相邻两侧增大截面法加固柱受力性能数值模拟

刘育维

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640)

相邻两侧增大截面法加固柱受力性能数值模拟

刘育维

(华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640)

为研究相邻两侧增大截面法对钢筋混凝土柱的加固效果，通过ABAQUS有限元软件，建立了数值分析模型，对比了不同加固截面、初始轴压比、侧向力加载方向及卸载条件下加固柱的受力性能，得出了一些有价值的结论。

ABAQUS，钢筋混凝土柱，增大截面法，承载力

0 引言

增大截面法在钢筋混凝土加固领域应用广泛，有充分的理论和试验研究成果［1-3］。增大截面法的地位稳固，主要是因为增大截面加固法的突出优点，如刚度提高大、强度大、受力可靠、经济性好等［4］。

提高抗震性能是结构加固的一个重点［5］。实际工程中，对特殊位置，比如建筑角部柱加固时，往往难以采用常见的单侧加固［6，7］、双侧对称加固［8］、四面围套加固［9］等方法，这时采用相邻两侧加固，又称为L型加固更实际(见图1)。但目前对相邻两侧增大截面加固法的研究较少，难以为工程应用提供参考。本文通过ABAQUS［10］有限元软件对不同加固截面、不同初始轴压比、不同卸载条件下加固柱在单调水平荷载作用下的抗侧力性能进行数值模拟，研究相邻两侧增大截面法加固柱的受力性能及其主要影响因素。

图1 增大截面法形式（阴影部分为原柱）

1 模型信息

1.1 试验模型

本文采用了两种加固截面尺寸方式，如图2所示。主要参数为:原混凝土柱截面300 mm×300 mm，混凝土强度等级为C30，箍筋等级HRB335，纵筋等级HRB400。新增L型混凝土柱截面厚度分别为 120 mm和 200 mm，混凝土强度等级 C35，箍筋等级HRB335，纵筋等级HRB400。柱高1 500 mm，底部固定在混凝土底座上，底座尺寸为1 320 mm×720 mm×500 mm。

图2 模型配筋图

1.2 材料本构关系

本文中钢筋采用理想弹塑性模型。混凝土受压本构模型采用过镇海［11］矩形约束混凝土应力—应变关系全曲线方程，并根据建模需要增加了弹性段。根据有关经验［12］，在ABAQUS数值建模中将弹性段取到0.4fc，c，混凝土峰值应变取εp=0.002。应力—应变曲线如图3a)所示。

混凝土受拉本构模型采用简化的过镇海受拉曲线方程，将曲线上升段取直线，如图3b)所示。

图3 C30约束混凝土应力—应变曲线

2 试验方案和主要参数

加固柱沿主对角线对称(见图4)。在旧柱柱顶部分施加初始轴力;在柱顶侧面Y1和Y2方向施加单调水平荷载，采用位移加载模式，点面耦合加载。试件分为6个加固柱系列和3根参照柱，参数设置见表1。其中，CW为未加固柱，CZ1，CZ2分别为边长420 mm、边长400 mm的整体浇筑柱。荷载工况有4种，Y1a，Y1b，Y2a和Y2b，a和b分别代表卸载和不卸载工况，详见表1。

表1 试验构件主要参数

混凝土和钢筋分别采用C3D8R单元和T3D2单元。混凝土采用塑性损伤模型，损伤因子d=σ/fc，c(或d=σ/ft)［13］，取值到0.95以上保证收敛。钢筋通过埋入(Embedded)方式与混凝土共同作用。假定新旧混凝土界面之间粘结完好，共同工作，模型中通过绑定约束(Tie)粘结。有限元模型见图5。

图4 加载方向示意图

图5 RCA6柱有限元模型

引入生死单元法(Model change)模拟加固柱二次受力状况。设置多个分析步，第一步杀死新增柱部分，对原柱施加初始轴力;第二步复活新增柱部分，根据卸载工况改变柱顶荷载;第三步施加单调水平荷载。

3 模拟试验结果分析

3.1 整体分析

部分试件荷载—位移曲线见图6。各试件的侧向力峰值如表2所示。

图6 部分加固柱的荷载—位移曲线

由图表可以得出:1)加固柱侧向承载力得到有效提高。A截面加固柱侧向承载力比原柱平均提高1.17倍，B截面加固柱平均提高1.83倍。2)由曲线分析，各加固柱与未加固柱对比，变形能力差别不显著。

3.2 卸载工况分析

施加水平荷载之前，初始轴力的加载有两种工况。工况一是先在旧柱上施加初始轴力，完全卸载，再在整柱上施加等值轴力;工况二是在旧柱上施加初始轴力后不卸载。完全卸载和不卸载都是理想假设状态，便于分析。

表2 各试件峰值应力表 kN

卸载工况下:1)由表2可知，与整浇参照柱相比，A截面试件不利方向侧向承载力达99.4%，B截面达90.5%。可见加固柱受力性能良好。2)由图7可知，初始轴压比越大，侧向承载力越大。原因是均布轴压力使截面受拉区有一定的压应力储备，不会很快进入受拉状态。3)A截面试件两方向承载力接近，而B截面试件Y2方向承载力高于Y1。分析原因:a.新增混凝土的抗压强度等级更高，新增截面越大抗压越有利;b.A截面上下两侧钢筋抗拉力矩接近，而B截面上侧钢筋抗拉力矩高于下侧。故设计时截面不宜过大，且新增部分混凝土和钢筋都应该略强于原有部分。

图7 卸载工况下各试件侧向承载力图

3.3 不卸载工况分析

不卸载工况下:1)由图8可知，Y2方向承载力明显高于Y1方向。原因是在Y2向水平力下，初始轴压力位于加固柱截面的受拉侧，提供了压应力储备，有利于抵抗侧向力;相反，Y1向荷载下，初始轴压力对抵抗侧向力不利。2)初始轴压比越大，侧向承载力的比值(Y2/Y1)也越大。实际使用中风荷载、地震作用方向是往复变化的，除极少数确定情况，不应该利用旧柱初始轴力提高整柱侧向承载力。

图8 不卸载工况下各试件Y2与Y1侧向承载力比值图

3.4 卸载与不卸载的对比

试件综合承载力应该取不利方向承载力对比。对比可知，卸载工况相比不卸载工况，综合侧向承载力有较大提高，且初始轴压比越大越显著。卸载可以有效提高试件的综合承载力，减小二次受力的不利影响。

4 结语

通过ABAQUS数值模拟试验分析，得出以下主要结论:1)相邻两侧增大截面法加固柱受力性能良好，侧向承载力提高显著，略低于整浇参照柱。侧向承载力与加固截面尺寸正相关，但变形能力变化不明显。2)初始轴压比增加了卸载工况下加固柱的侧向承载力，提高了不卸载工况下两方向侧向承载力比值，对不卸载工况下的侧向承载力影响不大。总体而言初始轴压比是有利因素。3)Y1，Y2两个方向的侧向承载力相近更有利于结构抗震、抗风。加固截面较小或卸载工况下，两方向侧向承载力相近，而在不卸载工况下两者相差很大。因此，加固截面不宜过大，应该尽量卸载以减小二次受力影响。

［1］胡惠荣.加大截面加固混凝土偏心受压柱的非线性全过程分析［J］.工程力学，1990(S1):244-250.

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Numerical simulation of reinforced column stress performance on adjacent sides with section enlarging method

Liu Yuwei
(College of Civil＆Traffic，the South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)

In order to study the steel reinforced concrete column reinforcing effect on adjacent sides with section enlarging method，through ABAQUS finite element software，the paper establishes numerical analysis model，compares the reinforced column stress performance under conditions of different reinforced sections，preliminary axial pressure ration，lateral force loading direction and unloading，and finally draws some valuable conclusions.

ABAQUS，steel reinforced concrete column，section enlarging method，bearing capacity

TU375.3

:A

1009-6825(2016)36-0034-03

2016-10-13

刘育维(1990-)，男，在读硕士