外包钢加固截面削弱柱受力性能研究

2020-06-07林识栋

工程与建设 2020年6期

林识栋, 朱华, 周安

(1.合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009;2.安徽省建筑科学研究设计院，安徽合肥 230031)

0 引言

外包钢加固法施工便捷、现场作业量小、可大幅加固构件的承载能力，被广泛应用于钢筋混凝土柱的加固工程中[1]。外包型钢在受力过程中与混凝土柱共同工作、协同变形，并通过外包钢骨架对混凝土的套箍效应，约束混凝土的侧向变形，使混凝土处于三向受压状态，进而提高混凝土的抗压强度。

近年来，国内学者针对外包钢加固柱的受力性能进行了研究[2,3]，但多针对于未受削弱的完整混凝土柱。在实际工程中常会遇到因打孔植筋造成柱截面削弱、柱身出现承载力不足需要进行外包钢加固的情况，设计方对削弱柱的实际加固效果并没有定量的认识，一般多凭借经验进行设计。本文利用ABAQUS有限元软件建立加固截面削弱柱数值模型，对其受力性能进行分析研究。

1 加固设计方案

1.1 工程背景

淮河路步行街腾百商场在进行错层改造工程中将现梁板整体拆除后，在梁板上方1.2 m位置重新进行梁板支模浇筑。由于待浇梁板的植筋需要，工人们在柱身凿出多个贯穿孔洞，造成柱有效截面大大削弱，严重部位削弱程度可以达到20%。设计方担心在施工过程中因工人操作不当或构件自身承载力不足，而出现截面削弱柱大变形甚至倒塌的情况,为了保证结构安全性，选用外包钢加固法对截面削弱柱进行加固。为了研究截面削弱柱的实际加固效果，本文研究课题在此基础上提出，具体改造示意图如图1所示。

图1 改造示意图

1.2 加固设计方案

使用外包钢对截面削弱混凝土柱加固前，应先对混凝土表面进行打磨和找平处理，缺陷处使用找平砂浆填充[4]。然后将L100×10的角钢包裹在柱四角，角钢与混凝土之间的空隙用结构胶填充。缀板选用50×10的条形钢板与角钢三面围焊，缀板间距为200 mm。打孔区域内因后期需要植筋支模，不使用缀板进行连接。缀板焊接完成后，使用结构胶将缀板与混凝土之间的缝隙填实，并用水泥砂浆做封边处理。

2 外包钢加固截面削弱柱模型建立

2.1 材料参数

利用ABAQUS有限元分析软件，建立500 mm×500 mm×2 500 mm的柱模型，纵筋直径18 mm，总计8根，箍筋为间距200 mm的8 mm钢筋。具体材料参数见表1、表2。

表1 混凝土材料参数

表2 钢材材料参数

2.2 截面削弱操作

使用Part模块中的切削功能对柱部件进行削弱截面操作。主梁方向总计切削8个植筋孔，上下3排；次梁方向总计6个植筋孔，上下2排。进行打孔操作时应注意对内部钢筋的避让，钢筋外露会造成计算中断。打孔完成后应对打孔部分分割处理，以保证后续网格划分质量、提高计算精度。

2.3 相互作用定义

建立模型时，不仅要考虑钢筋与混凝土之间的相互作用，还应考虑外包钢与混凝土之间的相互作用。不考虑钢筋与混凝土间的粘结滑移，将钢筋与混凝土定义为Embedded Region，使钢筋不可以在混凝土内自由移动但可以发生转动。将外包钢与混凝土表面定义为Tie约束，认为外包钢与混凝土之间胶结密实、不发生相对运动。

2.4 生死单元定义

外包钢加固属于二次受力结构，外包钢要参与受力，必须施加新的荷载，这种现象称为应力滞后现象[5]。在ABAQUS中，可以通过定义生死单元来实现混凝土与外包钢之间的应力滞后。在Interaction模块中使用Model change功能选中外包钢骨架，使其在这一分析步骤中刚度接近无限小，不参与结构受力；在下一个分析步骤中，激活外包钢骨架的材料属性，此时外包钢骨架与混凝土共同受力。

3 外包钢加固截面削弱柱结果分析

3.1 截面削弱对加固性能的影响

建立了普通混凝土柱、削弱柱、加固普通柱和加固削弱柱4个有限元模型，进行对比分析。分析结果见表3及如图2所示。

表3 四种柱有限元结果

图2 荷载-位移关系曲线

由于打孔部位的应力集中现象，混凝土柱的极限承载力降低了10.88%。通过外包钢加固后，削弱柱的极限承载力提高了32.95%，足以满足施工要求。但从图2可以发现，包钢加固并不能恢复打孔截面削弱柱的变形能力，加固削弱柱在达到荷载峰值后下降段趋势明显。这说明虽然外包钢骨架的套箍约束能够提高混凝土的抗压强度，但仍不能阻止打孔部位混凝土由于应力集中现象提前退出工作。

从图2还可以发现，在加载前期加固柱和加固削弱柱的荷载-位移曲线基本保持一致，继续加载两者关系曲线开始产生差异。这说明在混凝土处于弹性阶段时，外包钢骨架与钢筋混凝土柱协同变形、共同工作，打孔削弱部位由于受到侧向约束，应力集中现象不明显；进入塑性阶段后，打孔削弱部位混凝土出现较大变形，此处外包钢骨架随之产生较大变形；荷载达到峰值后混凝土被压溃，但仅打孔区域的外包钢骨架达到屈服强度，其他部位的角钢处于较低强度。在实际工程中，若打孔削弱柱上部荷载较小，混凝土一直处于弹性阶段，则可以忽略打孔对承载力的削弱。

3.2 初始应力水平对加固性能的影响

以普通混凝土柱的极限承载力为基础，对初始应力水平为0.2、0.4、0.6、0.7、0.8的加固柱和加固削弱柱分别建立模型，分析应力滞后效应对混凝土柱加固性能的影响，并与规范[6]计算值进行对比。分析结果如图3所示。

图3 荷载和初始应力水平关系曲线

由图3可知，外包钢的加固效果随着初始应力水平的提高不断下降，加固削弱柱的下降趋势更为明显。在混凝土处于弹性阶段时，柱竖向变形和混凝土的横向应变较小，此时外包钢骨架仍能保持较高的强度利用率；混凝土进入塑性阶段后，已经产生了较大的变形，后加型钢对混凝土的约束不断降低。特别是针对加固削弱柱，高初始应力水平下打孔部分混凝土已经濒临破坏边缘，外包钢加固后仅施加少许荷载混凝土就被压溃，外包钢骨架无法独自受力随即也被压垮，无法充分发挥外包钢骨架的加固性能。

与规范计算值进行对比，虽然规范公式中并未考虑应力滞后和外包钢对混凝土的套箍效应，但即使对于普通加固柱而言规范计算值仍偏于保守。针对加固削弱柱，当初始应力水平高于0.7时，柱的极限承载力已经低于规范计算值，并随着初始应力水平的增加快速下降。在对截面削弱柱进行加固设计时若上部荷载较大，需要对柱进行卸载措施，以免达不到规范设计要求而出现安全事故。