负载下轴心受压钢筋混凝土柱加固后的受力性能

金诗语, 白铁钧

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

随着时间的推移,早期的钢结构建筑物已经进入“老龄”阶段.由于人类生产和生活需求,对建筑物的要求也随之提高,过去建造的建筑物在经过数十年的使用后已经不能满足使用要求,昂贵的拆迁费让人们不得不注重建筑物加固的重要性.钢结构的加固方法有很多,根据加固的对象不同,可以分为对钢构件的加固、连接处和节点的加固、裂缝的修复和加固等[1].在钢构件的加固中,增大截面法是最传统、最实用的方法,当钢结构建筑不能继续使用或者承载力不足时,可以采用增大截面的方法,如外包混凝土、粘结碳纤维布、焊接钢板等进行加固[2].然而这些加固方法都不能改善钢结构建筑面临的防火和防腐蚀两大问题,这时,对已有负载的钢结构进行外包钢筋混凝土加固就显得尤为重要[3].与现阶段国内外关于负载钢结构加固的焊接加固法和粘贴纤维增强复合材料加固法[4]相比,外包钢筋混凝土加固负载钢的结构研究表现出明显的不足.国内外学者对外包钢筋混凝土加固技术进行了试验研究,并取得了一些成果,但同时也存在一定问题.钢筋混凝土柱的加固方法有很多,外包角钢轴心受压柱加固方式的优点是能显著提高承载能力,改善截面的刚度和延性,限制原构件挠度的过快增长,同时基本不增加构件的重量,不改变原设计的结构体系,施工简单,现场工作量小[5].通过改变不同应力水平的外包角钢轴心受压混凝土柱的角钢截面尺寸对受力性能进行研究,结果表明,外包角钢轴心受压柱在不同应力水平加固后的强度与变形均有一定的变化.

1 外包钢加固结构的受力特征分析

1.1 加固前的受力分析

加固前原结构已经受力,具有一定的应力-应变水平,此为第一次受力.加固后,再施加载荷,属于第二次受力,此时由角钢和原结构构成受力整体,共同承担新增载荷力.

对角钢加载,角钢开始承受载荷力,当钢筋混凝土达到极限状态时,角钢的应力-应变还未达到自身的设计强度,这与角钢应变值与钢筋混凝土柱的初始应力水平有关.

1.2 加固后整体结构的受力分析

当角钢受到应力作用时,尤其是角钢接近极限状态时,接头表面会呈现拉伸、弯曲、剪切等复杂应力,特别是构件在受弯或者受压时的剪应力是相当大的.加固后新旧两部分系统工作的关键是连接面能在形变不大的情况下很好地传输与承受此类应力,结合面能否有效地传递力的作用主要是取决于剪力和拉力的传递.混凝土接头表面的抗剪强度通常不满足拉伸和剪切的要求[6],因此接头表面的应力特性是非常薄弱的环节.

1.3 加固后结构的基本假设

加固后,影响新的整体组合构件承载力因素有构件的材料、受力之后造成的形变值、与原结构的应力之差.影响因素明确后,加固构件的承载力才可以通过分析的方法求解,做出以下基本假设,并进行分析.

(1) 加固后, 新加角钢和原结构变形协调一致, 各截面所受轴力相同, 变形符合平截面假定.

(2) 当混凝土受压时,应力-应变曲线呈曲线型和直线型时,按照式(1)计算.

(1)

式中:fc为混凝土的抗压强度;ε0为混凝土强度刚好为fc的压应变;εcu为混凝土最大压应变.

(3) 以截面的变形为基础,钢筋混凝土结构承载力满足以下条件:当原混凝土的情况下或加固后混凝土压应变达到最大变形时;在原钢筋的情况下或受压变形后达到钢筋极限变形时;在混凝土达到极限变形值Ec与钢筋的极限变形值Ea时,其中Ec取0.002,Ea取0.003 3[5].

2 试验的设计及分析

2.1 构件尺寸及材料

(1) 混凝土柱的截面尺寸为120 mm×120 mm,混凝土采用C25强度等级,特性如表1.

表1 混凝土性能指标Table 1 Mechanical properties of concrete

使用∟30×30×3 和∟25×25×2两类Q235角钢,角钢的性能指标见表2.钢筋采用Φ10一级工字形钢,箍筋采用Φ8一级钢,纵筋采用Φ12一级钢.

表2 角钢力学性能指标Table 2 Mechanical properties of angle steel

2.2 不包角钢的混凝土柱轴心受压的承载力计算

依据实验结果进行剖析,在实施抗压承载能力解答的过程中,钢筋混凝土的抗压强度大小取fc,同时考虑稳定系数φ的影响,根据内外力的平衡原理,得到混凝土柱轴心受压承载力的计算方法(式(2)).

(2)

本文使用了3根混凝土柱进行试验,试验结果见表3,试验采用取平均值的方法减小误差,平均极限承载力为320 kN.应变和载荷的关系如图1所示.

表3 未加固结构的极限承载力

图1 未加固结构荷载与纵向应变关系曲线

从图1中能够得出在混凝土柱发生裂痕之前,也就是载荷未达到188.5 kN时,柱中与柱头的应变情况相同.破坏情况与文献[7]相同,都是在柱头发生破坏,所以混凝土柱的柱头开裂后,应变值将提升得很迅速.

在负载未达到125 kN时,载荷-应变具有线性关系,混凝土依旧处于线弹性过程.伴随载荷的提升,应变持续变大,应变的提升速率远远大于载荷的提升速率,应力-应变图形则出现曲线的关系.

2.3 不同应力水平下包钢的混凝土轴心受压试验

本次共15组试件,初始应力水平分别在最大负载的0、30%、50%、70%、80%的持载状况下进行稳压包钢.建立有限元计算模型,计算结果见表4.用角钢箍在混凝土柱的上下两端分别布置1道箍筋,在距离上下两端100 mm处再布置1道箍筋,中间每隔200 mm放1道箍筋,角钢和混凝土柱中间用环氧树脂粘在一起,如图2.

表4 加固结构的极限承载力Table 4 Ultimate bearing capacity of the reinforced structure

图2 加固柱的ABAQUS模拟模型Fig.2 ABAQUS simulation model of reinforced columns

图3为加固柱的应力分析图,加上载荷,得到加固柱的受力变形情况如图4,通过有限元计算结果绘制应力水平为50%和70%的曲线图,如图5、图6.

图3 加固柱的应力分布图Fig.3 Stress distribution diagram of reinforced columns

通过改变应力水平和角钢截面面积,用ABAQUS计算模拟,得出加固结构的极限承载力,与加固前极限承载力进行比较得出极限承载力的提高率,如表4.

由表4可知,与未包钢的混凝土柱相比,包钢后的混凝土柱的极限承载力明显增大.

图4 加固柱的受力变形Fig.4 Stress and deformation of reinforced columns

图5 应力水平50%时载荷与纵向应变关系曲线

图6 应力水平70%时载荷与纵向应变关系曲线

在相同的混凝土应力水平下,当角钢遭到破坏时,角钢的应变值要比截面为∟25×25×2的应变值小得多.

3 轴心受压的承载力计算

根据混凝土结构规范设计,对于外包角钢轴心受压的承载力可以按照式(3)计算.

(3)

当加固柱未达到自身的设计强度而受到破坏时,角钢的应力σs取决于混凝土柱的极限压应变值εc0与加固前混凝土柱的压应变值εc的差值Δεc=εc0-εc,差值越大,σs越大,角钢破坏时的应力与加固前混凝土柱的应力水平直接相关.所以角钢的应力为

σs=(εc0-εc)Es.

(4)

强度利用系数为

αs=(εc0-εc)Es/fsk.

(5)

式中,fsk为角钢的抗压强度.

通过有限元的计算模拟结果和已有试验数据对比分析,当应力水平≤30%时,αs取值为0.9;当应力水平在30%～50%之间的取值为0.8;当应力水平>50%时,取值为0.75.为了验证本文的计算公式,选取不同应力水平和不同角钢截面尺寸进行验算,相对误差没有超过10%,表明角钢强度利用系数αs取值是合理的.

4 结 论

本文通过对构件的加固分析和在不同应力水平下的钢筋混凝土轴心受压模拟试验,得出了以下结论:

(1) 影响承载力的因素有加固前原构件的混凝土应力水平和角钢截面面积.随着混凝土的初始应力水平的增加,极限承载力的提高幅度随之减小;随着角钢截面面积的增加,极限承载力增加.

(2) 根据已有试验数据和ABAQUS模拟分析验证,给出合理的角钢强度利用系数αs.

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