铝合金筋体外预应力加固混凝土梁受力性能研究

邢国华，谢鹏宇，宋启玺，刘伯权，吴　涛

(长安大学建筑工程学院，西安　710061)



铝合金筋体外预应力加固混凝土梁受力性能研究

邢国华，谢鹏宇，宋启玺，刘伯权，吴涛

(长安大学建筑工程学院，西安710061)

铝合金具有轻质高强、延性好、低温脆断敏感性小、耐腐蚀等优点，可用于侵蚀环境及寒冷环境下结构体外预应力加固工程。本文对铝合金筋的材料性能进行试验研究，建立了铝合金筋本构关系模型，应用有限元程序ANSYS对既有体外预应力加固混凝土梁的受力过程进行模拟分析，通过计算结果和试验结果的对比分析验证了有限元分析模型的合理性。根据等截面原则和等强度原则，应用铝合金筋分别替换既有混凝土梁的体外预应力筋，对其进行有限元分析。结果表明，与传统体外预应力加固混凝土梁相比，采用等截面原则加固后的铝合金筋体外预应力混凝土梁，可以在适当提高延性的基础上，部分提高混凝土梁的承载能力；采用等强度原则加固后的铝合金筋体外预应力混凝土梁，可同时显著提高混凝土梁的承载能力和延性。

体外预应力； 铝合金； 混凝土梁； 加固； 有限元分析

1　引　言

建筑结构在使用过程中，由于建筑材料被环境腐蚀、受到外力破坏、自然灾害等因素的影响，使其使用功能和可靠性降低，或原有结构使用功能的改变致使其无法满足正常的使用条件，因此，需要对这些在役建筑物进行维修加固以及改造。其中，体外预应力加固是目前我国较普遍采用的结构加固方法之一，可以提高受力构件的承载力、刚度和抗裂性能[1-3]。此外，体外预应力加固技术在桥梁工程的加固和补强中获得较好的经济效益和社会效益[4,5]。但是传统预应力筋如钢绞线、钢丝等是非延性金属材料，相应地传统体外预应力筋加固混凝土梁的破坏往往是脆性破坏，无任何明显征兆，对于抗震结构存在一定的安全隐患。本文在对铝合金筋材料性能试验研究基础上，应用有限元程序对铝合金筋体外预应力加固混凝土梁的受力性能进行研究，分析了铝合金筋应用于混凝土构件体外加固的基本性能，为铝合金筋在土木工程中的应用提供依据。

2　铝合金筋材料性能

图1　铝合金筋受拉破坏Fig.1　Failure of aluminum alloy bars under tension(a)diameter 6 mm;(b)diameter 8 mm

铝合金结构具有自重轻、耐腐蚀、外观效果好、建成之后无需维护等系列优点，在侵蚀环境下的工程结构中有较强的优势。与传统钢筋、钢绞线及FRP筋相比，铝合金在材料力学性能以及物理特性上存在明显差异，如表1所示[6-12]。同时，铝合金在低温环境中的强度和延性不会降低，且脆性断裂敏感性小于钢材，因此不规定临界温度。

目前全世界已正式注册的铝合金达千种以上，常用的约450种，其中6061-T6铝合金具有自重轻、比强度高、耐腐蚀性能好、低温韧性好、易于维护、便于回收利用等优点。本文对6061-T6铝合金进行了材料性能拉伸试验，分析其应力-应变本构关系曲线和物理力学性能指标如非比例延伸强度f0.2、抗拉强度fu、弹性模量E等。铝合金筋的受拉颈缩破坏，如图1所示。

表1　铝合金与钢筋、钢绞线、FRP筋的性能对比

注： N/A表示不适用；表中数据主要来源于文献[6]、[8]、[9]，铝合金数据来源于文献[10]；热膨胀系数数据来源于我国混凝土设计规范[11]，其中FRP筋轴向膨胀系数与横向膨胀系数差异极大，轴向膨胀系数在前；强重比根据文献[12]建议强度选取屈服强度；成本系数来源于文献[12]，用于工程造价初步估算。

铝合金筋试件的物理力学性能的实测值如表2所示。由于铝合金的强屈比较小，材料的安全储备相对较低。对于处于正常工作状态或合理设计的铝合金结构构件，其最大应变一般不宜大于1%。因此，本文在建立铝合金筋本构关系时其应变区间取为0～1%。

表2　铝合金实测物理力学性能指标

Ramberg-Osgood模型在金属结构的本构关系研究中得到了广泛应用，建议铝合金筋采用修正的Ramberg-Osgood模型([13]：

(1)

图2给出了铝合金筋的应力-应变实测曲线和理论曲线的对比情况。从图中可以看出，理论曲线与试验曲线吻合较好。因此，式(1)可作为铝合金本构关系模型，用于体外预应力加固混凝土梁的计算分析。

图2　铝合金筋本构关系曲线对比Fig.2　Comparison on stress strain curves of aluminum alloy bars(a)diameter 6 mm;(b)diameter 8 mm

3　体外预应力加固混凝土梁有限元分析

3.1模型建立

3.1.1基本假定

在ANSYS有限元分析中采用了如下假定:(l)在受力过程中，铝合金筋的应变与钢筋、混凝土的应变满足变形协调原理；(2)钢筋与混凝土、铝合金筋与混凝土间有足够好的粘结，无相对滑移；(3)梁在加固前后的抗剪承载力足够；(4)忽略混凝土抗拉强度。

3.1.2单元类型

混凝土材料用SOLID65单元模拟，普通受拉、受压钢筋以及箍筋用两节点的LINK8单元模拟。体外预应力筋单元用LINK10单元模拟。同时为了防止应力集中，混凝土突然破坏导致求解发散，在加载点、支座、预应力锚固处放置钢板，并用三维实体单元SOLID45模拟，在建立有限元模型时，采用线弹性模型，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。

3.1.3分析模型

共建立4根混凝土模型梁，包括一根对比简支梁PL1、一根消除应力钢丝体外预应力加固梁PL2和两根铝合金筋体外预应力加固梁LL3和LL4。其中，梁LL3与梁PL2的预应力筋面积相等，梁LL4是在梁PL2基础上根据预应力筋等强度替换原则得到的混凝土梁。

混凝土梁截面为150 mm×350 mm，跨度为4000 mm；非预应力筋混凝土梁PL1上部截面配筋为2φ10，下部截面配筋为2φ16；梁PL2的预应力筋为4φP5，梁LL3的预应力筋为2φ8，梁LL4的预应力筋为12φ6；转向块直径均为φ18。

有限元模型网格划分中，混凝土单元沿跨梁长方向尺寸为50 mm，梁宽度和梁高度方向分别为25 mm；普通受压、受拉钢筋沿梁长度方向尺寸为50 mm；箍筋尺寸为25 mm，与混凝土单元在相应位置保持一致。

3.1.4材料参数

图3　体外预应力加固混凝土梁有限元模型Fig.3　Finite element model of concrete beam strengthened by external prestressing

混凝土泊松比为0.2，弹性模量为2.8×104N/mm2，极限抗压强度fc=16.7 N/mm2。普通钢筋泊松比为0.3，弹性模量为2.0×105N/mm2，箍筋屈服强度fy=300 N/mm2，纵筋钢筋屈服强度fy=381 N/mm2。体外预应力筋：消除应力钢丝的泊松比为0.2，弹性模量为1.95×105N/mm2，屈服强度fy=1887 N/mm2；铝合金筋的参数见表2。

建立的体外预应力加固混凝土梁有限元模型如图3所示。

3.2模型验证

在有限元模型计算分析中，荷载值取混凝土梁两端支座竖向反力，挠度取混凝土梁跨中挠度。梁PL1的荷载-跨中挠度曲线如图4所示。梁PL2首先对普通混凝土简支梁加载至40 kN，待稳定后，分级张拉消除应力钢丝至σcon=950 MPa，然后继续加载直至混凝土梁破坏。梁PL2的荷载-跨中挠度曲线如图5所示。

图4　梁PL1的荷载-跨中挠度曲线Fig.4　Load-mid span deflection curves of PL1

图5　梁PL2的荷载-跨中挠度曲线Fig.5　Load-mid span deflection curves of PL2

由图4可知，对比梁PL1进入破坏阶段后，随着荷载的增大，跨中挠度急剧增大，最终因混凝土压溃而发生破坏，计算终止。因此，对比梁PL1的跨中挠度和计算结果在破坏时存在较大差距，但在弹性阶段和弹塑性阶段计算值和试验值较为吻合。

由图5可知，消除应力钢丝体外预应力加固梁PL2破坏时，底部受拉钢筋没有其达到屈服，体外预应力筋也没有到达设计强度，因此计算结果偏高，但整体上有限元计算的极限承载力和跨中挠度与试验较为吻合，误差较小。

综上所述，对比梁PL1和体外预应力加固梁PL2的计算结果与试验结果吻合较好，说明本文建立的有限元模型、选用的材料参数可以较好的模拟体外预应力加固梁的受力全过程。

3.3计算结果分析

梁LL3和LL4为采用铝合金体外预应力筋加固的混凝土梁。首先对普通混凝土简支梁加载至40 kN，待稳定后，分级张拉预应力铝合金至σcon=200 MPa，然后继续加载直至混凝土梁破坏。梁LL3、LL4与试验梁PL1和PL2的荷载-跨中挠度曲线对比情况，分别如图6和7所示。

由图6可知，相对于消除应力钢丝体外预应力加固，用同等截面面积的铝合金筋加固混凝土梁，可以部分提高混凝土梁的极限承载力，混凝土受拉钢筋和铝合金筋的材料有效利用率较高。加固时，铝合金筋对跨中挠度的减小作用不明显，但在破坏阶段混凝土梁的延性得到提高；从图7可以看出，相对于消除应力钢丝体外预应力加固，用同等强度的铝合金筋加固混凝土梁，可以显著提高混凝土梁的极限承载力，混凝土受拉钢筋和铝合金筋的材料有效利用率也有所提高。加固时，铝合金筋对跨中挠度的减小作用不明显，但在破坏阶段混凝土梁的延性得到显著提高。

图6　LL3与PL1和PL2的荷载-跨中挠度曲线对比Fig.6　Comparison of load-mid span deflection curves between LL3, PL1 and PL2

图7　LL4与PL1和PL2的荷载-跨中挠度曲线对比Fig.7　Comparison of load-mid span deflection curves between LL4, PL1 and PL2

因此，用同等截面面积的铝合金筋加固混凝土梁对极限承载力的提高要小于消除应力钢丝，但铝合金加固之后，可以提高混凝土梁的延性，同时部分提高混凝土梁的承载力。若用同等强度的铝合金加固混凝土梁，混凝土梁的承载力和延性会显著增加。在应用于实际工程中时，若合理采用铝合金用量，可以达到预期的加固效果。同时，铝合金具有自重轻、耐腐蚀、比强度高、建成之后不需要维护，并且低温环境下力学性能稳定等一系列优点，在侵蚀环境下的工程结构中有较强的优势。因此，铝合金是一种较为理想的体外预应力加固材料。

4　结　论

(1)铝合金筋在拉断之前有显著的变形阶段，存在准屈服平台，有别传统预应力筋材料如钢绞线、消除应力钢丝等，以铝合金为主要受力材料的结构破坏时延性较大;

(2)本文建立的ANSYS有限元分析模型，较好地模拟了体外预应力加固混凝土梁的受力全过程，可以对铝合金筋体外预应力加固混凝土梁进行全过程的受力分析;

(3)相比体外预应力消除应力钢丝加固，用同等截面面积的铝合金筋体外预应力加固混凝土梁对极限承载力的提高有限，但采用铝合金筋加固后，可以改善混凝土加固梁的变形性能，提高混凝土梁的延性;

(4)相比体外预应力消除应力钢丝加固，用同等强度的铝合金筋体外预应力加固混凝土梁，可以大幅提高混凝土梁的承载能力，同时混凝土梁的延性也会得到显著提高。

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Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened by External Prestressed Aluminum Alloy Bars

XINGGuo-hua,XIEPeng-yu,SONGQi-xi,LIUBo-quan,WUTao

(School of Civil Engineering,Chang'an University,Xi'an 710061,China)

The aluminum alloy has many advantages, such as the light quality with high strength, low susceptibility in low temperature, and corrosion resistance. It can be used for structural external prestressing engineering in erosion and cold temperature environments. Drawing the mechanical properties of aluminum alloy material by the material performance testing of aluminum alloy bars. Using ANSYS to analyze the loading process of the concrete beam which is reinforced by external prestressing tendons. Compared the calculation results with the experiment results, and the finite element analysis model is verified to be reasonable. Then, replacing the external prestressed tendons of the concrete beam by aluminum alloy bars with the principle of equal section and equalling strength, analyzing this by finite element method. The result shows that compared with the traditional reinforced concrete beams strengthened by prestressed aluminum alloy, using the principle of equal section strengthing reinforced concrete beams strengthened by prestressed aluminum alloy, its bearing capacity will be improved partly based on properly increasing its ductility. If using the same strength of the aluminum alloy strengthen the concrete beam, the bearing capacity and the ductility of concrete beams can be improved significantly.

external prestressing;aluminum alloy;concrete beam;strengthening;finite element analysis

国家自然科学基金(51108032)；陕西省建设科技计划；中央高校科研业务费专项经费(310828152017,310828163410)

邢国华(1983-)，男，博士,副教授.主要从事在役混凝土结构抗震性能方面的研究.

TU378

A

1001-1625(2016)03-0831-06