粘贴钢板加固RC梁抗弯性能分析

2019-09-23李林果宋力樊成

广西大学学报（自然科学版） 2019年4期

李林果，宋力,樊成

(大连大学材料破坏力学数值试验中心，辽宁大连116622)

0 引言

梁底粘贴钢板加固法是当前提高混凝土承载力构件强度不足常用的一种方法，因可增加混凝土构件抗弯刚度，改善其弯曲、剪切、拉伸性能，减少挠度，并抑制裂缝发展等优点，现越来越被广泛用于桥梁加固中。目前国内外学者对粘贴钢板加固RC梁正截面抗弯承载力进行理论分析、试验和有限元模拟，取得很多成果。

杨建江等[1]研究加固前的抗力衰减模型和加固前后荷载分配，用可靠度对RC梁进行寿命预测。李凌志等[2]得出了RC梁抗弯刚度横向滑移和横向剪力传递计算方法。刘祖华等[3]根据弹性梁理论和截面假定，推导出钢板与混凝土梁之间的粘结剪应力与法向应力的解析解以及钢板拉应力与加固梁挠度的解析解。WAIYIN等[4]发现嵌入式钢板可以提高连梁强度和刚度；刘廷滨等[5]根据钢板与RC梁之间变形协调条件和粘钢加固RC梁截面平衡条件,推导钢板拉力表达的粘钢加固RC梁非线性微分方程。除此之外，还有许多待完善之处。

我国现行《混凝土结构加固技术规范》[6]仅在附录中给出钢板加固技术要求，已无法满足快速发展的工程实际需要。本文结合试验，对钢板钢板的层数、厚度、长度等因素对加固RC梁的破坏形式、开裂荷载、挠度等抗弯性能进行系统研究。

1 试验概况

1.1 试验梁设计

RC试验梁截面尺寸为b×h=120 mm×200 mm，梁长为1 700 mm。混凝土强度等级为C30，保护层厚度为30 mm，配筋率为0.59 %，纵向受拉受压钢筋分别为HRB400的2Φ8、2Φ12，箍筋型号为HPB300，箍筋配置为Φ6@150 mm，试验梁为适筋梁。实测混凝土立方体抗压强度为fcu为37.84 MPa，试验梁的几何尺寸、具体参数以及配筋图如图1所示。

图1 梁的配筋参数Fig.1 Reinforcement parameters of beam

1.2 材料性能

试验钢板由上海浩程金属材料有限公司提供，其物理性能见表1。建筑结构胶由上海滠口实业有限公司提供，其力学指标见表2。

表1 钢板物理性能Tab.l Stainless steel plate physical properties

表 2 建筑结构胶力学指标Tab.2 Structural plastics mechanical index

1.3 钢板加固方案

研究不同钢板层数对RC梁抗弯性能影响，BM-1为对比梁，BM-2、BM-3、BM-4分别为1、2、3层钢板加固后的RC梁，相关方案见表3。

表3 钢板加固方案Tab.3 Stainless steel reinforcement scheme

RC梁加固前，对梁底钢板用打磨机打磨，越粗糙越好。之后清理底面，去除底表面浮浆，使混凝土石外露，形成粗糙面，表面不平处轻凿整平，最后用清水冲洗干净，待完全干燥后应丙酮擦拭表面。自然风干后，将不少于3 mm建筑结构胶均匀涂抹在RC梁底面，粘贴1层钢板，粘贴好后立即用特制的U型夹具夹紧，使建筑结构胶从钢板边缘挤出为准。粘贴多层钢板重复上述步骤即可。梁加固后放置在试验室养护5 d。

1.4 加载方法及数据采集

试验采用大连大学建工学院的YJ-IID型结构力学组合实验装置，三分点加载方式，手摇液压式千斤顶施加荷载。图2、3分别为试验加载装置示意图和现场加载试验图。试验采取两点对称加载，千斤顶提供压力分配梁分配载荷，压力传感器测定相应试验参数。

图 2 试验梁加载示意
Fig.2 Test beam loading schematic

图 3 现场钢板加固梁试验图
Fig.3 Site steel reinforcementbeam test chart

试验采用东华测试的DH3815N静态应变测试系统系统收集荷载、应变、位移等试验数据。包括：跨中截面应变、实时荷载值、加载点、跨中位移等。

1.5 试验结果及分析

加载过程中，梁BM-2、BM-3、BM-4都发出了啪啪声响(钢板与梁底混凝土产生滑移)。对比梁BM-1破坏为典型的适筋梁破坏情况。梁BM-2出现两端钢板剥落现象；梁BM-3跨中混凝土出现1.5 mm的裂缝，钢板未脱落；梁BM-4加载时跨中混凝土裂缝同样达到1.5 mm，受压区混凝土压碎，钢板先从中间剥离并向两端U型箍延伸。各组梁破坏形态如图4所示。承载力试验结果如表4所示，荷载—位移曲线如图5所示。

(a) BM-1梁适筋破坏状态

(b) BM-2钢板端部剥离

(d) BM-4梁破坏状态

图 4 各组试验梁的破坏状态
Fig.4 Destruction status of test beams in each group

表 4 对比梁和钢板加固梁试验结果Tab.4 Contrast beam and steel reinforcement beam test results

表5 对比梁和钢板加固梁有限元结果Tab.5 Contrast beam and steel plate reinforcement beam finite element results

图5 试验梁的荷载位移曲线Fig.5 Test beam load displacement curve

由表4、图5试验结果和表5有限元模拟对比得到：随钢板层数增加，梁抗弯承载力从小到大为：BM-1、BM-2、BM-3、BM-4，最大挠度从小到大为BM-1、BM-4、BM-3、BM-2。表明增加钢板层数可以提高梁极限荷载值和屈服荷载值，且对提高极限荷载值更为明显。存在最佳钢板层数，当未达到最佳使层数时，梁的抗弯承载力会随钢板层数增加而增加；当超过最佳层数时，梁的抗弯承载力增加不明显或基本不增加。同样由图5可知钢板层数对挠度影响不大且无明显规律。

2 有限元分析

2.1 有限元模型建立

对加固梁进行有限元模拟且梁和钢板选用分离式模型[7-9]，假定钢板、钢筋为理想线弹性和理想弹塑性材料，不考虑二者与混凝土之间粘结滑移。混凝土采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元，钢板采用S4R单元。混凝土结构受拉、受压本构模型采用规范[10-12]中提供关系，如图6、图7分别为RC单轴应力—应变曲线、钢筋应力—应变关系曲线[13-14]。

图6 混凝土单轴应力—应变曲线
Fig.6 Uniaxial stress-strain curve of concrete

图7 钢筋应力—应变关系
Fig.7 Steel stress-strain curve

模拟钢板加固梁相互作用时，将钢筋作为被嵌入体，嵌入混凝土中且钢板绑定约束至混凝土，模型梁支座及加载点处均设置钢垫块，支座处钢垫块底部中线处添加铰接约束，分别约束5个方向自由度(UR1=0，UR2=0，U1=0，U2=0，U3=0)和4个方向的自由度(UR1=0，UR2=0，U2=0，U3=0)。建立有限元模型如图8(a)，根据文献[15-17]，混凝土梁网格划分为25 mm，且种子按边布种。网格划分的结果如图8(b)所示。

(a) 梁有限元模型

(b) 梁网格划分和种子布置

图 8 梁模型有限元建立和网格划分、种子布置
Fig.8 Beam model finite element establishment and meshing, seed placement

2.2 有限元模拟与试验对比

图9为有限元模拟和试验的荷载—位移曲线对比分析，得出各组模型梁荷载—位移曲线整体趋势与试验结果基本吻合，且模型梁极限荷载、屈服荷载以及最大挠度值与试验数据之间的误差都在8 %以内，验证模型合理，且二者高度吻合。图10为BM-1(对比梁)的受拉损伤云图和主拉应力云图。

图 9 有限元模拟与试验荷载—位移曲线对比
Fig.9 Finite Element Simulation and Experimental Load-Displacement Curve Comparison

(a) BM-1受拉损伤云图

(b) BM-1主拉应力云图

图10 BM-1受拉损伤云图、主拉应力云图
Fig.10 BM-1 concrete tensile damage cloud, main tensile stress cloud

2.3 影响因素分析

验证试验与有限元模拟结果，进一步深入分析配筋率、钢板层数对梁加固效果影响。

2.3.1 配筋率因素

对比Φ10和Φ12钢筋，取BN-1、BN-2和BO-1、BO-2四种模拟数据，表6为不同配筋率方案，有限元结果如图11。

图11 配筋率比较结果Fig.11 Comparison result of steel percentage

试件编号配筋率/%钢板层数BN-10.630BN-20.860BO-10.632BO-20.862

图11 有限元模拟得出：(1)对比BN-1与BN-2、BO-1与BO-2两组，梁极限抗弯承载力从小到大为BO-2,BO-1,BN-2,BN-1;最大挠度从小到大为BN-2,BN-1,BO-2,BO-1。四种模拟结果，发现梁BO-2极限荷载值相对BO-1提高程度比梁BN-2相对于BN-1更高，同样最大挠度值也是梁BO-2相对BO-1减小程度高于BN-2相对BN-1。

2.3.2 钢板长度因素

表7所列5类情况，有限元模拟结果如图12所示。