负载钢柱加固后的正截面承载力分析

周 乐,吴建平,王克尧

(1.沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110044;2.北京中冶设备研究设计总院有限公司,北京 100029)

负载钢柱加固后的正截面承载力分析

周 乐1,吴建平1,王克尧2

(1.沈阳大学 建筑工程学院,辽宁 沈阳 110044;2.北京中冶设备研究设计总院有限公司,北京 100029)

为进一步研究负载钢柱在钢筋混凝土外包加固后的正截面承载力问题,基于已有试验和文献研究,建立有限元分析模型.利用ABAQUS软件分析其组合柱的受力过程及破坏形态,同时分析了初始负载大小、混凝土等级以及型钢等级对组合柱极限承载力的影响.分析结果表明,加大初始负载会减少加固后型钢-混凝土组合柱的极限承载力;增加混凝土或型钢的强度等级都会使加固后组合柱的极限承载力提高.采用系数修正法对已有正截面承载力公式中的纵筋强度进行折减,折减后的计算结果与有限元模拟和试验结果吻合良好.

负载钢柱;加固;有限元模拟;承载力计算;折减

钢结构作为一种自重轻、强度高、抗压性和抗震性能好的优良结构,已广泛应用在我国的工业和民用建筑领域.但是在其设计、生产、运输及施工过程中由于管理不当,往往会产生隐患[1];在使用过程中因超载、损伤、锈蚀往往容易引起损伤积累,从而影响到整个结构的安全.为了有效规避钢结构事故[2]的发生,将这些早期钢结构全部推倒重建是极其浪费的,且工程量偏大,耗时长,影响正常的生产和工作,是不可取的.为了响应国家可持续发展战略,大力提倡节能减排和对已有资源的再利用成为建筑行业发展的重点,因此对现役钢结构进行加固就显得尤为重要.

钢筋混凝土外包加固负载钢柱作为增加构件截面加固法的一种,就是对负载状态下的原型钢构件的四周均匀布置钢筋笼并浇筑混凝土.与一般的加固方法相比,负载下的加固过程不需要对原型钢构件进行任何形式的载荷转移或卸载,且原型钢柱被新增加的钢筋混凝土外包加固后,相当于增加了新的封闭的保护层,这样内部原型钢柱就避免了直接暴露在外部环境中,有效地阻止了型钢腐蚀现象的发生,同时新增的钢筋混凝土也对型钢柱充当了隔热防火材料的角色.此外,新增加的钢筋混凝土加大了原型钢构件的截面面积,能有效地增强构件的承载性、稳定性和刚度.但是,与现阶段国内外关于负载钢结构加固的焊接加固法[3]和粘贴纤维增强复合材料加固法相比,外包钢筋混凝土加固负载钢结构的研究表现出明显的不足[4].

为了对负载钢柱经外包钢筋混凝土加固后的承载能力做进一步的研究,本文运用了有限元模拟的方法分析此类方法加固后的承载能力.并根据建立的ABAQUS有限元模型和本文理论推导所给出的新的承载力计算公式,分别将有限元模拟的结果和承载力公式的计算结果与已有试验结果进行对比,得出所建立的有限元模型是准确的,给出的承载力计算公式是准确安全的.

1 试验简介

1.1试验方案

本次钢筋混凝土外包加固负载钢柱的承载能力性能试验共设计5根轴心受压钢柱,其中包含了1根在未负载状态下进行加固的型钢柱和4根负载状态下进行加固的型钢柱.试验的影响参数主要包括初始负载的大小、混凝土强度以及型钢强度.原型钢柱均采用热轧HW100×100型钢,型钢柱居中布置,型钢等级分别为Q235和Q345,混凝土采用C50和C70两个强度等级,初始负载大小分别为0、0.5fy和0.7fy(fy是型钢的屈服强度),纵向受力钢筋采用4根Φ12的HRB335级钢筋,箍筋采用Φ8的HPB300级钢筋,箍筋间距为100 mm.加固后试件的试验参数如表1所示,试验所用钢材的力学性能指标经材料性能试验测得值见表2,原型钢柱加固前的截面尺寸如图1所示,加固后组合构件的截面尺寸及配筋如图2所示.

表1 试验主要参数Table 1 The main test parameters

表2 钢材材料属性Table 2 Material properties of steel

图1 型钢截面尺寸Fig.1 Cross-sectional dimensions of structural steel

图2加固构件截面形式
Fig.2 Cross section of reinforced members

1.2试验现象

通过对试件加载试验现象的观察分析可以得出,经过钢筋混凝土外包加固的5根轴心受压钢柱的破坏现象相似,都大致经历了弹性阶段、带裂缝工作阶段和破坏阶段三个过程.试验的加载装置如图3所示,在刚开始加载的弹性阶段,由于轴向载荷较小,试件中的钢筋、混凝土和型钢三者都能协同工作,试件的应力-应变曲线增长呈线性.渐渐增加载荷,试件端部开始出现竖向裂缝,并发出微弱的响声;随着载荷继续增大,裂缝逐渐向试件中部扩展,待加载到接近试件的极限承载能力时,试件内部型钢的应变增大明显,纵向受力钢筋达到屈服,混凝土表面裂缝急剧增多,试件中部表层部位的混凝土被压碎并产生剥落现象,剥落处的纵向钢筋压弯外鼓,试件被压坏.

图3试验加载装置
Fig.3 Loading device of the test

1.3试验结果分析

(1) 初始负载对加固后组合柱承载力的影响.初始负载的大小对加固后组合柱的载荷-位移曲线如图4所示,图中FZ0C70曲线表示初始负载为0、混凝土强度等级为C70(即试件SRHC-1)的载荷-位移曲线;F0.5fyC70曲线表示初始负载为0.5fy、混凝土强度等级为C70(即试件SRHC-2)的载荷-位移曲线.依此类推,曲线F0.7fyC70a即为试件SRHC-4的载荷-位移曲线.由图4可以看出,在混凝土强度与型钢强度都相同的前提下,随着初始负载的增加,载荷-位移曲线的斜率减小,对试件的刚度产生较大影响,加固后组合柱的承载力也降低.

图4 初始负载作用下载荷-位移曲线Fig.4 Load-displacement curve under initial load

(2) 混凝土强度对加固后组合柱承载力的影响.混凝土强度对加固后组合柱的影响如图5所示,F0.5fyC50曲线表示初始负载为0.5fy、混凝土强度为C50(即试件SRHC-3)的载荷-位移曲线,曲线F0.5fyC70表示初始负载为0.5fy、混凝土强度为C70的试件(即试件SRHC-2)的载荷-位移曲线.通过图5可分析得出,混凝土强度对加固后组合柱的承载力影响较大,试件SRHC-2的载荷-位移曲线的斜率明显大于试件SRHC-1的载荷-位移曲线斜率,这主要是因为加固后组合柱的承载力中混凝土贡献很大[5],外包加固用的混凝土强度等级越高,加固后组合柱的承载力也就越高.

图5 混凝土强度影响下载荷-位移曲线Fig.5 Load-displacement curve under the influence of concrete strength

(3) 型钢强度对加固后组合柱承载力的影响.由不同型钢强度对加固后组合柱的载荷-位移曲线的影响如图6所示,曲线F0.7fyC70a表示初始负载大小0.7fy、混凝土强度C70、型钢强度为Q345(即试件SRHC-4)的载荷-位移曲线;F0.7fyC70b表示初始负载0.7fy、混凝土强度C70、型钢强度为Q235(即试件SRHC-5)的载荷-位移曲线.从图6中可以看出,加固后组合柱的承载力随型钢强度的提高而增加.此外,两个试件的载荷-位移曲线斜率也大致重合,没有发生较大的变化,表明型钢强度的提高对加固后组合柱的刚度影响并不大,而初始负载大小和混凝土强度对加固后组合柱刚度的影响比较大[5].

图6 型钢强度影响下载荷-位移曲线Fig.6 Load-displacement curve under the influence of section steel strength

2 有限元模拟

本文运用了具有比较强大的模拟能力和非线性力学分析能力的有限元程序ABAQUS6.14进行数值建模分析.分别将不同大小的初始负载、混凝土强度和型钢等级等相关参数对构件承载力性能的影响结果与试验结果进行对比,验证了所建立的有限元模型的准确性.

2.1建立材料的本构关系

本文所建立的有限元模型中钢材的本构关系模型采用的是多线性各向同性简化模型,其应力-应变关系曲线如图7所示.图中的fy,fu,εy和E均为试验值,如表2所示.混凝土的本构关系模型采用ABAQUS软件材料模型库中的塑性损伤模型,其强度等级与试验相同.

图7 钢材应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curves of steel

2.2建立有限元模型

建立的有限元模型中型钢和混凝土选取三维实体8节点线性减缩积分单元C3D8R模拟,箍筋和纵筋则选取两节点线性三维桁架单元T3D2模拟.构件端部的边界条件一端采用的是固定约束(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0),另一端采用去除轴向位移约束的固定约束(不约束U3),并将载荷加到此不约束轴向位移的参考点上.装配后的模型中型钢和混凝土按照Tie技术绑定,箍筋和纵筋按照Embeded技术内嵌到整个模型中,使其与整个模型能够共同受力.型钢和混凝土的网格按照扫掠网格划分技术进行划分,为六面体单元.划分后的模型如图8所示.

图8网格划分后的模型
Fig.8 Model of mesh partition
(a)—钢材;(b)—混凝土.

对于试件负载下加固的模拟,采用两阶段的加载方法,先在第一个分析步输入关键字“*Model Change,Remove”对新增钢筋混凝土单元杀死,单独加载型钢到初始负载额定值;在第二个分析步中输入“*Model Change,Add”对钢筋混凝土单元进行激活.试验中未负载的试件直接采用第一个分析步.

3 承载力理论研究

3.1基本假定

加固前:

李瑞东传世的武功是“李氏太极拳”，但实际上他所学过的武功极杂。他幼年时练的是少林拳，青少年时代跟随河北饶阳戳脚门大师李老遂学了戳脚。青年时代与大刀王五结义金兰，互换拳艺，得王五所传教门弹腿，后来结识了杨露禅弟子王兰亭。

原型钢柱无缺陷,负载状态下无局部屈曲的现象发生.

加固后:

(1) 组合柱所受轴力方向的截面曲率和长度方向相同;

(2) 原型钢柱与外包的混凝土粘结良好,接触面无滑移现象发生,原型钢柱、混凝土和纵筋能共同工作,全截面为平截面;

(3) 新增加的钢筋混凝土中纵筋的应力-应变关系表达式为

式中:σS为纵向受力钢筋的应力;ES为纵筋的弹性模量;εS为纵筋的应变;εy、fy则分别为纵筋的屈服应变和屈服强度.

3.2负载下构件加固承载力计算

负载钢柱经钢筋混凝土外包加固后的承载力主要由三部分组成:原型钢柱所提供的承载力、外包钢筋混凝土中混凝土所提供的承载力和外包钢筋混凝土中纵向受力钢筋提供的承载力.承载力计算公式[5]为

表3 型钢混凝土构件的稳定系数Table 3 The stability factor of steel reinforced concrete structures

与一般的加固方法相比,负载钢柱在加固前已经承受了初始载荷,属于第一次受力,而加固后形成的型钢-混凝土组合柱则属于二次受力结构.负载状态下加固后的组合柱的承载力与一次整浇成形的型钢混凝土柱有所不同,负载下居中的型钢柱会率先达到屈服,而新增加的混凝土和纵筋无法与原型钢柱同时达到应力屈服状态.所以,在总的承载力上,经外包钢筋混凝土加固后的型钢-混凝土组合柱的承载力要比一次整浇型钢混凝土柱的承载力低.负载钢柱经钢筋混凝土外包加固后会存在应力滞后现象,新浇筑的钢筋混凝土部分的应变低于型钢的累积应变.当型钢达到屈服状态时,便可认为加固后的组合柱已经达到了极限状态[6],此时混凝土和纵筋的应变还很低,材料的强度没有得到充分的利用,应对其承载力进行折减[7].文献[6]已对混凝土有效强度进行了折减,对钢筋混凝土中纵筋部分的抗压强度尚未进行折减.本文通过对已有文献[8]分析,认为加固后的型钢-混凝土组合柱由于初始负载大小的因素,外包的钢筋混凝土中纵筋在后期载荷作用下无法充分发挥其抗压性能,纵筋承载力也应被折减,因此引入纵筋折减系数αS.加固后纵筋的应变εS是型钢柱应变εSS和型钢柱初始应变εSS0的差值,则纵筋的应变为

负载钢柱加固后的承载力计算公式为

纵筋抗压强度折减系数为

从式(4)中可以看出,型钢柱的应变εSS与型钢柱初始应变εSS0的差值越大,纵筋的应变εS就会越大;根据式(1)可推出纵筋的应力值也就越大,纵筋的应力就会越接近极限应力值[6].从式(5)中可以看出,原型钢柱的等级越高,组合柱的承载能力就越强;根据式(6)推导出型钢柱初始负载N0越小,纵筋在组合柱屈服时的应力值就越大,纵筋的抗压能力发挥的就充分,组合柱的承载能力就越强.

4 试验、有限元模拟与理论计算的结 果对比

为了验证本文所给承载力计算公式和计算机模拟结果的准确性,将有限元数值模拟分析结果、承载力公式计算的结果和试验结果对比,见表4.试件SRHC-1为未负载下加固,承载力计算时可不必进行折减,故计算值高于试验值.通过对比看出,有限元模拟与试验结果基本接近,本文所给承载力计算公式结果与试验结果平均误差为6.18%,有限元与试验误差为6.02%,且公式计算值低于试验值.因此,本文承载力计算公式是偏于安全可靠的.

表4 加固柱承载力结果对比表Table 4 The comparison of the calculated bearing capacity

5 结 论

(1) 通过对负载钢柱外包加固钢筋混凝土进行有限元模拟,得出的模拟结果与试验值基本吻合.

(2) 通过理论分析,得出型钢强度等级、初始负载大小和混凝土等级是影响负载钢柱加固后承载力的主要因素.通过试验得出初始负载增加,经外包加固后组合柱的承载力将减小;混凝土强度和型钢强度增加,经外包加固后组合柱的承载力也增加.

(3) 与一般的加固方法相比,负载下外包加固可以有效提高试件的承载能力.同时,初始负载大小的降低和新增加混凝土强度的提高可有效改善构件的刚度.

(4) 通过将承载力试验值、有限元模拟值和本文所给承载力计算公式理论值三者对比分析,可以得出本文所给的承载力公式计算值、试验值和有限元模拟值吻合良好,且计算结果偏于安全,因此可以作为实际工程的计算参考.

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BearingCapacityofNormalSectionStrengthenedbySteelColumn

ZhouLe1,WuJianping1,WangKeyao2

(1.School of Architecture and Civil Engineering,Shenyang University,Shenyang 110044,China;2.Beijing Metallurgical Equipment Research Design Institute Co.,Ltd.Beijing 100029,China)

In order to study the bearing capacity of reinforced concrete columns strengthened with reinforced concrete based on the existing experiment and literature research,finite element analysis model was built.The finite element software ABAQUS was used to analyze the loading process and failure mode of steel reinforced concrete columns under axial compression load,the effects of different initial load,concrete grade and steel grade on the ultimate bearing capacity of reinforced concrete composite columns are analyzed.Analysis results show:the increase of initial load will reduce the ultimate bearing capacity of the composite columns;the ultimate bearing capacity of composite columns increases with the increase of concrete strength and steel strength.The calculation formula of the bearing capacity of the normal section is modified,and the calculated results are in good agreement with the finite element simulation and experimental results.

Loaded steel column;reinforce;finite element simulation;bearing capacity calculation;reduction

2017-05-08

国家自然科学基金资助项目(51408371).

周 乐(1978-),女,辽宁营口人,沈阳大学教授,博士后研究人员.

2095-5456(2017)05-0394-06

TU 392.2

A

【责任编辑:赵炬】