预应力高强钢绞线加固RC梁抗弯性能有限元分析

李 妍，田雨阳

吉林建筑大学 木工程学院,长春 130118

当钢筋混凝土结构经历一段服役期之后,由于混凝土的抗拉强度较低,导致钢筋混凝土受弯构件跨中区域易产生裂缝,以至受弯构件长期带裂缝工作,甚至会加速构件的强度损失,对其受弯性能造成一定影响.鉴于钢绞线具有很高的抗拉强度,本文提出一种利用高强钢绞线以体外预应力加固方式对钢筋混凝土简支梁进行加固[1],以提高RC梁的抗弯性能,并用有限元软件模拟其受力特点,对不同参数的加固梁进行模拟,并与理论计算值对比,验证方案的可行性与结果的准确性.

1 本构关系

为保证构件受力状态的准确性,增加模拟的可靠度,本次有限元分析的本构关系均采用《混凝土结构设计规范》[2]中提供的理论模型.

(1) 混凝土单轴受压本构模型,计算式如下:

σ=(1-dc)Ecε

(1)

(2)

(3)

(2) 混凝土单轴受拉本构模型,计算式如下:

σ=(1-dt)Ecε

(4)

(5)

(6)

(3) 筋单调受拉本构模型,计算式如下:

(7)

2 有限元分析

为研究预应力高强钢绞线对钢筋混凝土梁的抗弯加固效果[3],利用ABAQUS分析软件对模拟梁进行了受力分析[4].本次模拟共设计4组不同工况的钢筋混凝土梁模型,其中1组为无加固对比梁,其余3组为预应力高强钢绞线加固梁.构件尺寸为200 mm×400 mm×2 100 mm;混凝土强度等级为C 30,保护层厚度为30 mm;受拉钢筋和架立筋均使用HRB 335级钢筋,箍筋使用HPB 300级钢筋,如图1所示.

图1 试件配筋图Fig.1 Reinforcement diagram of test piece

加固材料采用直径为8.7 mm的高强钢绞线,因规范中规定钢绞线的张拉控制应力σcon≤0.75fpk,故3组模拟的预应力度分别确定为为钢绞线抗拉强度的25 %,30 %,35 %.具体参数如表1所示.

表1 试件参数Table 1 parameter table of test piece

2.1 模型建立

对混凝土采用实体单元、钢筋采用桁架单元进行模型建立,钢筋骨架利用Embedded约束嵌入到混凝土中;另对支座处与受力点处逐次添加4个厚度为3 cm的钢垫片,以防止局部出现应力集中,钢垫片与混凝土梁用Tie约束绑定在一起.钢绞线采用实体单元建模,长度为1 200 mm,预应力锚具采用厚度为4 cm的钢块,其中,锚具利用Tie约束分别绑定于梁底指定位置,3根钢绞线沿梁横截面方向均匀布置,间距为60 mm,与锚具的约束方式为Tie(绑定).

2.2 材料参数

具体材料参数情况如表2所示.

表2 材料参数Table 2 Material parameters

2.3 网格划分

在ABAQUS模拟软件中,网格划分的关键程度足以影响到模拟结果的准确性以及软件的计算效率,故网格的尺寸以及类型是网格划分的关键部分.本模型对混凝土梁网格的尺寸界定为30 mm,对钢筋和钢绞线的尺寸界定更为细致为10 mm.因混凝土梁受弯区为本次模拟的关键部分,故将受弯区网格加密,布种尺寸为20 mm,如图2所示.

A.钢筋混凝土梁

B.加固装置

C.钢筋笼

D.高强钢绞线

2.4 预应力的施加以及加载方式

(1) 本次模拟利用降温法[5-6]对钢绞线施加预应力,即利用钢绞线热胀冷缩这一特性,对钢绞线施加一个预定义温度场,使钢绞线体积缩小从而内部产生应力,从而达到施加预应力的效果.降温法模拟预应力采用幅值建立起规律逐步降温,以模拟真实施加预应力过程,该过程在step1全部完成.温度变化值采用下式进行计算:

其中,α表示钢绞线的温度膨胀系数,可取1×10-5.

(2) 本次模拟采用集中力加载方式[7],即在试件梁上部沿梁跨度方向2个三分点处设置2个加载参考点,对2个参考点施加竖向集中力,并采用幅值建立起规律进行加载,以确保模拟结果的准确性.

2.5 模拟结果

本次模拟除初始支座约束外,对比梁L 1设1个分析步,即为竖向位移荷载;加固梁设2个分析步,其中step 1为温度预定义场[1],即预应力的施加.以预应力度为25 %的模型为例,图3为该模型在预应力作用下各部件内部产生应力变化的云图.由图3可见,此时钢绞线内部应力为316 MPa,由锚具连接于混凝土梁底,使混凝土梁底受弯区产生约3.2 MPa的压应力,已初步达到预应力状态.

A.钢绞线

B.混凝土梁

Step 2为竖向集中力荷载,即在step 1预应力施加完成后,在梁顶部两受力点处分别施加等值竖向集中力.图4分别为各组试件加载后应力云图.

A.对比梁

B.25 % 预应力加固梁

C.30 % 预应力加固梁

D.35 % 预应力加固梁

可见,混凝土构件经预应力高强钢绞线加固之后,展现出了比普通混凝土梁更好的抗弯性能.相比普通RC梁,加固梁跨中区域裂缝出现时间推迟,裂缝扩散较慢且更加稀疏,当预应力度为25 %时,其极限荷载为92.03 kN,较之对比梁的极限荷载为76.06 kN提升了21 %；当预应力度为30 %,35 %时,其极限荷载分别为98.12 kN,105.62 kN,较之对比梁分别提升了29 %,39 %.其原因是高强钢绞线在预应力作用下较好地发挥了力学性能,在初始阶段帮助混凝土梁抵抗了部分弯矩,使加固梁的开裂荷载、极限荷载等力学性能指标均有不同程度地提升,且随着预应力度由25 %上升到35 %,加固效果越来越好,其对比情况如图5所示.

A.开裂荷载

B.极限荷载

表3 承载力对比Table 3 Comparison of bearing capacity

3 结语

本次模拟对不同预应力度的混凝土加固梁进行抗弯性能测试,结果与普通未加固梁相比,结论如下:

(1) 结合各组试件的塑型损伤和裂缝开展情况,发现各组试件发生开裂情况的区域基本一致,但裂缝出现时间不同,表现为其预应力度越高,裂缝出现时间越晚,其原因为预应力致使混凝土梁底受拉区域提前产生压应力,抵消了部分受压前期梁底产生的拉应力,从而推迟了裂缝的出现,说明预应力钢绞线可以提升混凝土梁的抗裂性能.

(2) 对于3组预应力加固梁,其极限荷载较之对比梁均有不同程度的提高,当预应力度为35 % 时,极限荷载最大提高了39 %,说明预应力钢绞线可以与混凝土梁较好的协同工作,并可以提升混凝土梁的抗弯性能,加上此加固理念施工便捷、造价低,则该加固方式可推广于实际工程中破损构件的加固施工.