粘钢加固钢筋混凝土梁受力性能研究.pdf

张贵文等 ： 粘钢加固钢筋 混凝土粱受力性能研究 4 5 粘钢加 固钢筋 混凝 土梁受力性能研究 张贵文 ， 谢颖川 ( 兰州理工大学 土木工程学院 甘肃兰州7 3 0 0 5 0) 【 摘要J 主要通过 A N S Y S有限元软件对矩形 R c梁在未粘钢和粘钢加固的两种情况下的内力结果进行 比 较分析 ， 观察 R c梁在受到不同位移荷载作用下的变形特征。运用 A N S Y S软件可以很好地研究粘钢前后梁的非 线性性能， 可为具体的结构加固设计提供相应分析参数。 【 关键词】 粘钢加固； R C梁； 静力有限元分析 ； 位移； 应力 【 中图分类号】 T U 3 7 8 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 4 5 0 2 粘钢加固法是最近十几年发展起来的一种可以保持原 有结构体系不变的情况下， 增大构件刚度和承载力、 控制挠 度的一种方法。该方法适用于对钢筋混凝土构件受弯、 受剪、 受压和受拉构件的加固。不适用于素混凝土构件， 包 括纵 向受力钢 筋 配筋率低 于 现行 国家 标 准 G B 5 0 0 1 0 ( 混凝 土结构设计规范 规定的最小配筋率的构件加 固。目前混 凝土加固规范并不十分成熟 ， 因为粘钢试验造价 比较昂 贵， 施工过程复杂， 缺乏相关数据。 运用 A N S Y S有限元分析方法对粘钢加固钢筋混凝土梁 进行静力分析， 找出在静力作用下粘钢加 固后对钢筋混凝 土梁的位移和内力变化趋势 ， 可为结构加固设计提供相应 参考。 1 模型参数选择 1 1 有限元加固梁模型参数 钢筋混凝土梁的长度 l = 3 0 0 0 m m， 宽 度 b =2 5 0 m m， 高度 h= 5 0 0 mm。加 固钢板 的长度 Z 2 8 0 0 mm， 厚 度 t =5 m m， 宽 度为 b =5 0 m m或 b =1 5 0 ram。本文钢筋混凝土梁采用的 是整体式模型 J ， 纵向钢筋的体积配筋率 P=0 7 8 5 ， 箍筋 在两个方向上的体积配筋率相等溪 P 0 1 0， 分别满足规 范 给出的最小的配筋 率 和配箍 率 ， 故钢 筋 混凝 土梁 在加 固前是适筋梁。混凝土采用 C 2 5 ， 弹性模量 E c =2 81 0 N m m ， 轴心抗拉强度设计值 =1 2 7 N m m ， 泊松 比 = 0 2 ， 各种材料特性参数如表 1 所示。模型计算简图如图 1 所示。 表 1 粘钢加 固钢筋混凝土梁材料参数 1 2 模型单元选择 对于粘钢加固钢筋混凝土梁采用整体式模型， 混凝土 实体单元采用 S O L I D 6 5 ， 加 固钢板采用 S HE L L 6 3单 元 ， 钢 板 和混凝土之间的接触采用 面接 触单元 ， 即 T A R G E 1 7 0和 C O N T A C 1 7 4单元 。 基金项目 甘肃省科技计划资助( 0 9 1 6 R J Z A 0 0 6 ) 1 3 有限元分析基本假定 ， ， 图1 粘钢加 固钢筋混凝土粱模型简图 本文在分析中采用了如下假定： 梁受弯后 ， 截面上的 混凝土以及钢板的应变符合平截面假定 ； 钢板与被粘结 钢筋混凝土梁充分粘结， 无相对滑移， 变形协调， 即忽略粘 结胶的影响； 关掉混凝土压碎选项， 即令单轴抗压强度 U n C o m p S t =一1 ， 裂缝张开传递系数为 0 3 5 ， 裂缝闭合传递 系数为 1 ； 接触单元实常数采用默认值 ， 调整初始接触条 件来实现 目标面 和接 触面之间可能发生过大的初始渗透 。 2受力过程模拟 2 1 模型 的种类 论文共采用三种不同的模型分别对其加载， 进行有限 元分析， 第一种为未加钢板的钢筋混凝土梁有限元模型， 第 二种为加钢板的钢筋混凝土梁有 限元模型， 钢板的宽度 b = 5 0 mm， 第三种为加钢板的钢筋混凝土梁有限元模型， 钢板 的宽度 b =1 5 0 ra m。网格 划分时 ， 钢板和混凝土采用共用 的 节点 ， 两者之 间的接 触面采用 自带接触 向导 ， 设置接 触单 元 实常数。 2 2加载方式 有限元计算采用简支梁跨中加载位移荷载形式， 梁的两 端为铰支固定， 均采用一次受力形式的过程模拟。从 2 5 m m 开始按 2 5 m m的级差进行加载， 直到梁跨中位移达到正常使 用极限状态梁的挠度 1 5 ra m为梁破坏标准， 停止加载。 3 计算 结果分 析 从计算分析的结果中可看到， 在未加钢板时， 梁最大位 移值最大 ， 当在钢筋混凝土梁底部粘上钢板 以后 ， 梁的位移 值有明显减小趋势， 如表 2所示。跨中位移差变化趋势图如 低温建筑技术 2 0 1 0年第 6 期( 总第 1 4 4 期) 图 1 所示。其中曲线 1表示未加钢板模型的最大位移减去 粘钢 5 0 m m宽模型的最大位移的差值 ； 曲线2表示未加钢板 模型的最大位移减去粘钢 1 5 0 mm宽模型最大位移的差值； 曲线 3表示粘钢5 0 m m宽模型最大位移减去粘钢 1 5 0 ra m宽 模型的最大位移的差值。 表 2 三种情 况下梁的最大位移值 日 吕 制 静 最大位移差变化趋势 - 、 ： | U 位移荷载 m m 图2最大位移差变化曲线 国 由图2中曲线可以看出， 在加载比较小的情况下， 三种 模型之间的变化值基本保持一致， 但当荷载较大时 ， 就明显 表现出来未加钢板梁的位移值和加钢板梁的位移值变化较 大， 而两种加钢板的变形较小， 基本趋近于零。 根据有限元的分析结果， 从中可以看到在三种模型在 有限元软件分析后， 粘钢 1 5 0 mm宽的钢筋混凝土梁的应力 值最大 ， 表明粘钢后的钢筋混凝土梁， 抗弯刚度得到增强， 所 以在相同的跨中荷载位移情况下， 所能承担的内力也相 应增大。计算最大应力值如表 3所示。梁的最大应力值之 差变化曲线如图3所示。其中曲线 1表示粘钢 5 0 mm宽模 型的最大应力减去未加钢板模型的最大应力的差值； 其 中 曲线 2表示粘钢 1 5 0 mm宽模型的最大应力减去未加钢板模 型的最大应力的差值 ； 其中曲线 3表示粘钢 1 5 0 m m宽模型 的最大应力减去粘钢 5 0 m m宽模型的最大应力的差值。 表 3 三种情况下梁的最大应 力值 N m m 从图 3中可以得到， 当荷载比较小时， 对梁的应力影响 不大； 当荷载较大时， 粘钢加固对钢筋混凝土梁应力增大的 就 比较明显， 说明粘钢加固后的钢笳混凝土梁在相同的位 移控制下比未加固梁的承载力有所提高。 在粘钢加固钢筋 混凝 土 梁以后 ， 梁 的位移 是逐 渐 减小 吕 昌 应力最大差值 曲线 ? ， O 50 1 0 O 1 5 0 加 位移荷载 m m 图3应力最大差值变化曲线 O 国 的， 而它所承受的应力是逐渐增大的， 这就表明， 粘钢加固 可以有效的控制梁的挠度， 而且对梁的承载力的提高也是 有很大帮助。 4结语 ( 1 ) 从计算结果中可以看出， 模型的参数选择得比较 适当， 那么A N S Y S有限元软件就可以真实地反映钢筋混凝 土梁和钢板共同工作 的受力性 能。 ( 2 ) 在粘钢加固钢筋混凝土梁时， 钢板的宽度和厚度 选择适当以及钢板与混凝土梁之间粘结可靠， 就可以有效 地控制梁的跨中变形， 减小梁的挠度 ， 而且对梁的结构高度 不会有较大的影响。 ( 3 ) 在相同位移荷载的情况下， 钢板宽度为 1 5 0 m m 的模型的应力数值最大， 跨中最大变形值最小， 可以得出， 钢板 的厚度或宽度越大 ， 它 的抗 弯刚度就越大 ， 从而可 以有 效地提高梁的承载力。 参 考文献 1 江见鲸， 王元清， 龚晓南， 崔京浩 建筑工程事故分析与处理 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 。 2 0 0 6 2 中国工程建设标准化协会标准( C E C S 2 5 ： 9 0 ) ， 混凝土结构加 固技术规范 S 3 郝文化， 叶裕明， 刘春山， 沈火明， 等 A N S Y S 土木工程应用实 例 M 北京： 中国水利水电出版社， 2 0 0 5 4 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s 5 竞宁， 顾慧娟 钢筋混凝上梁粘钢补强试验研究 J 工业建 筑 ， 1 9 9 1 ， 6 2 ( 2 )： 3 6 4 5 6 周灵源 ， 何广杰 粘钢加 固钢筋混凝土梁 的非线性有限元分析 J 四川建筑 ， 2 0 0 4 ， 2 4 ( 3 ) ： 7 7 7 吕西林 ， 金 国芳 ， 吴 晓涵 钢筋混凝土结构非线性有 限元 理论 分析与应用 M 上海 ： 同济大学出版社 ， 1 9 9 6 8 张字 ， 李思明 粘钢加固钢筋混凝土梁可靠性分析 J 湖南大 学学报 ， 2 0 0 5， 3 2 ( 6 ) ： l 1 1 4 9 王天稳， 王晓光 钢筋混凝土梁粘钢加固研究 J 武汉水利电 力大学学报 ， 1 9 9 6， 2 9 ( 2) ： 7 5 7 8 1 O J 叶英华， 刁波 钢筋混凝士结构非线性分析中的本构关系 J 哈尔滨建 筑大学学报 ， 1 9 9 5， ( 6 ) ： 7一l 2 1 1 董振祥 ， 颜得姐 用有 限元方法研 究钢筋混凝土 梁的非线性 性能 J 同济大学学报 ， 1 9 8 1 ， ( 4 ) ： 2 52 7 【 收稿 日期 2 0 1 0 0 1一l 8 作者简介 张贵文( 1 9 6 7 一) ， 女， 甘肃兰州人， 副教授， 硕士 生导师 ， 从事结构维修 与加 固研究。