粘钢法加固钢筋混凝土柱的破坏机理研究

马　冲

摘要：粘钢加固法是一种技术先进、经济实用的结构加固方法，已经广泛运用到受弯、受拉构件的加固上。但是，目前对受压构件的加固尚缺乏理论和实践依据。文章从试验和有限元两个方面，探讨了粘铜法加固钢筋混凝土柱的破坏机理，为研究钢筋混凝土柱的粘钢加固设计理论打下基础。

关键词：粘钢法；钢筋混凝土柱；破坏机理；加固方法；建模和网格划分

中图分类号：TU746

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)17-0017-02

粘钢加固法是一种应用广泛且技术较为先进的加固方法，它是在构件表面用特制的建筑结构胶粘贴钢板，以提高构件的承载力。其在我国的研究起步较晚，通常是先应用再研究，有些理论方面还存在着一定的空白。2006年9月，我国颁布了《混凝土结构加固设计规范》(GB50367-2006)，标志着我国建筑结构加固设计业走上了正轨。该规范详细规定了粘钢加固受弯、受拉构件的设计理论和计算方法，但由于在粘钢加固钢筋混凝土柱领域理论和实践的相对缺乏，规范中没有粘钢加固钢筋混凝土柱的设计计算方法。

本文从试验和有限元两个方而对粘钢法加固钢筋混凝土柱的破坏机理进行研究，以期为探讨粘钢加固钢筋混凝土柱的设计理论打下基础。

一、受压试验和受力过程分析

(一)破坏试验

本试验采用三根钢筋混凝土短柱。具体如下：长度200×200×650mm，混凝土等级为C30，纵向受力钢筋为4φ16，箍筋为φ8@200；采用3mm厚Q235级钢板焊接成钢板套，灌浆加固。对三根试件进行逐级加载，直至破坏。破坏时测得承载力见表1：

(二)破坏受力特性分析

封闭的钢板套起到了“套箍”作用，约束了混凝土的侧向应变，当在竖向荷载F的作用下，混凝土处于三向受压状态，强度提高很多；而钢板强度大，不仅可以传递较大的荷载，而且直接承受竖向荷载；结构胶在钢板和混凝土间起到了传递水平挤压力和界面剪力的作用，由于一般结构胶厚度很小，承力能力有限.可以忽略其竖向承力作用。显然，加固柱的竖向荷载主要由钢板、钢筋和混凝土三者共同承担。

由于钢板、钢筋和混凝土之间粘结牢固，受力过程中共同变形，二者的压应变值相等。当混凝土压应力达到三轴抗压强度时，混凝土被压溃，外荷载全部转由钢板和钢筋承担。瞬间增大的压应力超出了钢材的承载能力，致使加固柱破坏。

可见，混凝土三轴抗压强度直接关系到加固柱的承载能力；钢板的主要功能是约束混凝土的侧向变形和承担部分竖向荷载。

二、ANSYS有限元模拟分析

(一)建模和网格划分

混凝土采用SOLID65单元，该单元可以很好地反映混凝土的材料性能，对材料进行非线性处理，模拟混凝土的开裂(三个正交方向)、压碎、塑性变形及徐变；采用SOLID45单元模拟钢-板，纵向受力钢筋的面积换算道钢板厚度中去。由于建筑结构胶厚度小，承力能力有限，计算时忽略其厚度。

通过“合并接触面节点”模拟钢板和混凝土牢固粘结、无相对滑移。由于试件中混凝土的粗骨料为粒径为25～40mm的砾石，网格尺寸划分偏大些，为40mm；考虑钢板网格划分如果太细容易造成节点应力集中、计算量增大和收敛困难，所以钢板的网格尺寸为5mm，其实钢原子的实际尺寸要比5mm小得多。

(二)非线性计算和后处理

由于外荷载为施加在构件上表面的面荷载，集度为60；设置一个“荷载步”按“Ramped”模式(线性增长)持续加载；“荷载步”总时长为0.2，“子步”时长为0.02“子步”时长可按计算需要进行自动调节。我们可以按上表面积算得外荷载终值为2492kN。

运用ANSYS进行非线性计算，当计算进行到0.14时，试件被压坏,ANSYS计算结束。此时，外荷载值为2492×0.14÷0.2=1744KN，通过“后处理”程序输出试件z和XY向的应力云图，分别如图1、图2、图3、图4所示：

三、对比分析

(一)试验结论分析

从表1中得出，A2柱破坏形态为“钢套筒中部凸起”和A3柱为“钢套筒焊缝开裂”，均说明加固柱外的钢套筒承受了相当大的侧向力，横向变形很大，而导致这种现象的原因就是混凝土被压碎失去了对侧向变形的约束能力，而对钢板产生了很大的侧向位移。因而，由于混凝土首先被压坏才导致了加固柱的整体破坏，钢板套随着混凝土的变形而变形。A1柱的“柱头局部压碎”是由于受力不均而造成的，不具有代表性。

(二)有限元结论分析

1、从图1和图2可以算得，试件破坏时的荷载值为1744kN，有限元计算结果与试验有效值1753kN十分接近，说明有限分析与试验结论吻合很好。

2、从图3中可以看出，模型中部有一圈明显的“应力陡增线”，这正是试件受力的脆弱区，极容易发生破坏，与试件破坏位置和特征十分吻合。

3、从图4可以看出，临破坏时，试件的XY向应力值在中部位置有向外“鼓凸”的现象；加固柱的核心混凝土已经达到极限应变，混凝土被压溃，使得混凝土的横向应变陡然增加，对加固的钢板也产生很大的向外挤压力。

4、从图1和图2可以看出，模型上表面出现了“锯齿”，不然分析得出锯齿的位置就在钢板和混凝土节点合并的位置。这是由于混凝土的弹性模型小于钢板，在相等竖向荷载的作用下，混凝土的竖向应变量要大于钢板，从而导致了“锯齿”图，现实中，这种“锯齿”是不会出现的。

四、结论

1、粘钢加固钢筋混凝土柱的破坏面不是发生在钢一混粘结面，也不是发生在柱支座处。试验和有限元分析都表明：加固柱的破坏一般发生在柱的中部位置。

2、由于胶粘剂的作用，钢板、钢筋和混凝土之间粘结牢固，受力过程中共同变形，三者的压应变值相等。当混凝土压应力达到三轴抗压强度时，混凝土首先被压溃，外荷载全部转由钢板和钢筋承担。瞬间增大的压应力超出了钢材的承载能力，致使加固柱发生破坏。

3、混凝土三轴抗压强度直接关系到加固柱的承载能力；钢板的主要功能是约束混凝土的侧向变形和承担部分竖向荷载。

参考文献

[1]高轩能，周期源，陈明华.粘钢加固RE梁承载性能的理论和试验研究.土木工程学报，2006，(8)

[2]中华人民共和国国家标准混凝土结构加固设计规范(GB50367-2006)北京：中国建筑工业出版社，2006

[3]钟善桐.钢管混凝土结构[M].北京：清华大学出版社。2003

[4]刘海洋.外贴铜板加固钢筋混凝土梁有限元分析，水利水运工程学报，2003，(9)

[5]李围，ANSYS土木工程应用实例.北京：中国水利水电出版社.2005

作者简介：马冲(1967-)，男，陕西西安人，西安市财政投资评审中心工程师，研究方向：工程项目评审、审计。