带肋钢板加固腹板开洞RC梁受力性能模拟分析

闫田田 王 宇 秦 麟

(烟台大学土木工程学院，山东 烟台 264005)

0 引言

在房屋层高受限情况下，采用混凝土开洞梁(或开孔板)，各种管道设施从构件孔洞中穿过，为解决各种管线挤占建筑空间提供了有效的途径。对开洞钢筋混凝土梁的研究多集中在开洞削弱和预开洞配筋加固领域[1-4]。对于预留洞口的混凝土梁，可以在设计中在洞口四周增配钢筋进行补强，然而，对于已有结构的后开洞混凝土梁，外部加固技术是唯一的解决方案。现行规范中对腹板预留洞口的混凝土梁通过构造措施来消除开洞削弱，但并未针对后开洞情况给出明确的加固方法及相应的设计方法。

随着结构有限元理论及现代计算机技术的不断发展，利用有限元方法对结构体系进行地震往复荷载作用下的弹塑性时程分析，从而得到结构体系在反复荷载作用下的反应是行之有效的方法。

本文基于课题组之前所做的静力荷载作用下带肋钢板加固开洞RC梁试验结果[5,6]，包括荷载传递机理、受力性能、破坏形态等。参照已有研究结果建立合理的恢复力模型，展开对带肋钢板加固腹板开洞梁的抗震性能研究。采用Abaqus有限元软件对26根不同的钢筋混凝土开洞梁抗震性能进行数值分析，探索这种新型加固方法的有效性，找出不同参数因素的影响，研究其对开洞RC梁抗震性能的分析。

1 Abaqus有限元模型

1.1 模拟试件及其参数

26根钢筋混凝土梁模拟试件，截面尺寸为200 mm×500 mm，长度1 650 mm。混凝土采用强度等级为C30，顶部架立筋和底部受拉钢筋均为4根18 mm直径的HRB335级钢筋，箍筋选用8 mm直径HPB300级钢筋。钢筋混凝土基座截面尺寸为500 mm×500 mm，长度1 550 mm。纵筋为10根18 mm直径的HRB335级钢筋，箍筋选用8 mm直径HPB300级钢筋。为了简化试件模型，只研究梁在开洞口侧的情况，具体配筋及尺寸见图1。

模拟变化参数包括洞口长度、洞口高度、洞口偏移、钢板厚度，具体参见表1。试件编号Z-N代表对比梁；L,H,U,T分别代表洞口长度、洞口高度、洞口向上偏移、钢板厚度；N,R分别代表不加固和带肋钢板加固，例如L2-N表示洞口长度200 mm未加固试件，T1-R表示带肋钢板厚度为1 mm试件。

1.2 单元的选择及加载方式

建立三维有限元开洞梁模型，其中混凝土、带肋钢板、基座混凝土采用实体单元C3D8R，纵筋和箍筋采用Truss单元T3D2，只在纵筋本构模型中综合考虑钢筋与混凝土之间的粘结滑移。模拟过程中在梁端采用位移幅值控制施加往复荷载，直至试件破坏。

1.3 材料模型

混凝土本构选用GB 50010—2010钢筋混凝土结构设计规范[7]中的混凝土本构关系，采用混凝土塑性损伤模型(Concrete Damaged Plasticity Model)，并考虑了混凝土进入塑性后的损伤分为受拉和受压损伤，分别用两个独立的损伤因子来模拟由损伤引起的弹性刚度退化。该模型将损伤指标引入混凝土模型，通过对混凝土的弹性刚度矩阵加以折减，模拟混凝土刚度随损伤增加而降低的特点。在材料进入损伤后，弹性模量可表示为E=(1-d)E0，其中，E0为无损伤弹性模量；d为损伤因子，用于描述卸载时材料刚度退化现象。根据Sidiroff的能量等效原理，提出了混凝土损伤因子计算方法：

(1)

其中，σ为混凝土应力；ε为混凝土应变。

开洞梁的钢筋的本构模型，调用深圳大学方自虎老师开发的子程序[8]，该模型考虑了混凝土与钢筋之间的粘结滑移损伤，能够较好地模拟钢筋在循环荷载下的应力应变行为。

钢板与混凝土间的结构胶选用粘性接触并设置其损伤，用以模拟钢板与混凝土的粘结。基座中钢筋混凝土材料属性均设置为理想弹性模型。

模型中设定梁端的边界条件为放开沿X轴方向的约束U1及绕X轴转动的约束UR3，基座底面全部固结。

表1 试件基本参数

2 有限元结果分析

2.1 带肋钢板加固对试件承载力的提高

如图2～图5所示为各组试件梁的荷载—挠度曲线，粘贴带肋钢板加固试件梁可大幅提高开洞梁的受力性能。相比同组未加固开洞梁，加固后梁的极限荷载有大幅提升。参考表1，带肋钢板加固后承载力提升幅度在30%～157%之间。洞口长度的承载力削弱在31.4%～47.5%之间，带肋钢板加固后承载力基本可恢复至未开洞时的承载力。开洞高度是导致试件梁承载力下降的关键因素，洞口高度越大，承载力降低越明显，但承载力削弱越大，加固后相对承载力提升幅度就越大，可见带肋钢板加固效果十分显著。U0.5组试件为洞口向上偏移，对比洞口同样大小的L4组由表1可以看出，U0.5组试件承载力均小于L4组试件，洞口偏移会对承载力造成不利影响。T组为不同钢板厚度的试件，从承载力提高的角度分析，随着钢板厚度的增加，承载力不断提高。当钢板厚度为2.5 mm～3 mm时，承载力提高幅度不再明显，在工程应用中，2 mm厚度的钢板更为经济，性价比更高。

相比未开洞的参照梁Z-N，对于0.4倍梁高的开洞高度，1倍～3倍的开洞宽高比(L组)的洞口情况下，带肋钢板加固能使开洞梁承载力恢复至参照梁Z-N承载力的95%以上。H组或开洞位置偏移的U组，承载力恢复仍能达到80%以上。在洞口高度增大至0.6倍梁高(H组)时，承载力恢复约为83%。

2.2 滞回特性分析

滞回曲线是进行抗震性能分析的主要依据，反映构件的刚度退化和耗能能力。滞回曲线的每一个滞回环所包含的面积反映了梁在地震作用下耗散地震能量的能力。图6～图9为模拟试件的滞回曲线，可以看出未加固的开洞梁试件滞回曲线比较瘪，耗能能力有限，承载力、变形能力较小，刚度下降快。带肋钢板加固后的开洞梁，滞回曲线形状比较饱满，耗能能力也有大幅提升，变形能力、承载能力得到很大改善，刚度退化减缓。

3 结论

本文利用Abaqus有限元分析软件，对26根具有不同参数的腹板开洞RC梁进行数值模拟分析，研究了不同洞口长度、洞口高度、洞口偏移、钢板厚度对其受力性能的影响。得出以下重要结论：

1)粘贴带肋钢板加固试件梁可大幅提高开洞梁的承载能力，开洞削弱的承载力越大，加固效果越明显。

2)随着钢板厚度的增加，试件承载力不断提高，当钢板厚度为2 mm时，更为经济。

3)相比未加固开洞梁，带肋钢板加固试件滞回曲线较为饱满，耗能能力更佳，刚度降低幅度也减缓。