U型钢加固钢筋混凝土梁损伤演化分析

沈 炫, 卢亦焱, 宗 帅, 马文涛

(1.湖北工业大学 土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068; 2.武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

钢筋混凝土结构在建造和使用过程中受到施工质量、环境侵蚀等不利因素的影响，往往会导致结构承载力不足，难以正常使用。另外，对于结构功能改变或有承载力升级需求的建筑，也亟需采取措施使其承载能力快速大幅提高。加固改造则是解决此类问题最为有效的手段。目前传统加固方法如粘钢加固法和增大截面法，因存在承载力提高幅度有限和施工周期较长等问题，难以实现对结构承载力的快速大幅提升[1～3]，而采用型钢加固，虽然能够大幅提高承载力[4～7]，但也存在加固组件繁多、操作工艺复杂等不足[8,9]。

为解决混凝土结构在短时间内大幅提高承载力的问题，本课题组结合U型钢-混凝土组合结构的性能优势[10～13]，提出采用U型钢对混凝土梁进行加固的新型加固法[14]。本方法加固时仅用建筑结构胶和锚固螺栓将U型钢与混凝土梁侧面连接，当建筑结构胶硬化后U型钢即可与混凝土梁形成U型钢-混凝土组合结构共同工作。由于U型钢底面钢板与混凝土梁底板形成空间箱型结构，加固梁在增加界面配筋率的同时截面高度也得到增大，使加固梁的承载力和刚度得到大幅提高，而建筑结构胶硬化周期短的优势，则可缩短加固周期，使加固结构可以快速投入使用。此外，加固后形成的空间箱型结构不进行混凝土填充，也使结构自重增加相对较小。因此，与传统加固方法相比本加固法具有明显优势。

为深入了解U型钢加固法的性能优势，本研究进行了U型钢加固梁的抗弯性能测试，并在试验研究的基础上，采用有限元软件ABAQUS分析了U型钢加固梁的全过程受力，并进行了损伤演化分析，进一步研究了U型钢加固梁的工作机理，期望为U型钢加固法的工程应用提供理论参考。

1 试验概况

本次试验共设计了12根试件，包括1根未加固对比梁和11根U型钢加固梁，试件截面尺寸和试验参数如图1、表1所示。加固梁所用U型钢由3块Q235级钢板焊接制作，U型钢侧板上预制螺栓孔位置参照GB 50367《混凝土结构加固设计规范》[15]要求，并根据梁内钢筋位置进行设计，为避免加固梁受弯变形后箱体与支墩碰触，U型钢下部箱形截面边缘距支座距离为150 mm。试件所用钢筋及加固用钢板性能参数详见表2。

表1 试件主要参数

表2 钢材力学性能

图1 U型钢加固钢筋混凝土梁/mm

试件采用四点弯曲加载方案，通过分配梁将对称荷载施加于梁净跨的三分点处。加载过程中试件表现出3种破坏形态，分别为剥离屈曲与弯曲破坏的混合破坏、弯曲破坏、剥离屈曲与剪切破坏的混合破坏，图2为试件的3种典型破坏形态。由图2a可知，试件未发生破坏时，U型钢与混凝土梁连接良好，无剥离和屈曲；对于发生剥离屈曲与弯曲破坏的混合破坏试件，U型钢侧板多处发生剥离并屈曲，破坏时加固梁纯弯段顶面混凝土出现压溃,如图2b；发生弯曲破坏的试件在整个加载过程中U型钢侧板未发生剥离，试件破坏表现为跨中纯弯段顶面混凝土压溃,如图2c；发生剥离屈曲与剪切破坏的混合破坏试件，U型钢侧板在剪跨段过早发生剥离，导致剪跨段抗剪能力不足，混凝土梁出现从支座向加载点延伸的斜裂缝而破坏(图2d)，此种破坏发生过程较为突然，属于脆性破坏，在工程应用中应予以避免。

图2 试件破坏形态

图3为加固试件弯矩-挠度曲线。由图3a可知，相对于混凝土对比梁RCB，11根U型钢加固梁承载力提高了5～7倍，表明加固梁承载力得到了大幅提升。图3b为试件SRCB1加载初期的挠度曲线与混凝土对比梁RCB挠度曲线的对比，从该图可以清晰的观察到当对比梁RCB达到极限荷载时，加固梁SRCB1的跨中挠度仅为对比梁的1/30，表明加固试件的刚度得到大幅提升。此外，根据各试件参数变化对加固性能的影响可知，加固梁的承载力以及刚度随着加固后截面高度增加而增大；增加U型钢侧面钢板或底面钢板厚度均可提高加固结构的承载力和刚度；待加固梁的初始配筋率的提高对加固试件刚度提高作用较小，但可增大极限承载力；随着待加固试件混凝土强度等级的提高，加固构件的承载力和刚度随之提高，加固试件也具有更好的整体工作性能。

图3 加固试件弯矩-挠度曲线

2 有限元分析

由于本加固方法采用U型钢加固时，U型钢对混凝土梁侧面及底面进行了包裹，试验过程中无法观察混凝土梁发生破坏的过程，因此采用有限元软件模拟U型钢加固梁的受力过程，可进一步了解U型钢加固混凝土梁的受力机理，为工程应用提供参考。

2.1 单元模型及本构关系

本研究中混凝土采用C3D8R单元，该单元为8节点6面体线性减缩实体单元，在计算时不易发生剪切自锁的现象，对位移的求解比较精确。对钢筋和螺栓的模拟采用梁单元B31单元，梁单元可以产生轴向、弯曲和扭转变形，在分析包含接触分析问题时具有较大优势。U型钢采用壳单元S4R单元，即4节点四边形有限薄膜应变线性缩减积分壳单元。

混凝土本构模型采用ABAQUS提供的塑性损伤模型，即Concrete Damaged Plasticity模型，混凝土的受压及受拉应力-应变关系采用GB 50010《混凝土结构设计规范》[16]中推荐的模型；钢材视为各向同性，应力-应变关系采用弹性强化型模型，该模型应力-应变关系具有唯一性，在计算过程中有利于保证计算收敛。

2.2 模型建立与求解

对于界面的处理，钢筋与混凝土之间采用区域嵌固进行处理。U型钢与混凝土梁设置为面-面接触，其中将钢板设为主面，混凝土表面设为从属面，两者法向上设置为硬接触，即U型钢侧板与混凝土面可以传递压力，但接触单元不能相互渗入，当接触面的压力为零或者负值时，接触面相互脱离接触。模型计算采用Newton-Raphson平衡迭代法，当迭代过程中残差力小于容许值则认为达到平衡状态。

2.3 有限元结果与试验结果对比

图4为典型试件SRCB1的有限元计算结果与试验结果的对比。由图4可知，有限元计算曲线与试验曲线在各阶段发展趋势吻合较好，计算曲线在弹性阶段及弹塑性阶段变形略小于试验值，而在破坏阶段曲线发展较为平缓。这是由于实际加固试件材料性能存在一定离散性，以及加固试件在制作和加载过程中人为因素影响所导致。但从表1给出的发生剥离屈曲与弯曲破坏试件的有限元计算结果与试验结果对比可知，Pu,FEM/Pu,t的平均值为1.008，均方差为0.052，计算结果吻合较好。综合以上对比结果，可知本有限元模型可以较好的对U型钢加固混凝土梁的全过程受力进行模拟。

图4 典型试件的有限元计算结果与试验结果对比

2.4 应力分析

图5为U型钢加固梁SRCB1达到极限荷载时的应力分布情况。由图5可知，U型钢侧板在受压区存在明显屈曲，与试验中因发生剥离而形成屈曲的现象较为吻合，且发生屈曲的U型钢侧板应力要明显大于未发生剥离的侧板，而发生U型钢剥离区域的混凝土压应力也明显高于其他区域。由此可知，当U型钢发生剥离后，该区域的混凝土将承担更多的压应力，导致该区域混凝土易发生压溃。另外，从图中也可以发现U型钢侧板及混凝土梁设置有螺栓的区域应力也相对较高，表明锚固螺栓能够提供界面剪力，抑制界面滑移的发展，保证U型钢与混凝土梁共同工作。

图5 加固梁应力云图/MPa

2.5 混凝土梁损伤演化分析

2.5.1 受拉损伤演化分析

图6为典型加固试件SRCB1混凝土梁的受拉损伤演化图。由图6可知，加固组合梁的混凝土受拉损伤首先出现在纯弯段梁底，随着荷载的增大，纯弯段的损伤范围逐渐增大。与此同时，由于加固梁梁端U型钢与混凝土梁之间开始出现相对滑移，锚固螺栓在发挥抗剪作用抑制相对滑移的同时，也导致混凝土梁最外侧螺栓区域出现一定损伤，而加固梁跨中区域由于相对滑移趋势较小，该处螺栓区域损伤与端部相比也较小。随着荷载的进一步增大，梁底受拉损伤区域逐渐向梁顶扩展，而剪跨段螺栓区域的损伤范围也在扩大，并出现了斜向发展的损伤趋势，表明螺栓孔的存在使剪跨段螺栓孔附近的混凝土易产生斜向剪切裂缝。而同时注意到虽然斜向损伤由截面中部向梁端支座和梁顶面加载点延伸，但并未形成贯通的斜向损伤，这也表明U型侧板在粘结良好的情况下能够对斜裂缝的发展起到有效的抑制作用。

图6 加固混凝土梁各阶段受拉损伤

2.5.2 受压损伤演化分析

图7为试件SRCB1混凝土梁的受压损伤演化图。由图7可知，混凝土受压损伤出现相对较晚，这是由于U型钢加固后，位于受压区的U型钢侧板相当于增加了受压区配筋，在未发生剥离的情况下，钢板的存在大幅提升了结构受压区的抗压能力，使混凝土梁的受压损伤发展较慢。随着荷载的增加，纯弯段的压应力不断增大，使得混凝土的损伤区域不断增大。另外，由于U型钢与混凝土梁之间的变形不协调导致界面出现相对滑移，而锚固螺栓对滑移的约束作用，也使螺栓孔区域产生受压损伤。随着荷载的继续增加，损伤区域不断向梁底扩展。而当U型钢侧板发生剥离后，混凝土梁对应区域的受压损伤程度要明显高于未剥离区域。这是由于U型钢发生剥离后形成半波屈曲，其所能承担的压应力大幅减小，截面压应力由U型钢与混凝土梁共同承担转变为主要由混凝土梁承担。因此，当加载至极限荷载时，发生剥离区域的混凝土受压损伤要远高于其他区域，在试验中则表现出该区域混凝土发生压溃。

图7 加固混凝土梁各阶段受压损伤

3 结 论

(1)采用U型钢加固钢筋混凝土梁，U型钢能够与混凝土梁形成组合结构共同工作，加固梁与原混凝土梁相比，承载力和刚度都得到了大幅提高。

(2)本文有限元模型计算所得的荷载-挠度曲线与试验曲线吻合较好，加固梁模型的破坏形态与试验现象相符，说明本模型能够较为准确地对U型钢加固梁的受力行为进行模拟。

(3)由有限元模型损伤演化过程可知，加固后的混凝土梁受拉损伤随着荷载的增大由梁底逐渐向梁顶发展；由于螺栓孔的存在会使剪跨段产生斜向剪切裂缝，但U型钢侧板会对裂缝的发展起到一定的抑制作用；U型钢侧板发生剥离后其承压作用将减弱，该截面的压应力将主要由混凝土承担，导致该区域混凝土率先发生压溃。