粘钢加固钢梁的有限元分析

赵士永， 褚少辉， 付素娟

(1.河北省建筑科学研究院，石家庄 050021； 2.河北建研科技有限公司，石家庄 050021； 3. 河北省既有建筑综合改造工程技术研究中心，石家庄 050021)

粘钢加固钢梁的有限元分析

赵士永1，3， 褚少辉2，3， 付素娟1，3

(1.河北省建筑科学研究院，石家庄 050021； 2.河北建研科技有限公司，石家庄 050021； 3. 河北省既有建筑综合改造工程技术研究中心，石家庄 050021)

粘钢加固钢结构的主要优点是无需焊接，避免了因焊接引起的变形、应力等，在负荷的情况下也可容易实现。利用有限元软件abquse对粘钢加固工字形钢进行了分析研究，结果显示：模拟计算结果与试验结果基本吻合，所建模型是可靠的；粘贴钢板厚度小于5 cm时，随着厚度的增加，钢梁的承载力和刚度都有所提升，粘贴钢板厚度超过5 cm后，厚度增大对钢梁承载力影响不明显；粘贴钢板强度变化对钢梁的承载力和刚度影响不大。

粘钢；钢梁；加固；有限元分析

0 引言

随着我国经济的持续发展，钢材产量不断飙升，钢结构在工业和民用建筑中得到了广泛应用。施工项目的增多，质量难免良莠不齐，并且有些钢结构年久失修，刚度和强度已经不能满足安全要求，拆除重建时间久，投资大，性价比较低，所以应对钢结构进行加固[1]。目前钢结构最常用的加固方法是焊接修复，但是焊接加固存在着一些弊端难以解决，比如焊接残余应力、焊接裂缝等，这些都给结构安全带来了很大的隐患，因此需要新的加固方法解决这些问题。粘贴钢板加固技术是用结构胶将钢板粘贴在混凝土构件表面，使二者成为一个共同整体，以充分发挥材料性能，达到加固的目的。该技术无需焊接，具有施工简便、工期短、费用低、加固效果好等优点[2]，越来越受到土木工程师的青睐。

粘贴钢板加固技术是一门既古老又年轻的技术。早在20世纪60年代，德国、瑞典等国的工程师为解决混凝土结构的加固与修复问题首先提出并开始应用的。我国第一次成功地运用结构胶对结构进行粘钢加固是在1978年，法国斯贝西姆公司首次在我国采用了法国的STADUR-31建筑结构胶对辽阳化工厂的一些混凝土大梁进行了外粘钢板加固补强。20世纪80年代以来，我国一些高校和科研机构对钢筋混凝土结构或构件的粘贴钢板加固进行了大量的试验研究和理论分析。2001—2006年，武汉大学卢亦焱通过实验研究和数值分析，对外粘钢加固钢管技术进行研究[3]；2007年，山东建筑大学土木学院魏天金在试验的基础上探讨了利用碳纤维片材和粘钢对钢结构受弯构件进行混合加固处理的一种新型加固方法；2009年，同济大学隋炳强、邓长根对钢压管外粘钢加固的理论进行了试验研究[4]。目前，粘贴钢板在混凝土结构加固中的应用比较成熟，在钢结构加固中应用较少，有许多理论和应用方面的问题亟待解决，为了使该技术能够早日在钢结构加固领域推广应用，应进行这方面的研究与理论分析。因此，本文在试验的基础上，利用有限元软件对钢梁的抗弯性能进行了研究分析，以期为相关研究和工程实践提供参考和指导。

1 试验概况

1.1 试件设计

构件截面尺寸如图1所示，试验梁共3根，1根不加固作为对照梁，其中Lw1钢板与钢梁用结构胶粘贴，无其他锚固措施；Lw2钢板与钢梁用结构胶粘贴，且每个端部均采用2个M8螺栓进行加强锚固。粘贴钢板厚度为4 mm，宽150 mm，通长粘贴。

图1 试验梁加固示意图

1.2 材料性能

1.2.1 钢梁、钢板的力学性能

钢梁、钢板均采用Q235B级钢，试验室实测的材料力学性能指标见表1。

表1 钢材材料性能

1.2.2 结构胶材料性能

钢结构粘钢加固结构胶应具备粘结强度高、耐久性好，具有一定的弹性等特点，本次试验加固用胶粘剂为冀研牌SKY型粘钢建筑结构胶，其材料性能指标见表2。

表2 结构胶材料性能

1.3 试验装置及试验方法

1.3.1 试验装置

试验梁两端采用简支约束，中部形成纯弯段，采用液压千斤顶进行加载。加载时，在试验梁上放置一根分配梁，使集中力平分到梁的3分点处。试验梁加载示意图见图2，现场加固装置见图3。

图2 抗弯试验加载图

图3 现场加固装置

1.3.2 加载制度

1)预加载

首先将各仪器读数调零，然后在弹性范围内对梁进行预加载，加载值不大于屈服荷载的20%。检查各仪器和测点的测量参数是否正常，如有异常应找出原因，直到检查一切正常后，卸去荷载，对各仪器重新调零，准备正式试验。

2)破坏载荷试验

第一级至第四级每级加载值为25 kN,第五级和第六级每级加载15 kN，第七级以后每级加载5 kN，直至屈服破坏，每加一级后停歇10分钟。

1.4 试验结果

试验梁的荷载—挠度曲线如图4所示。可以看出，粘钢加固后，钢梁承载力和刚度都有所提升，两端采用锚固措施后，加固效果更明显。

图4 试验结果

2 非线性有限元模型分析

2.1 单元选择

2.1.1 型钢梁单元

C3D8R[5]是具有8个节点三维实体单元，计算时间快，且计算精度可以满足本文的要求，因此钢梁选用C3D8R。

2.1.2 钢板单元

根据试验用钢板特点，有限元模拟时可忽略钢梁厚度，因此选用S4R进行模拟，该单元可以较好地模拟钢板的应力应变情况。

2.2 创建模型

2.2.1 模型尺寸

模型尺寸与试验梁相同，在ABAQUS软件中建立一个C3D8RD部件(截面尺寸为HW150×150×7×10)和一个S4R部件(厚4 mm、宽150 mm)并将它们装配，长度均为170 mm；

2.2.2 网格划分

在此模型当中选用的是结构化网格划分的方法，划分网格的比例参数选择为0.5。

2.2.3 边界条件

试验梁采用的是简支约束，因此模型中，梁的一端施加了竖向位移约束和水平位移约束(选中梁一端，设置BC-1：U1=0，U2=0)，另一端施加了竖向约束(选中另外一端，设置BC-2：U2=0)，其他自由度不进行约束。

2.2.4 加载情况

有限元计算中可采用力加载和位移加载2种方式，本模型形状较为规则，因此为了与试验一致，本模型采用力加载方式，在梁的3分点处分别施加200 kN，计算至不收敛后，提取荷载挠度曲线进行分析。

根据试验材料数据设定参数，为了提高计算速度，忽略了钢板与钢梁直接的摩擦力，计算采用牛顿—拉夫森法[6-7]以提高收敛性。模型中钢材和结构胶的材料性能、力学性能取试验数据，划分网格后的钢梁和钢板模型如图5～6所示。

图5 钢梁的有限元模型

图6 钢板的有限元模型

2.3 计算结果及分析

下面以Lw1、Lw2梁和对比梁为例具体说明加固前后以及不同锚固方式粘钢加固梁有限元数值分析、理论分析及试验分析结果。

2.3.1 应力应变关系分析

加固后钢梁的拉应变减小，钢板也承受一定的应变作用。在模拟的过程中，弹性阶段，不同锚固方式加固的钢梁应变发展基本一致，而且加固后钢梁的应变的发展均滞后于未加固梁的应变发展。Lw1梁在进入弹塑性阶段后，钢量应变增大比钢板快，钢板应力滞后，这是因为加载后期胶粘剂产生剪切变形，使钢板与钢梁发展不同步。Lw2梁进入弹塑性阶段后，钢梁和钢板的应变基本保持一致，说明螺栓对钢板进行加强锚固后，可以减少胶粘剂剪切变形在受力过程中的不利影响，从而使钢板和钢梁能够刚好协同工作。

2.3.2 荷载—挠度曲线分析

通过图7～9可见，在弹性阶段中，各个试验型钢梁挠度随荷载变化情况基本相同，其中采用锚固方式加固后的钢梁挠度略有减小，在弹性阶段通过粘贴钢板来改善结构的挠度变形效果不明显；当荷载达到试验型钢梁的弹性极限荷载150 kN时，通过粘贴钢板来改善结构的挠度变形效果比较明显，构件刚度、整体承载力得到了提高，通过螺栓锚固加固的梁延性更好。粘钢加固钢梁端部采用有效锚固措施以后，可改善梁的延性和塑性刚度，提高承载力，但是对于弹性刚度增加有限。

图7 对比梁荷载—挠度曲线

图8 Lw1梁荷载—挠度曲线

图9 Lw2梁荷载—挠度曲线

有限元计算的3根梁的极限承载力分别为：190 kN，207 kN，235 kN。试验极限承载力为190 kN，210 kN，240 kN，其有限元与试验值的相对误差为：0，-1.42%，-2.08%，与试验值的相对误差较小。有限元分析的结果都在误差允许的范围内，因此，所建的模型是可靠的。

2.4 参数分析

2.4.1 不同钢板厚度对钢结构粘钢加固性能的影响

考虑不同厚度的钢板对粘钢加固抗弯性能的影响，具体来说就是通过对加固梁下翼缘上部和上翼缘下部抗弯作用的比较，确定不同钢板厚度的组合对补强的影响系数。工程实践中钢板的厚度通常为2～6 mm，对比的模型如表3，得到不同厚度下的荷载—挠度曲线(图10～11)。

表3 粘贴钢板的厚度

图10 不同钢板厚度加固Lw1梁荷载—挠度曲线

图11 不同钢板厚度加固Lw2梁荷载—挠度曲线

表4 不同厚度钢板加固钢结构加固前后承载力

在弹性阶段，各梁的荷载—挠度曲线都基本表现为线性，刚度变化不大；在塑性阶段，加大粘钢板厚度能进一步约束梁底跨中挠度，提高梁的刚度。粘钢超过一定厚度(本模型中为5 mm)对钢结构承载力的提高不十分明显，继续增加厚度对结构无明显作用，在加固时应考虑材料的利用率。

2.4.2 不同钢板强度对钢结构粘钢加固性能的影响

考虑不同钢板强度对粘钢加固抗弯性能的影响，加固用的钢板，应采用Q235或Q345钢板。对比的模型如表5所示，得到不同钢板强度下的荷载—挠度曲线(图12～13)。

表5 粘贴钢板的强度

图12 不同钢板强度加固Lw1梁荷载—挠度曲线

图13 不同钢板强度加固Lw2梁荷载—挠度曲线

表6 不同强度钢板加固钢结构加固前后承载力

由图12～13和表6可知，在不同的钢板强度下，加固前后的结构的刚度几乎没有变化，承载力有所提升，但是幅度不大，可见粘贴钢板的强度对加固效果影响不大。

3 结论

钢结构广泛应用于我国工业和民用建筑中，施工项目的增多，质量难免良莠不齐，并且有些钢结构年久失修，刚度和强度已经不能满足安全要求。拆除重建时间久，投资大，性价比较低，因此对既有钢结构进行加固具有重要的理论意义和实践意义。传统的焊接加固有难以克服的缺点，本文提出的粘贴钢板加固方法无需焊接、操作简单、效果良好、经济合理。通过试验研究和有限元分析，得出了如下结论：

1)根据钢结构粘钢加固的特点，结合钢梁粘钢加固抗弯试验以及钢梁、钢板选取合理的单元类型和材料本构关系，运用ABAQUS软件建立了有限元数值分析模型，数值模拟分析结果与试验结果基本吻合，所得结果可靠，对结构粘钢加固设计分析具有借鉴意义。

2)其他条件相同时，随着粘贴钢板厚度的增大，结构的抗弯承载力和刚度得到了明显的提升，跨中挠度得到了有效控制，但是提升幅度不大；粘钢超过一定厚度(本模型为5 mm)后，对钢结构承载力的提高不明显，继续增加对结构无明显作用，在加固时应考虑材料的利用率。

3)其他条件相同时，在不同的钢板强度下，加固前后的结构的刚度几乎没有变化，承载力有所提升，但是幅度不大，可见粘贴钢板的强度对加固效果影响不大，所以不建议粘贴高强度钢板加固钢结构。

[1] 赵士永, 付素娟. 粘钢加固工字形钢梁抗剪承载力的试验研究[J]. 粉煤灰综合利用, 2012(2): 40-42.

[2] 黄存智, 申细林. 钢结构在加固工程中的应用[J]. 建筑科学, 2002, 18(3): 26-28, 31.

[3] 卢亦焱, 刘兰, 陈莉, 等. 外粘钢加固钢管技术的数值模拟[J]. 武汉大学学报: 工学版, 2005, 38(1): 112-116.

[4] 隋炳强, 邓长根. 钢压杆稳定加固研究进展[J]. 河北工程大学学报: 自然科学版, 2009, 26(1): 21-24, 28.

[5] 王玉镯, 傅传国. ABAQUS结构工程分析及实例详解[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2010.

[6] 庞礴, 聂建国, 董石麟. 波形腹板H型钢梁抗剪性能有限元分析[J]. 建筑结构, 2011, 41(2): 49-51, 36.

[7] 赵士永, 李旭光. 砌体结构并联复合隔震建筑有限元分析[J]. 华北地震科学, 2011, 29(2): 23-26.

Finite Element Analysis of Steel Beam with Externally Bonded Steel

ZHAO Shi-yong1,3, CHU Shao-hui2,3, FU Su-juan1,3

(1.Hebei Academy of Building Research, Shijiazhuang 050021; 2. Hebei Building Research Technology Co. Ltd, Shijiazhuang 050021, China; 3. The Engineering Technical Research Center of Comprehersive Reconstruction Existing Building of Hebei Province Shijiazhuang 050021, China)

The main advantage of steel beam with steel-bonded reinforcement is to avoid the deformation and stress induced by welding, and it is easy to achieve under load. The I shape steel beam strengthened by bond steel is simulated and analyzed by ABAQUS. The results show that: the simulation results are consistent with the experimental results, and the model is reliable. As the steel plate thickness is less than 5 cm, bearing capacity and stiffness are improved with the increase of the thickness of steel, and when the steel plate is more than 5 cm, the increase of the thickness of the steel bearing capacity is not obvious; there will little influence on the bearing capacity of steel beams and stiffness with the change of the paste steel.

steel-bonded; steel beam; strengthening; finite element analysis

2016-09-26

河北省省属科研院所奖励性后补助项目“既有建筑物改造加固关键技术”(16255411H)

赵士永(1974—)，男，河北定州人，正高级工程师，主要从事建筑结构检测加固等工作．E-mail：zhaoshiyongaa@163.com

P315.922

A

1003-1375(2017)02-0015-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.02.003

赵士永，褚少辉，付素娟．粘钢加固钢梁的有限元分析[J]．华北地震科学，2017，35(2):15-20.