钢板加固混凝土梁的力学性能研究

雒振林 河北省建筑工程质量检测中心有限公司，石家庄 050227

褚少辉 河北建研科技有限公司，石家庄 050021

刘淑红 石家庄铁道大学，石家庄 050043

1 引言

钢筋混凝土结构拥有独特的优势，在土木工程中的应用十分广泛，钢筋混凝土建筑在我们的日常生活中几乎随处可见。不过，这些建筑所处的环境差异过大，有些建筑会使用在环境恶劣的条件下，有些会受到设计时未考虑到的化学腐蚀的影响，而且可能出现设计和施工不恰当的情况，或者有些结构会受到建筑的使用要求发生变化等多种因素的影响，所以，许多建筑结构在施工和使用过程中受到不同程度的破坏，影响到了人们的正常使用。为了让人们能够继续使用这些结构，我们有必要对钢筋混凝土结构的加固技术进行研究。因此，人们开始倾向于对钢筋混凝土结构加固的研究，想以此来提高钢筋混凝土结构的使用寿命。目前，人们常用的钢筋混凝土加固方法有：增加界面的钢筋、更换混凝土钢筋、体外预应力钢筋、体外粘结钢筋、粘贴钢板钢筋、增设支点钢筋、高性能复合砂浆钢筋，粘贴纤维增强复合材料加固等方法。而粘贴钢板是一种非常常见的钢筋混凝土梁的加固方法，简单来说，就是将一块或几块钢板用一些方法粘贴在钢筋混凝土受拉的部分的表面，使钢板与结构一起承受拉力，分担钢筋混凝土结构上的荷载，由于钢板的弹性模量一般比钢筋混凝土大，所以，根据材料力学上的理论，在静定条件下，可以分担更多的荷载。这种加固方法的耐久性很好、施工的速度十分快、材料随处可见，十分便宜、非常简单轻便又经济合理。因此，有必要研究粘贴钢板加固钢筋混凝土技术。本文介绍用有限元ANSYS软件，去模拟在受拉侧粘贴钢板加固钢筋混凝土梁，研究其力学性能，这些可以为以后研究粘贴钢板加固钢筋混凝土梁，在如何建立模型，选取什么单元，如何模拟加固等方面提供一些方法。

2 模型梁概况

本次模拟试验使用的梁的截面尺寸为宽0.15m，高0.25m，保护层厚度为0.03m。总长2.6m，净跨为2.4m。加载位置为在距支座0.8m处各有一个加载位置；在受拉区，配置3根直径为16mm的HRB335级钢筋。在受压区配置2根直径为10mm的HPB235级钢筋。另外，用直径为8mm的HPB235级钢筋作为箍筋。钢板粘贴在钢筋混凝土梁的受拉侧，钢板厚度为3mm。利用节点耦合的方式将钢板单元节点与混凝土单元节点耦合在一起，模拟钢板加固，计算至不收敛或荷载位移曲线趋于水平时可认为达到屈服极限。

梁的受拉区和受压区钢筋的力学参数如表1所示。

表1 钢筋信息表

3 ANSYS建模及单元网格划分

在ANSYS分析中整体采用分离式模型，这样的计算精度可以高一些。同时，为了节约计算机性能，加快计算速度，再加之，该结构是关于前后和左右对称的，所以，本文采用了1/4梁建模。在一般情况下，在划分混凝土时采用SOLID65单元，划分钢筋采用LINK8单元，混凝土采用多线性等向强化MISO模型，在这篇文章中也是如此。在建模时，先建立一个长方体，然后针对箍筋、受拉区钢筋、受压区钢筋等的位置进行切分，切出这些钢筋的位置，然后再分配不同的单元实常数及材料属性，以区分不同钢筋。建立模型后再划分单元，钢筋采用理想弹塑性模型，即在钢筋到达屈服阶段以后就可以认为不管钢筋的变形如何，钢筋上的正应力永远不会再改变。混凝土采用多线性强化模型，输入其本构关系，模拟混凝土。混凝土采用五参数屈服准则，并把抗压极限设为-1，以关闭压碎。等ANSYS运行至不收敛，或者运行出来的荷载位移曲线趋于平缓的时候，就可以认为达到了屈服极限。模型采用SOLID45单元。钢板的泊松比是0.3，弹性模量是2.1e11，并且其屈服强度为280MPa。利用节点耦合的方式将钢板单元节点与混凝土单元节点耦合在一起，模拟钢板加固，计算至不收敛或荷载位移曲线趋于水平时可认为达到屈服极限。

图1 钢筋混凝土梁的单元划分图

梁的单元划分如图1所示，耦合节点后如图2所示。

图2 加固并耦合节点后单元划分图

计算结果如图3所示，再往上加载将不再收敛，所以可认为屈服极限为118kN。

图3 粘贴钢板后梁的结果运行图

4 ANSYS模拟结果与试验结果对比

在本文中，将试验的屈服荷载和ANSYS模拟的屈服荷载进行了对比，对比的结果如表2所示。

表2 结果对比表

由表2可知，加固前后屈服荷载的试验值与理论值的相对误差都在10%以内，加固后的屈服荷载提高了40%以上，说明粘贴钢板可有效提高钢筋混凝土梁的承载能力。还说明，用本文提供的模型和单元模拟研究钢筋混凝土梁的力学性能，或者研究粘贴钢板的加固的钢筋混凝土梁的力学性能是可行的。在以后的学习或者研究的过程当中，仍可用本文提供的模型和单元去进行粘贴钢板加固混凝土梁的模拟。

图4 未加固试验模拟对比图

图5 加固试验模拟对比图

加固前后试验荷载位移曲线和ANSYS模拟的荷载位移曲线对比分别如图4、图5所示。

通过图4和图5可知，未加固的钢筋混凝土梁的ANSYS模拟值与试验值的相对误差很小，两条曲线几乎是一致的。对于粘贴一层钢板后的钢筋混凝土梁来说，虽然误差有所增加，但仍在误差允许范围以内，并且曲线的增长趋势几乎一样，所以，再一次说明可以用本文所提供的单元和模型去模拟钢筋混凝土梁或者去模拟粘贴钢板加固后的钢筋混凝土梁。在以后类似的研究中我们可以用本文提供的方法、模型、单元去研究。

在建模时采用了一些理想化的假设，比如，钢筋和钢板都采用的是理想弹塑性模型，即在钢筋和钢板进入屈服阶段后，钢筋上的应力将不再随着应变的增加而改变。但在实际工程中，钢板和钢筋要进入强化阶段，所以，这与实际情况是有些差异的。再者，在模拟分析时，钢板与混凝土之间完全连结，没有相对位移。但在实际工程中，混凝土与钢板之间胶结，可能会产生相对位移。另外，加力方式与实际的加力方式也有所区别，在建模时，为了防止出现应力集中现象，采用了用等效的均布力代替集中力加载的方式，与实际加载方式有些出入。

5 结论

混凝土结构是我国建筑中最常见的结构形式，由于种种原因需要对混凝土结构进行加固。本文采用有限元法，采用ANSYS模型研究钢筋混凝土梁的加固的力学性能，并与试验数据对比，误差在10%以内，也分析了产生误差的原因。用本文提供的单元、模型去模拟钢筋混凝土梁是可行的，在以后计算中，可用本文的方法去进行钢筋混凝土梁的研究和粘贴钢板加固后的钢筋混凝土梁的研究。