)[7]中的試件SSS1，進(jìn)行有限元分析。試件SSS1是在跨度三分點(diǎn)對稱加載的簡支梁，總長度為為4500mm。T形梁底部包含兩根直徑為16mm、屈服應(yīng)力為549MPa的鋼筋，頂部包含四根直徑為10mm、屈服應(yīng)力為492MPa的鋼筋，以及直徑為8mm、間距為100mm、屈服應(yīng)力為300MPa的箍筋。體外配置鋼絞線的公稱直徑是9.5mm，抗拉強(qiáng)度為1958MPa，彈性模量為201.9GPa。混凝土采用C60，施加的有效預(yù)應(yīng)力為357MPa。轉(zhuǎn)向塊位置為三分點(diǎn)對稱布置。試件具體尺寸見圖1。

圖1 試件SSS1

2 有限元模型的建立與驗(yàn)證

采用ABAQUS建模分析已有試驗(yàn)[7]中試件SSS1，進(jìn)一步驗(yàn)證外部鋼絞線部分預(yù)應(yīng)力梁的彎曲性能。有限元分析過程分為三個(gè)分析步：第一步施加初始荷載，使梁出現(xiàn)不同受損程度；第二步施加預(yù)應(yīng)力；第三步作用集中荷載使加固梁發(fā)生破壞。利用生死單元建立構(gòu)件的二次受力關(guān)系。

2.1 材料本構(gòu)

鋼筋采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系雙線模型，鋼絞線采用三折線的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，模型假設(shè)材料各項(xiàng)同性。按已有試驗(yàn)[7]中所得材料力學(xué)性能取Es=2.01E5MPa，泊松比為0.28。混凝土采用損傷塑形模型，以材料性能試驗(yàn)確定各標(biāo)號混凝土的彈性模量和泊松比。

2.2 單元選取及網(wǎng)格劃分

模型中的網(wǎng)格均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，混凝土部分、轉(zhuǎn)向塊、錨固塊均采用三維實(shí)體單元C3D8R，為了保證傳力均勻、避免出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在三分點(diǎn)加載位置和梁端支座處設(shè)置鋼墊塊，同樣采用C3D8R單元。普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼絞線都采用桁架單元T3D2。網(wǎng)格全局尺寸50mm，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用按邊布種的方式劃分單元，將鋼絞線看作一個(gè)整體，共劃分為兩個(gè)單元。其模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件與截面接觸

在支座處布置鋼墊塊，并設(shè)置中心參考點(diǎn)，參考點(diǎn)與鋼墊塊整個(gè)端面耦合，將模型按一端固定一端鉸接的方式設(shè)置在參考點(diǎn)上。

將縱向鋼筋與箍筋設(shè)為鋼筋骨架，鋼筋骨架與混凝土接觸采用Embedded；鋼墊塊、轉(zhuǎn)向塊、錨固塊與混凝土的接觸都設(shè)置為tie；應(yīng)力鋼絞線與轉(zhuǎn)向塊和錨固塊接觸采用Embedded。

2.4 加載方式和預(yù)應(yīng)力施加

采用以上建模方法對體外預(yù)應(yīng)力試件SSS1混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，試件以受壓區(qū)混凝土被壓碎為破壞特征，這與試驗(yàn)中梁的破壞狀態(tài)相同。試件SSS1的數(shù)值分析與試驗(yàn)結(jié)果的跨中彎矩-撓度曲線對比如圖3所示。曲線變化規(guī)律相同，只是曲線數(shù)值有所差別。彎矩承載力的差值為3%且模擬結(jié)果高于試驗(yàn)結(jié)果，原因?yàn)橛邢拊Ｐ蜑樵囼?yàn)的理想化模型。以上結(jié)果驗(yàn)證此建模方法可準(zhǔn)確反映預(yù)應(yīng)力鋼絞線混凝土梁的抗彎性能。

圖3 彎矩-跨中撓度曲線

3 影響因素分析

為研究不同初始加載程度對加固二次受力RC梁的影響。利用上述驗(yàn)證的有限元建模方法，模擬分析12根試件，試驗(yàn)梁加固方案見表1。

表1 試驗(yàn)梁加固方案

3.1 預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固RC梁抗彎性能的影響

為研究預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固鋼筋混凝土梁的加固效果，選取未加固梁SSS0和加固對比梁SSS1，分別加載至構(gòu)件破壞。撓度是反映承重結(jié)構(gòu)整體狀態(tài)的重要指標(biāo)[8]。分析模擬梁的荷載-撓度曲線如圖4所示，各加固方案模擬梁的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

圖4 試件SSS0和SSS1

表2 各加固方案模擬梁的力學(xué)性能參數(shù)

由圖4和表2可知，鋼絞線加固鋼筋混凝土梁對荷載-撓度曲線有明顯影響。隨著對梁施加預(yù)應(yīng)力，加固梁的峰值荷載顯著增加。極限承載力增大幅值為67.48KN，增大幅度為168.53%；屈服荷載也得到了明顯的提高，提高幅值是54.03KN，提高幅度為1141.55%。依據(jù)圖4的發(fā)展趨勢，根據(jù)斜率不同將試件梁的位移變化分為兩個(gè)階段，在試件到達(dá)屈服荷載之前各模型曲線發(fā)展趨勢基本一致，加固試件的位移均略小于未加固構(gòu)件；屈服之后加固梁曲線增長明顯。試件SSS0和SSS1的屈服位移分別為23.27mm、57.09mm。說明利用預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固二次受力RC梁可大幅提升構(gòu)件的承載力，改善試件的變形能力。

3.2 初始加載程度對加固二次受力RC梁抗彎性能的影響

為研究初始加載程度對體外預(yù)應(yīng)力加固二次受力RC梁抗彎性能的影響(初始加載程度為初始荷載與SSS0極限荷載的比值)，選取初始加載程度為20%、40%、60%、80%、90%、92%、94%、96%的試件，分別加載至試件破壞。分析荷載-撓度曲線和不同加載程度-極限承載力曲線如圖5和圖6所示。

圖5 不同初始加載程度荷載-撓度曲線

圖6 極限承載力-初始加載程度曲線

由圖5和表2可以看出，當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值荷載時(shí)，受損程度為90%的試件比20%的承載力降低了40%。以直接加固的梁試件為參照，當(dāng)初始加載程度為20%、40%、60%、80%、90%時(shí)，屈服荷載分別相應(yīng)減少-0.3%、3%、7.96%、15.33%、23.67%；極限荷載降低1.33%、5.12%、7.43%、18.46%、29.71%。由表2可知，隨著初始加載程度增大，構(gòu)件延性系數(shù)、加固效果都為先增大后減小。說明對于加固二次受力梁，預(yù)應(yīng)力鋼絞線可提高構(gòu)件的位移延性系數(shù)，但為獲得更安全、經(jīng)濟(jì)的方案應(yīng)在損傷程度較小時(shí)加固。在荷載-撓度曲線中可以看出，混凝土開裂之前，各試件的荷載-撓度曲線基本相同，RC梁受損程度小的構(gòu)件曲線上升趨勢更明顯，抗變形能力更強(qiáng)。

由圖6可知，當(dāng)初始加載程度較小時(shí)，加固梁的極限承載力降低幅度較小；當(dāng)初始加載程度超過80%時(shí)，加固RC梁的極限承載力顯著下降。考慮提高梁的綜合性能，在梁受損程度較輕時(shí)對其進(jìn)行加固效果更明顯。

3.3 卸載、持載加固對加固二次受力RC梁抗彎性能的影響

以加固受損梁時(shí)初始荷載是否卸載為變量，研究不同初始加載程度下卸載、持載加固時(shí)構(gòu)件的極限承載力，如圖7所示，持載加固二次受力模擬梁的力學(xué)性能參數(shù)如表3所示。

圖7 卸載、持載加固極限承載力對比

表3 持載加固二次受力模擬梁的力學(xué)性能參數(shù)

由圖7和表3可知，對比卸載、持載加固兩種情況，當(dāng)初始加載程度為80%時(shí)持載加固比卸載加固極限承載力減小39.45KN，降低了46.21%；當(dāng)初始加載程度為20%時(shí)，持載和卸載加固的承載力相差5.3KN，可忽略不計(jì)。考慮加固梁施工的經(jīng)濟(jì)性，對于受損程度較低的構(gòu)件可采用持載加固，反之則應(yīng)該采用卸載加固，才能最大程度保證結(jié)構(gòu)安全，提高構(gòu)件承載力。在實(shí)際工程中根據(jù)具體情況，以獲得合理、安全、經(jīng)濟(jì)的加固方案。

4 結(jié)論

考慮二次受力因素對預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固RC梁受彎性能進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

(1)預(yù)應(yīng)力鋼絞線加固鋼筋混凝土梁的屈服位移和極限位移均得到較大的提高，進(jìn)而提高承載能力和變形能力，可在一定程度上抑制撓度的發(fā)展。

(2)在總配筋量相同的前提下，不同初始荷載加載程度越大，鋼絞線加固二次受力RC梁的極限承載力提高幅度越小，梁最大撓度變化越小。

(3)二次受力因素對加固RC梁的加固效果與初始加載程度相關(guān)。當(dāng)初始加載程度超過80%時(shí)，加固梁的極限承載力大幅降低，二次受力對梁的影響顯著提高；當(dāng)初始加載程度較小時(shí)，二次受力對加固RC梁的整體性能影響并不顯著。

(4)對比相同條件下的卸載加固和持載加固，當(dāng)初始加載程度較小時(shí)可采用持載加固；梁受損程度較大時(shí)采用卸載加固可獲得更好的加固效果。