二次受力下预应力钢绞线加固RC梁抗弯性能分析

程雪原，万胜武,2

(武汉科技大学1.城市建设学院；2.高性能工程结构研究院，湖北武汉 430081)

国内现存建筑物受到当时技术水平的局限，现在面临亟待解决的加固房屋问题。体外预应力被认为是建造新结构以及加固现有结构最具成本效益的技术之一。预应力结构的使用是减少混凝土构件裂缝宽度、变形和结构尺寸的有效方法[1]。与其他加固方法相比，这种方法的优点是预应力和混凝土浇筑可以独立进行，钢筋束更容易检查和维修，使添加、移除钢筋束的可行性变大，可根据实际需求改变预应力水平。预应力钢绞线加固法可以很好的解决加固后产生的应力滞后现象，施工方便快捷，便于灾后重建，使工程快速恢复使用。

国内外学者对预应力钢绞线加固方法进行了相应的研究，孙宝俊等人[2]对预应力钢绞线加固受损混凝土柱进行力学性能分析，提出预应力钢绞线加固下的极限承载力计算公式；王荣霞等人[3]进行了体外预应力钢绞线加固不同初始状态箱梁的静力性能试验研究；方淑君等人[4]利用ANSYS研究和设计转向块的细部构造。Sunkyu Park等人[5]对无粘结预应力钢束的工字钢桥梁的受弯性能和加固效果进行试验；Rahmani Z等人[6]进行了在钢管混凝土受拉区加入预应力钢绞线以控制钢筋混凝土梁中的裂缝的试验和模拟研究。

为了充分研究体外预应力钢绞线加固二次受力混凝土梁的承载能力，采用数值分析方法对文献中已有的试验模型SSS1进行模拟，在验证ABAQUS数值模型准确性的基础上，设计12根预应力钢筋混凝土加固梁，分析体外预应力钢绞线加固RC梁的整体性能受不同初始加载程度的影响，验证体外预应力钢绞线加固二次受力梁ABAQUS建模分析方法的可行性。在工程实践中，考虑二次受力因素为体外预应力钢绞线加固钢筋混凝土梁提供设计参考。

1 试件设计

选取已有试验[7]中的试件SSS1，进行有限元分析。试件SSS1是在跨度三分点对称加载的简支梁，总长度为为4500mm。T形梁底部包含两根直径为16mm、屈服应力为549MPa的钢筋，顶部包含四根直径为10mm、屈服应力为492MPa的钢筋，以及直径为8mm、间距为100mm、屈服应力为300MPa的箍筋。体外配置钢绞线的公称直径是9.5mm，抗拉强度为1958MPa，弹性模量为201.9GPa。混凝土采用C60，施加的有效预应力为357MPa。转向块位置为三分点对称布置。试件具体尺寸见图1。

图1 试件SSS1

2 有限元模型的建立与验证

采用ABAQUS建模分析已有试验[7]中试件SSS1，进一步验证外部钢绞线部分预应力梁的弯曲性能。有限元分析过程分为三个分析步：第一步施加初始荷载，使梁出现不同受损程度；第二步施加预应力；第三步作用集中荷载使加固梁发生破坏。利用生死单元建立构件的二次受力关系。

2.1 材料本构

钢筋采用理想弹塑性本构关系双线模型，钢绞线采用三折线的应力应变关系，模型假设材料各项同性。按已有试验[7]中所得材料力学性能取Es=2.01E5MPa，泊松比为0.28。混凝土采用损伤塑形模型，以材料性能试验确定各标号混凝土的弹性模量和泊松比。

2.2 单元选取及网格划分

模型中的网格均采用结构化网格，混凝土部分、转向块、锚固块均采用三维实体单元C3D8R，为了保证传力均匀、避免出现应力集中的现象，在三分点加载位置和梁端支座处设置钢垫块，同样采用C3D8R单元。普通钢筋和预应力钢绞线都采用桁架单元T3D2。网格全局尺寸50mm，预应力钢绞线采用按边布种的方式划分单元，将钢绞线看作一个整体，共划分为两个单元。其模型的网格划分结果如图2所示。

图2 模型网格划分

2.3 边界条件与截面接触

在支座处布置钢垫块，并设置中心参考点，参考点与钢垫块整个端面耦合，将模型按一端固定一端铰接的方式设置在参考点上。

将纵向钢筋与箍筋设为钢筋骨架，钢筋骨架与混凝土接触采用Embedded；钢垫块、转向块、锚固块与混凝土的接触都设置为tie；应力钢绞线与转向块和锚固块接触采用Embedded。

2.4 加载方式和预应力施加

采用以上建模方法对体外预应力试件SSS1混凝土梁的结构性能进行分析，试件以受压区混凝土被压碎为破坏特征，这与试验中梁的破坏状态相同。试件SSS1的数值分析与试验结果的跨中弯矩-挠度曲线对比如图3所示。曲线变化规律相同，只是曲线数值有所差别。弯矩承载力的差值为3%且模拟结果高于试验结果，原因为有限元模型为试验的理想化模型。以上结果验证此建模方法可准确反映预应力钢绞线混凝土梁的抗弯性能。

图3 弯矩-跨中挠度曲线

3 影响因素分析

为研究不同初始加载程度对加固二次受力RC梁的影响。利用上述验证的有限元建模方法，模拟分析12根试件，试验梁加固方案见表1。

表1 试验梁加固方案

3.1 预应力钢绞线加固RC梁抗弯性能的影响

为研究预应力钢绞线加固钢筋混凝土梁的加固效果，选取未加固梁SSS0和加固对比梁SSS1，分别加载至构件破坏。挠度是反映承重结构整体状态的重要指标[8]。分析模拟梁的荷载-挠度曲线如图4所示，各加固方案模拟梁的力学性能参数如表2所示。

图4 试件SSS0和SSS1

表2 各加固方案模拟梁的力学性能参数

由图4和表2可知，钢绞线加固钢筋混凝土梁对荷载-挠度曲线有明显影响。随着对梁施加预应力，加固梁的峰值荷载显著增加。极限承载力增大幅值为67.48KN，增大幅度为168.53%；屈服荷载也得到了明显的提高，提高幅值是54.03KN，提高幅度为1141.55%。依据图4的发展趋势，根据斜率不同将试件梁的位移变化分为两个阶段，在试件到达屈服荷载之前各模型曲线发展趋势基本一致，加固试件的位移均略小于未加固构件；屈服之后加固梁曲线增长明显。试件SSS0和SSS1的屈服位移分别为23.27mm、57.09mm。说明利用预应力钢绞线加固二次受力RC梁可大幅提升构件的承载力，改善试件的变形能力。

3.2 初始加载程度对加固二次受力RC梁抗弯性能的影响

为研究初始加载程度对体外预应力加固二次受力RC梁抗弯性能的影响(初始加载程度为初始荷载与SSS0极限荷载的比值)，选取初始加载程度为20%、40%、60%、80%、90%、92%、94%、96%的试件，分别加载至试件破坏。分析荷载-挠度曲线和不同加载程度-极限承载力曲线如图5和图6所示。

图5 不同初始加载程度荷载-挠度曲线

图6 极限承载力-初始加载程度曲线

由图5和表2可以看出，当到达峰值荷载时，受损程度为90%的试件比20%的承载力降低了40%。以直接加固的梁试件为参照，当初始加载程度为20%、40%、60%、80%、90%时，屈服荷载分别相应减少-0.3%、3%、7.96%、15.33%、23.67%；极限荷载降低1.33%、5.12%、7.43%、18.46%、29.71%。由表2可知，随着初始加载程度增大，构件延性系数、加固效果都为先增大后减小。说明对于加固二次受力梁，预应力钢绞线可提高构件的位移延性系数，但为获得更安全、经济的方案应在损伤程度较小时加固。在荷载-挠度曲线中可以看出，混凝土开裂之前，各试件的荷载-挠度曲线基本相同，RC梁受损程度小的构件曲线上升趋势更明显，抗变形能力更强。

由图6可知，当初始加载程度较小时，加固梁的极限承载力降低幅度较小；当初始加载程度超过80%时，加固RC梁的极限承载力显著下降。考虑提高梁的综合性能，在梁受损程度较轻时对其进行加固效果更明显。

3.3 卸载、持载加固对加固二次受力RC梁抗弯性能的影响

以加固受损梁时初始荷载是否卸载为变量，研究不同初始加载程度下卸载、持载加固时构件的极限承载力，如图7所示，持载加固二次受力模拟梁的力学性能参数如表3所示。

图7 卸载、持载加固极限承载力对比

表3 持载加固二次受力模拟梁的力学性能参数

由图7和表3可知，对比卸载、持载加固两种情况，当初始加载程度为80%时持载加固比卸载加固极限承载力减小39.45KN，降低了46.21%；当初始加载程度为20%时，持载和卸载加固的承载力相差5.3KN，可忽略不计。考虑加固梁施工的经济性，对于受损程度较低的构件可采用持载加固，反之则应该采用卸载加固，才能最大程度保证结构安全，提高构件承载力。在实际工程中根据具体情况，以获得合理、安全、经济的加固方案。

4 结论

考虑二次受力因素对预应力钢绞线加固RC梁受弯性能进行分析，得到以下结论。

(1)预应力钢绞线加固钢筋混凝土梁的屈服位移和极限位移均得到较大的提高，进而提高承载能力和变形能力，可在一定程度上抑制挠度的发展。

(2)在总配筋量相同的前提下，不同初始荷载加载程度越大，钢绞线加固二次受力RC梁的极限承载力提高幅度越小，梁最大挠度变化越小。

(3)二次受力因素对加固RC梁的加固效果与初始加载程度相关。当初始加载程度超过80%时，加固梁的极限承载力大幅降低，二次受力对梁的影响显著提高；当初始加载程度较小时，二次受力对加固RC梁的整体性能影响并不显著。

(4)对比相同条件下的卸载加固和持载加固，当初始加载程度较小时可采用持载加固；梁受损程度较大时采用卸载加固可获得更好的加固效果。