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开孔板加劲型压型钢板加固混凝土界面黏结-滑移机理

2021-04-22刘传奇孔凡磊

科学技术与工程 2021年8期
关键词:连接件试件钢板

刘传奇, 孔凡磊

(1.青岛理工大学土木工程学院, 青岛 266033; 2.长安大学公路学院, 西安 710064)

钢板加固混凝土是基于钢混组合结构提出一种新的加固形式,位于梁底的钢板可以充分发挥其抗拉性能,焊接在钢板上的连接件可以使钢板和混凝土形成整体,抵抗界面剪力。

压型钢板由于其构造特点,波峰和波谷可以作为纵向加劲肋,与普通钢板相比大大提高了抗弯承载力;组合结构通过剪力连接件产生组合作用,常用的剪力连接件有开孔板(perfobond leiste,PBL)和栓钉等[1-5]。目前,压型钢板加固混凝土技术已展开研究[6],但相对较少。PBL加劲型压型钢板加固混凝土技术具有广阔的前景。

PBL连接件采用的研究方法有推出试验和有限元数值模拟。目前,中外学者已对PBL连接件进行了大量的试验研究和理论分析。Oguejiofor等[7]通过推出试验提出了考虑开孔个数、开孔间距、混凝土强度和横向钢筋等参数,得出了PBL荷载值计算公式。Medberry等[8]通过试验得出钢与混凝土之间的黏结摩擦作用可以在一定程度上提高PBL连接件荷载值。Kraus等[9]和Zheng等[10]通过建立的有限元模型对PBL连接件的影响参数分析与试验结果对比,认为有限元模型能够有效模拟PBL连接件的力学性能。杨勇等[11]认为端部承压可以提高PBL连接件的极限承载力,并给出了考虑端部承压的PBL连接件极限荷载值计算公式。肖林等[12]通过6组PBL连接件推出试验,研究了PBL连接件破坏机理和PBL厚度对荷载值和破坏模式的影响,认为PBL厚度对极限荷载值、抗剪刚度和延性均有显著影响。张清华等[13]根据PBL连接件的受力特点,建立了连接件群变形协调理论模型,提出了连接件群的荷载-滑移变形协调计算方法。冯剑平等[14]通过有限元模型与试验结果和理论公式计算结果的对比,验证了有限元分析可以作为PBL连接件受力分析的方法。

为研究PBL加劲型压型钢板混凝土界面黏结-滑移机理,首先设计3组共9个试验进行推出试验,根据试验结果分析PBL连接件在钢板中的破坏形态和极限荷载值。然后采用有限元软件ANSYS建立有限元模型,根据试验结果标定模型参数。最后通过有限元数值模拟分析了PBL连接件在孔洞直径大小、混凝土强度、钢板强度和PBL钢板厚度等参数的影响下的受力状态,明确PBL加劲型钢板加固混凝土界面黏结-滑移机理。

1 PBL连接件推出试验

1.1 试件设计

设计了3组9个试件进行推出试验,PBL连接件主要参数如表1所示。试件中压型钢底板厚度为6 mm,PBL剪力连接件厚度为14 mm,贯穿钢筋直径为16 mm,混凝土强度等级为C50。试件混凝土表面设置间距为100 mm的钢筋网,钢筋直径均为12 mm。PBL连接件的尺寸为513 mm×140 mm,推出试件尺寸为660 mm×366 mm×700 mm,试件具体构造尺寸如图1所示。

试件制作的过程中,在PBL剪力连接件下端垫长度为5 cm的泡沫板用来消除端部承压影响。除试件P-B-R-3外,其余试件均在钢板与混凝土接触面上涂抹黄油,来消除钢板与混凝土之间的黏结作用。压力机操作台上铺一层细砂调平。

表1 PBL连接件试件参数

图1 试件构造尺寸Fig.1 Structure dimensions of specimens

试件混凝土在标准条件下养护28 d,测得 150 mm 立方体抗压强度为54.6 MPa。PBL连接件及压型钢底板采用Q345钢材,屈服强度为 410.3 MPa,极限强度为512.4 MPa。贯穿钢筋及表层钢筋网均采用HRB400级钢筋,屈服强度为443.2 MPa,极限强度为600.5 MPa。

1.2 加载装置

图2 试件加载装置图Fig.2 Load setup of specimens

本次试验加载装置采用500 t微机控制的电液伺服压力机,试件加载布置如图2所示。试验加载时采用位移控制加载至破坏,加载速率为 0.2 mm/min。试件的两侧各放置两个位移传感器测量压型钢板与混凝土之间的相对滑移。加载值和滑移量均通过计算机系统自动采集。整个加载过程大于180 min。

1.3 试验结果

1.3.1 破坏形态

图3为部分试件的裂缝分布图。从试验现象可以看出,试件破坏大致经历了弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段。加载初期,试件无明显现象,荷载主要由混凝土榫和钢板共同承担,此时试件处于弹性阶段。钢板与混凝土有黏结摩擦作用的试件弹性阶段的荷载值大于无黏结摩擦作用的试件,这是因为加载初期荷载由钢板和混凝土之间的黏结力抵抗。当荷载加载至极限荷载的30%左右时,试件底部开始出现裂缝,试件进入塑性阶段。塑性阶段初期,荷载由混凝土榫抵抗,随着荷载的增加,混凝土榫逐渐开裂并逐渐失去作用,贯穿钢筋开始参与受力。此时,异性波折底板与混凝土出现较大的相对滑移,试件裂缝宽度和长度逐渐发展。破坏阶段,试件裂缝迅速发展,试件底部出现多条裂缝,混凝土有不同程度的剥落。内部贯穿钢筋出现变形,混凝土榫完全失去作用。试件的破坏阶段持续了近120 min,表现出良好的延性。

1.3.2 极限荷载值

试件的极限荷载值和相应的滑移量如表2所示。由表2可知,试件P-NB-R的极限荷载值平均值比试件P-NB-NR提高了716.5 kN,约73.8%,两者的区别在于有无贯穿钢筋,所以贯穿钢筋可以有效地提高PBL连接件的极限荷载值。试件P-B-R的极限荷载值平均值比试件P-NB-R提高了 102.9 kN,两者的区别在于异性波折钢板和混凝土之间是否有黏结摩擦作用,所以,黏结摩擦力也可以提高PBL剪力连接件的极限荷载值。但是由于实际结构中影响黏结摩擦力因素众多,工作机理不稳定,因此计算时通常不考虑黏结摩擦力,而是作为设计荷载的安全储备。

图3 混凝土破坏形态Fig.3 Failure pattern of concrete

表2 推出试验结果

对于极限滑移量,有贯穿钢筋的试件P-NB-R比无贯穿钢筋的试件P-NB-NR平均值高了 2.84 mm,滑移量越多说明试件的延性越好,所以贯穿钢筋可以提高试件的延性。试件P-B-R比试件P-NB-R的极限滑移量提高了0.58 mm,说明黏接摩擦作用也可以提高延性,但是效果不明显。

2 PBL连接件数值分析

2.1 有限元模型的建立

利用有限元软件ANSYS对推出试件进行有限元模拟,钢筋混凝土结构采用整体式模型。有限元模型中混凝土采用Solid65单元,该单元可模拟混凝土开裂压碎的影响。混凝土单元张开和闭合裂缝的剪力传递系数分别取值为0.5和0.95。PBL连接件采用Solid185单元;压型钢板采用Shell181单元,其积分方法选择其默认的有沙漏控制的缩减积分,钢筋采用Solid45单元。有限元模型中材料本构关系,混凝土采用多线性等向强化模型,波形钢板、剪力连接件、贯穿钢筋均采用双线性等向强化(bilinear isotropic hardening,BISO)模型模拟,并采用Mises屈服准则。钢材与混凝土间的接触。应用TARGE170单元模拟目标面,TARGA174模拟接触面,摩擦因数采用0.2。对于混凝土单元,有限元模型的网格划分大小对计算结果收敛有较大影响。为了提高计算速度以及避免局部造成应力集中,对模型不同位置划分不同的单元尺寸,整体单元尺寸取20 mm以尽可能减少计算时间,混凝土榫和贯穿钢筋附近局部单元尺寸取5 mm以尽可能准确模拟试件的力学行为,网格划分方法采用多区域扫描方法。推出试件有限元模型如图4所示。

图4 结构有限元模型示意图Fig.4 Schematic diagram of structural finite element model

2.2 模型验证

表3为试验值与有限元计算值对比,由表3可知,有限元计算得出的荷载值和滑移量都略小于推出试验得出的数值,有限元分析结果偏于保守,对结构安全性有利。相应参数下两者的误差均在5%以内,吻合度良好,因此运用ANYSYS对PBL剪力连接件进行有限元分析是可行的。

表3 试验值与有限元计算值对比

3 PBL连接件承载机理分析

以试验为基础建立PBL连接件有限元模型,通过改变PBL孔径大小、混凝土强度、开孔钢板强度和PBL厚度等影响参数,得出有限元PBL连接件的荷载-滑移曲线,分析各个影响参数对PBL连接件荷载值的影响。

3.1 PBL孔径大小

初始模型中PBL直径为50 mm,分别调整PBL直径为40 mm和60 mm,其余参数保持不变,得出PBL连接件荷载值与混凝土强度关系曲线如图5所示。

图5 不同孔径的荷载-滑移曲线Fig.5 Load-slip curves in different hole diameters

由图5可知,相对于开孔直径为50 mm,开孔直径为40 mm时PBL连接件极限荷载值降低了12.5%,开孔直径为60 mm时PBL连接件极限荷载值提高了11.2%,PBL连接件的极限荷载值随着开孔直径的增加而增加。

3.2 混凝土强度

初始模型中混凝土强度等级为C50,分别调整混凝土强度等级为C40和C60,其余参数保持不变,得出PBL连接件荷载值与混凝土强度关系曲线如图6所示。

图6 不同混凝土强度的荷载-滑移曲线Fig.6 Load-slip curves in different concrete grades

由图6可知,相对于混凝土强度等级为C50,混凝土强度等级为C40的PBL连接件极限荷载值降低了9.4%,混凝土强度等级为C60的PBL连接件极限荷载值提高了6.4%,PBL连接件的极限荷载值随着混凝土强度的提高而增加。

3.3 PBL强度

初始模型中PBL强度等级为Q345,分别调整开孔钢板强度等级为Q235和Q390,其余参数保持不变,得出PBL连接件荷载值与PBL强度关系曲线如图7所示。

图7 不同钢板强度的荷载-滑移曲线Fig.7 Load-slip curves in different steel strength

由图7可知,PBL连接件极限荷载值随着PBL强度等级的提高基本没有变化,这是因为PBL连接件主要由孔中混凝土榫和贯穿钢筋抵抗外部荷载。已有研究表明,PBL即使在强度等级Q235时,达到极限荷载后也基本无变形,因此开孔钢板强度等级的变化不会改变滑移量和荷载值。

3.4 PBL厚度

初始模型中PBL厚度为14 mm,分别调整开孔钢厚度为12 mm和16 mm,其余参数保持不变,得出PBL连接件荷载值与PBL厚度关系曲线如图8所示。

图8 不同PBL厚度的荷载-滑移曲线Fig.8 Load-slip curves in different steel thickness

由图8可知,相对于PBL厚度为14 mm,PBL厚度为12 mm的PBL连接件极限荷载值降低了6.7%,PBL厚度为16 mm的PBL连接件极限荷载值提高了4.2%,PBL连接件的极限荷载值随着PBL厚度的增加而增加。PBL连接件破坏形式为混凝土剪切破坏,孔中混凝土榫的体积的增加可以提高极限荷载值,PBL厚度的增加可以增加混凝土榫体积。

4 结论

在推出试验的基础上,结合有限元数值模拟,分析了带PBL加劲型压型钢板加固混凝土的破坏形态和界面黏结-滑移机理,得到以下结论。

(1)推出试验结果表明,试件的破坏大致经历弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段,破坏时,混凝土出现贯通裂缝,底部混凝土剥落,试件表现出良好的延性。

(2)有限元数值模拟结果表明,有限元分析和试验结果吻合度较高,结果与实际相比偏安全,可以运用ANSYS有限元软件对PBL连接件进行分析模拟。

(3)推出试验和有限元数值模拟结果表明,PBL连接件的荷载值随着开孔直径、混凝土强度和PBL厚度的增加而增加,贯穿钢筋是影响PBL极限荷载值的重要参数,有贯穿钢筋的试件比无贯穿钢筋的试件极限荷载值提高了约73.8%,影响最为明显,PBL厚度对其荷载值影响不显著,而PBL强度对其荷载值基本无影响。

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