负载下外包钢筋混凝土加固柱轴压承载性能

周 乐, 关乾坤, 张 欣

(沈阳大学 a. 建筑工程学院, b. 辽宁省环境岩土工程重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

目前,由于自然灾害、技术水平和施工经验等原因,国内存在大量的钢结构构筑物和建筑物不能按时完工和安全使用,且由于人和自然因素的影响,造成了钢结构严重损坏.和其他类型的建筑一样,钢结构从生产到毁坏都经历试验、安装和使用3个阶段,每个阶段都可能导致钢结构的破坏.周红波等[1]对不同组合形式的钢结构构筑物和建筑物的破坏形式进行事故案例统计分析,共调查了109例国内外钢结构建筑事故,其中在试验阶段发生的事故占比为3%,安装阶段为35%,使用阶段最多,占62%.因此,有必要对钢结构建筑在每个阶段的安全性进行评估.目前来说,对钢结构的外包钢筋混凝土加固是比较有效、环保、经济和方便的作法.

近年来,钢结构的加固修复技术大多集中在纤维增强复合材料粘贴领域[2-3]和钢结构焊接领域[4]的加固,但关于钢结构的相关试验研究较少.白云皓[5]通过外包钢筋混凝土加固型钢的研究得出,外包钢筋混凝土加固轴心受压钢柱的主要型钢在载荷作用下率先表现出屈曲情况,而型钢、钢筋和混凝土的应力不能同时达到峰值的结论.金诗语等[6]通过对初始应力和角钢截面尺寸分析认为,加固后钢筋混凝土柱的极限承载力随混凝土初始应力水平的增大而减小,随角钢截面尺寸的增大而增大,并根据混凝土结构规范设计,给出合理的角钢强度利用系数.蒋海强[7]总结了钢结构的加固方法:修改钢结构图纸,减少或转移载荷,加固连接点,加固纤维增强复合材料.周乐等[8]通过冻融循环条件下加固轴压柱的承载力计算方法研究认为,冻融损伤会造成混凝土的质量损失和截面面积减小,给结构的加固效果带来较严重的影响,使结构加固与理论相差较大.

现阶段外包钢筋混凝土加固钢构件的研究还不完善,关于组合柱正截面承载力的计算公式也有所欠缺.基于研究现状,有必要在现有外包钢筋混凝土加固钢结构研究的基础上进一步研究,从而验证外包钢筋混凝土加固柱的有效性,并对其承载性能进一步了解.希望为后续的研究和应用提供参考.

1 试验研究

1.1 试件设计和制作

图1 加固试件的截面形式Fig.1 Cross section of reinforced specimen

本试验一共制作5根高度均为900 mm的钢柱作为试验试件:1根纯钢柱;1根钢柱未负载直接外包钢筋混凝土加固;2根钢柱在负载0.5Fy(Fy为钢的屈服强度)下外包钢筋混凝土加固;1根钢柱在负载0.7Fy下外包钢筋混凝土加固.加固柱截面尺寸为200 mm×200 mm,其截面形式如图1所示,工型钢选用100 mm×100 mm规格.型钢置于截面中心处,C1=50 mm,为型钢边缘到混凝土边缘的距离;C2为混凝土保护层厚度;纵向贯穿了4根直径为12 mm的HRB335级通长钢筋;箍筋采用直径为8 mm的HPB300级钢筋,间距为100 mm.试件参数详见表1.

表1 试件尺寸和力学参数Table 1 Size and mechanical parameters of specimen

1.2 试验过程

首先对原钢构件进行预压处理,用于模拟钢结构在负载条件下的状态.然后,对型钢、混凝土和受力纵筋分别粘贴应变片.型钢的两端、中部以及翼缘两端分别粘贴横纵应变片.同理,混凝土的两端、中部以及纵向钢筋的中部分别粘贴横纵应变片.应变片位置如图2所示.最后绑扎钢筋笼、浇筑混凝土,并在标准养护环境下养护28 d.试验加载设备采用3 000 kN自反力压力机,并利用5 000 kN拉压力传感器监测载荷的大小,图3为试验加载装置简图.

2 现象和结果分析

2.1 试验现象

该试验中5个组合试件大体上都经历了弹性、 裂缝和破坏3个过程 . 如图4所示, 在弹性初期,载荷值相对较小, 此时试件无明显变化; 随着载荷的不断增加, 构件中间会出现细小裂缝, 载荷与变形程度呈正比例线性增加, 并伴有轻微声音. 随着载荷的继续增加, 混凝土表面裂缝逐渐增多, 裂缝发出的声音也逐渐变大, 此时试件达到裂缝阶段.当载荷逐渐加载到极限载荷时, 如图5所示, 试件表面的混凝土开始大块脱落, 可以明显看到部分试件的钢筋笼变形, 纵筋微弯, 纯钢试件扭曲, 试件到达破坏阶段[9].

图2 应变片位置Fig.2 Strain gauge location

图3 试验加载装置简图Fig.3 Sketch of the loading device for the test

图4 弹性阶段的试件形态Fig.4 Specimen shape at the elastic stage

图5 破坏阶段的试件形态Fig.5 Specimen shape at the brittle stage

图6 所有试件的试验载荷-位移曲线Fig.6 Load-displacement curves of all specimens

2.2 结果分析

图6为由试验得出的5根钢构件的载荷-位移曲线图,从图中可以明显看出,4根负载下加固的钢筋混凝土柱增幅曲线明显高于未负载、未加固的型钢柱,说明加固后的型钢柱承载性能显著提升,提供了一定的的承载空间.通过观察5根试件曲线倾斜度和载荷值可知:负载加固后的试件的载荷-位移曲线倾斜度明显大于未负载、未加固的型钢;在位移一定的情况下,纯钢构件的载荷值远小于加固后的钢构件的载荷值,说明外包钢筋混凝土加固后的钢构件能有效提高原钢构件的承载能力和刚度.

3 有限元模型数值分析

3.1 各材料属性及类型选取

根据文献[10]可知各材料参数如表2所示, 其中ρ为钢材密度;υ为泊松比;E为弹性模量.混凝土和型钢采用三维八节点实体单元C3D8R,纵向钢筋和箍筋采用三维二节点桁架单元T3D2.

表2 材料属性Table 2 Material properties

3.2 材料本构关系的建立

1) 混凝土本构关系.

根据《混凝土结构设计规范》(GB50010—2010)[11]确定外包钢筋混凝土加固柱中混凝土的本构关系,其中模拟试件中的应力-应变关系如下.

受拉过程:

(1)

受压过程:

(2)

式中:y为应力系数;x为应变系数;at为应力-应变关系中曲线下降段受拉的参数值;ad、aa分别为曲线上升、下降段受压的参数值.

2) 型钢、箍筋和纵向钢筋本构关系.

由于型钢、箍筋和纵向钢筋均是塑性材料,其本身属性相似,所以都采用二折线强化模型[12],应力-应变关系为

(3)

3.3 定义装配件及约束

在Createinstance中,将混凝土、纵向钢筋、箍筋和型钢分别设置为独立部件.通过移动、陈列及旋转等工具建立由箍筋和纵向钢筋组成的钢筋笼,如图7所示.再由合并工具把钢筋笼组成一个新的完整的部件,以便于后期部件的拾取,赋予属性后使其嵌入模拟试件中.同理,型钢也嵌入模拟试件中,模拟试件被赋予属性后类似于实际试验时的材料.为了在部件合并时避免不必要的麻烦,在part模块应选择合适的部件坐标.

图7 钢筋笼模型Fig.7 Model of reinforcement cage

创建参考点,以便对外包钢筋混凝土加固柱约束和施加载荷,在完成钢筋骨架和混凝土耦合约束定义后,设置参考点与上、下顶面的耦合关系,选择创建约束中的耦合类型,将RP-1、RP-2分别与加固柱的上顶面和下顶面耦合在一起.如图8所示.

图8 整体结构模型Fig.8 Model of whole structure

3.4 定义约束和施加载荷

约束模型边界:将模型试件上顶面耦合点RP-2设定为完全固定约束,即U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0;将模型试件下顶面耦合点RP-1设定为除z轴方向轴向位移不约束(U3≠0)的固定约束.

约束设定完成后,利用ABAQUS软件中“生死单元”技术施加位移载荷.对于无负载下加固的钢柱,不需要使用“生死单元”技术,只需要一个分析步,一次性在step直接施加位移载荷;对于存在初始负载的外包钢筋混凝土加固柱,则利用相互作用(interaction) 中的“生死单元”技术,在第一分析步中选取model change“杀死”混凝土和钢筋笼,目的使其不受力,让施加的位移载荷只对型钢起作用,类似于型钢在没有加固时的工作状态;接着在第二分析步中选取add,“激活”混凝土以及钢筋笼,使其对整个模型施加位移载荷,达到一起受力的目的.

3.5 网格划分

对于模型外包钢筋混凝土加固柱和型钢应采用扫掠网格划分技术,其优点可以对复杂组合构件及其轮廓进行划分.其三维区域以六面体为主的单元形状,也应进行扫掠网格划分技术.先布置边上种子,在Approximate global size(种子的大体数目)后输入0.02,使得整个模型布满种子.接着在软件中点击Apply,则模型按照网格种子自动划分网格完毕.如图9所示.

图9 网格划分模型Fig.9 Model of mesh partition

3.6 有限元模型结果分析

图10为由有限元软件模拟得出的有限元模拟负载下外包钢筋混凝土加固钢构件的载荷-位移曲线,将有限元模型的计算结果与试验结果列于表3.

表3 试验结果与有限元模拟结果对比

由图10可知,在初始负载、混凝土强度等级和钢筋强度等级相同的情况下,型钢强度越高,外包钢筋混凝土加固柱承载能力越大,且随着载荷、位移的不断增加,曲线相应升高,当到极限载荷时,曲线开始下降,表明试件刚度降低,试件开始受到破坏.表明当纯钢柱的载荷到达极限时,外包钢筋混凝土加固可以有效地提升原钢构件的承载性能.通过有限元模拟得出的载荷-位移曲线(图10)与试验得出的载荷-位移曲线(图6)相比较,可以发现2种结果的曲线图走向基本一致.由表3可知,通过有限元模拟数值结果和试验结果数值相比较,有限元模型的极限承载力计算结果大体上略小于试验计算的结果,但两结果比较接近,吻合较好.

图10 有限元模拟的载荷-位移曲线Fig.10 Load-displacement curve of finite element simulation

4 小 结

1) 将ABAQUS有限元软件模拟结果和已有试验结果对比可知,纯钢构件和外包钢筋混凝土加固后的钢构件相比,加固后的纯钢构件的承载力和刚度有很大的提升.

2) 在初始负载、混凝土等级和钢筋等级相同的情况下,型钢强度等级与试件的受力性能成正比.

3) 对于负载状态下外包钢筋混凝土加固钢构件,当原构件的初始负载很大时,原钢构件将提前进入屈服情况,使外包钢筋混凝土较早地进入工作状态,其会影响外包钢筋混凝土加固后的钢构件的极限承载力,也会影响安全性及可靠性.