钢绞线-聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁抗剪承载力试验研究及数值模拟分析.pdf

第 3 6卷第 1 期 2 0 1 0年 2月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 71 钢绞线一聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁抗剪承载力 试验研究及数值模拟分析 赵赤云 ， 陈亚静 ， 黄世敏 ， 姚秋来 ( 1 北京建筑工程学院土木与交通工程学院， 北京1 0 0 0 4 4 ； 2 中国建筑研究院工程抗震研究所， 北京1 0 0 0 1 3 ) 摘要： 采用有限元软件 A N S Y S对钢绞线一聚合物砂浆加 固的钢筋混凝土梁抗剪承载力性能进行了数值分析， 并将 A N S Y S 分析的结果与试验结果进行对比表明， 纵筋和箍筋的应变与试验结果吻合较好， 但钢绞线的应变二者有一些差别。分析原因 是， 因为目前还没有很好的测量钢绞线应变的方法， 试验过程中存在一定误差。用钢绞线一聚合物砂浆加固的混凝土梁在箍 筋屈服后 ， 仍然有一定的受荷余量， 可一直持续到梁破坏， 表明钢绞线加固后， 延缓了钢筋混凝土梁的剪切脆性破坏。加固后 的钢筋混凝土梁， 能明显提高抗剪承载力， 可延缓裂缝的出现和发展， 裂缝呈细密且杂乱状； 而未加固对比构件的裂缝较宽且 有规律性； 但有限元软件分析的梁裂缝不是很明显。本文的试验与有限元分析结果对钢绞线一聚合物砂浆加 固钢筋混凝土 梁的研究具有一定的参考价值。 关键词： 钢绞线网片； 聚合物砂浆； 加固； 钢筋混凝土梁； 有限元法 中图分类号 ： T U 3 7 5 1 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 7 1 0 5 S h e a r i n g b e a r i n g c a p a c i t y e x p e r i me n t a l r e s e a r c h a n d n u me r i c a l a n a l y s i s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h s t e e l wi r e me s h- c o mp o s i t e m or t a r Z H A O C h i y u n ， C H E N Y a j i n g ， HU A NG S h i m i n ， Y A O Q i u l a i ( 1 B e r i n g U n i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， B e O i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ； 2 I n s t i t u t e o f E a r t h q u a k e E n gi n e e r i n g ， C h i n a A c a d e m y o f B u i l d i n g R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e s h e a ri n g b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e r e i n f o rce d c o n c r e t e b e a ms s t r e n g t h e n e d wi t h s t e e l wi r e me s h c o mp o s i t e mo rt a r are s t u d i e d b y u s i n g t h e f i n i t e e l e me n t s o f t wa r e ANS YS T h e ANS YS a n a l y s i s r e s u l t s a r e c o mp a r e d wit h t h e d a t a o f t h e e x p e r i me n t a l res e a r c h T h e l o n gi t u d i n a l t e n d o n s t r a i n a n d t h e s t i r r u p s h a s a g o o d a g r e e me n t w i t h t h e t e s t r e s u l t s ， b u t t h e s t e e l wire m e s h h a s s o m e d i f f e r e n c e i s b e c a u s e the r e h a s n o g o o d wa y o f me asu ri n g t h e s t r ain o f t h e s t e e l wi r e me s h， t h e r e a r e s o me p i l o t e r r o r i n t h e c o u rse o f the e x p e r i me n t RC b e a ms s t r e n gth e n e d wit h s t e e l wir e me s h c o mp o s i t e mo r t a r s t i l l h a v e a l o t o f c a p a c i t y o f b e a ri n g l o a d s a f t e r t h e s t i r r u p s t e e l h a s y i e l d， c a n c o n t i n u e d i t s e ff e c t u n t i l t h e b e am W as u n d e r mi n e d， s u g g e s t t h a t wi t h s t e e l wi re me s h s e n g t h e n e d， the RC b e a m S s h e ar b r i t t l e f a i l u r e c a l l b e d e l a y e d A n d C an i n c r e a s e t h e s h e a r s t r e n gth o f t h e RC b e a ms ， c o uld d e l a y t h e d e v e l o p me n t o f c r a c k s a n d c r a c k， a n d t h e c r a c k W as me t i c ulo u s and me s s ； i n c o n t r a s t ， t h e c r a c k o f t h e u n s t r e n gth e n e d c o mp a red b e a m are mu c h mo r e w i d e a n d r e a r ； b u t t h e fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e c r a c k s i n t h e b e a m i s n o t v e r y o b v i o u s Th e f i n i t e e l e m e n t a n al y s i s a n d t e s t r e s u l t s o n t h e res e arc h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e am s s t ren gth e n e d w i t h s t e e l w i r e me s h c o mp o s i t e mo r t a r h a s a c e rt a i n r e f e r e n c e v a l u e Ke y wo r d s： s t e e l wir e me s h； c o mp o s i t e mo rta r ； s t r e n gth e n i n g ； r e i nfo r c e d c o n c r e t e b e a m； fi n i t e e l e me n t me t h o d - _- U 刖 昌 钢绞线一聚合物砂浆复合面层加固方法作为一 种新兴的加 固方法 ， 相对于传统 的加固方法 ， 如加大 截面法、 粘钢或包钢法、 粘贴碳纤维法、 夹板墙法、 阻 收稿 日期 ： 2 0 0 8 - 0 7 -07 作者简介： 赵赤云 ( 1 9 6 8 一)， 女 ， 河北张家 口 人， 博士， 副教授， 主要 从事土木工程教学及结构工程研究。 E m a i l ： z h a o c y b u c e a c o n c n 尼器法等 ， 该方法具有以下一些显著的优点 。 ( 1 ) 确保 加固结构与原结构 的有效粘结 、 共 同 工作。 ( 2 ) 施工简便， 不需要大型施工机械和施工模 板 。 ( 3 ) 具有很好 的耐久、 耐高温和防火性能 。 ( 4 ) 结构 自重增 加较小 ， 对基 础承载力影响不 大 。 ( 5 ) 对建筑物外观和功能无影响。 ( 6 ) 对施工及使用环境无污染。 7 2 四川建筑科学研究 第 3 6卷 聚合物砂浆是 一种无机材料 ， 具有耐火 、 耐锈 蚀、 耐久性好、 粘结性能好 、 无毒性等优点 ， 是一种绿 色环保材料。 1 试验 介绍 1 1 试验 目的 为了研究采用高强钢绞线一聚合物砂浆对钢筋 混凝土梁进行抗剪加 固的效果 ， 将混凝土梁设计成 抗弯承载力远大于其抗剪 承载力 ， 使梁最终的破坏 形式为剪切破坏。因此 ， 试验中， 混凝土梁配置了较 多的纵向受拉钢筋和较少 的抗剪箍筋。为 了合理地 模拟实际工程中的楼盖梁 、 桥梁等梁与板现浇情况 ， 试验在梁底和梁两侧进行加固， 加固层为 U形。 1 2 试验所用材料及有关参数 试验共设计 了 3根钢筋混凝土梁 ， 梁截面尺寸 为 2 0 0 m m3 0 0 mm， 长 2 3 0 0 m m， 净跨 2 1 0 0 mm。 梁底纵 筋采 用 3 2 5 HR B 3 3 5钢 筋 ， 梁顶 纵筋 采用 2 1 8 H R B 3 3 5钢筋 ， 箍筋为 HP B 2 3 5 4 , 6 1 0 0钢筋。 混凝土强度等级为 C 2 0 ， 保 护层厚度为 2 5 mm。其 中 B S 一 1为未加固的对 比试件 ， B S - 2B S 3采用钢 绞线一聚合物砂 浆进行 U形加 固。聚合物砂浆 面 层厚度为 2 5 mm。高 强钢 绞线 的规 格为 67+ I WS ， 网片为 3 O 5 3 0 ， 钢 丝公称抗拉 强度 1 8 7 0 M P a ( 极限抗拉强度为 1 6 5 0 M P a ) ， 弹性模量为 1 3 4 1 0 MP a 。聚合物砂浆 的抗 压强度为 2 4 MP a ， 抗 拉强度为 4 8 M P a 。B S 1B S - 2的剪跨 比为 1 8 7 ， B S 一 3的剪跨 比为 2 2 8 。截面形状 、 配筋和加载如图 1所示 。 图1 抗剪加固梁截面尺寸和加载 F i g 1 De Vi l s o f s t r e n g t h e n e d RC b e a ms 1 3 加载装置及试验测量内容和方法 ( 1 ) 加载装置如图 2所示 。 图 2加 载 装 置 Fi g 2 Lo ad i n g e qu i pme nt ( 2 ) 试验测量的内容有： 加载值、 钢筋应变、 混 凝土( 砂 浆 ) 应变、 支 座位移 、 跨 中位移、 加载点 位 移 、 加 固层钢绞线伸长量等。 ( 3 ) 试件梁的测点布置如 图 35所示 。各点 的测量 内容和方法见表 1 。 图 3 钢筋测点布置示意 Fi g 3 Ske t c h of s t e e l ba r me as ur e d poi nt s l ay o ut i n be ams 图4 混凝土梁侧面测点布置示意 Fi g 4 Sk e t c h o f di s pl a c e me nt a nd c onc r e t e m e as ur e d po i nts l a yo ut i n be a m s 图5 钢绞线测点布置示意 Fi g 5 S k e t c h of s t e e l wi r e me s h me a s u r e d p o i n t s l ay o uti n be ams 加 磋 2 0 1 0 N 。 1 赵赤云， 等： 钢绞线一聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁抗剪承载力试验研究及数值模拟分析 7 3 表 1 试验测点与测量 内容对应 Ta b l e 1 M e a s u r e me n t p o i n t s a n d c o r r e s p o n d i n g t e s t c o nt e nt s 2试验结果 2 1 构件承载力 提 高结构构件 的承载力是加 固的主要 目的之 一 ，钢绞线一聚合物砂浆加固混凝土构件相当于对 其体外 配筋 。试 验 中， B S 1梁 的 抗 剪 承 载 力 为 2 7 5 2 4 k N ， B S - 2梁 的抗剪 承载力 为 4 3 2 3 6 k N ， B S - 3梁的抗剪承载力为 4 1 5 4 5 k N 。可见 ， B S 一 2梁 的试验抗剪承载力比 B S 一 1 提高了 5 7 。 2 2挠度分析 跨中挠度 对 比如 图 6所 示。从 图 6中可 以看 出， 加固试件在给定荷载下， B S - 2的跨中挠度值比 对 比构件 B S 1的跨中挠度有所减小 ， 曲线斜率有不 同程度的增大， 可见， 试件的抗弯刚度得到了提高。 B S - 3由于最终 破坏具有弯剪破坏现象 ， 所 以， 后半 部分 的挠度值 比 B S 一 1 小。 图 6 跨 中荷载一挠度 曲线 Fi g 6 Lo a d d e fl e c t i o n c u r v e o f mi d s p a n p o i n t o f RC be am s 3 A NS Y S有 限元分析 3 1 有限元模型建立与求解 假定钢绞线与聚合物砂浆、 混凝土与聚合物砂 浆粘结 良好 ， 相对之 间无滑移。采 用分离式有限元 模型进行模拟， 混凝土与聚合物砂浆采用 S o l i d 6 5单 元， 钢筋和钢绞线采用 L i n k 8空间杆单元。混凝土 和砂浆的模型如图 7 所示， 钢筋和钢绞线的模型如 图 8所示。 混凝土和聚合物砂浆泊松比取 0 2 ， 混凝土单 轴受拉的应力一应变关系曲线按照文献 4 中附录 c 2内容进行取值； 砂浆的单轴受拉应力一应变关 系近似取与混凝土相同 ， 如图9所示 。 图7混凝土和砂浆模型 F i g 7 Co n c r e t e a n d p o l y m e r m o t a r m e s h e l e m e nt s 图8钢筋和钢绞线模型 Fi g 8 St e el and s t e el wi r e m e s h el e men t s 钢筋和钢绞线均采用双线性随动强化 ( B K I N) 本构模型 ， 屈服条件均为 V o nM i s e s 准则 ， 泊松 比 均取 0 3 。其应力一应变曲线如图 l O所示 。 E PS 图9 混凝土与砂浆 - s 曲线示意( 左) Fi g9 Ske t c h of c onc r e t e a nd mo r t a r O - C c u r v e ( 1 e f t ) S 图1 0 钢筋与钢绞线 曲线 示意( 右) Fi g 1 0 Ske t c h of s t e e l and s t ee l wi r e m e s h 一 c u r v e ( r i g h t ) 边界条件 ： 约束所有结点 z轴方 向的位移 ， 约 束左边支座结点的 轴和 】 ， 轴方 向的位移 ， 约束右 边支座结 点 的 l ， 轴方 向的位移 ( 沿梁长 方 向为 轴 ， 梁高度方向为 】 ， 轴 ， 宽度方向为 z轴) 。 收敛准则 ： 非线性分析采用位移收敛准则 。 3 2 A N S Y S计算结果与试验结果的对比 3 2 1 梁裂缝情况 从试验过程可以看 出， 加 固试件 比对 比构件的 开裂荷载提高 了， 加固构件与对 比试件相 比， 裂缝宽 度和间距都有减小 ， 加固后试件 的裂缝形态与未加 固构 件相 比呈 “ 细而 密 ” 且 “ 杂 乱 ” 的状 态。B S 一 1 梁、 B S - 2梁均在剪跨区剪切破坏， 因 B s 一 3梁剪跨比 较大， 其最后 的破坏形式为弯剪型( 但不是很典 型) 。试验 中， 梁的破坏 和 A N S Y S分析 的梁破坏如 图 1 11 6所示 。 图1 1试验B S 1 破坏 Fi g 11 Te s t f a ilur e ofBS- 1 一 图1 3试验BS 2 破坏 F i g 1 3 T e s t f a i l u r e o f BS - 2 图1 2 ANS YS B S 1 破坏 ri g 1 2 Cr ac ks o fBS - 1 i n ANSYS 图1 4 A NS YS B S 2 破坏 Fi g 1 4 Cr a c k s o f BS 一 2 in ANS YS 7 4 四川建筑科学研究 第 3 6卷 图1 5试验BS 3 破坏 Fi g 1 5 T e s t f a i l u r e o f BS 一 3 图1 6 A NS YS B S 一 3 破坏 Fi g 1 6 Cr a c k s o f BS 一 3 i n ANS YS 3 2 2粱底 纵 筋 用 A N S Y S 计算的梁底纵筋应变与试验测得 的 钢筋应变对 比情况分别见表 2 ， 3 。纵筋应变对 比如 图 1 7 ， 1 8所示。 表 2 B S - 2纵筋应变对 比 Ta bl e 2 Co m p ar i s on o f BS- 2 s t r ai as of l on gi t ud i nal s t e e l ba r 注 ： 表中 s = E， E为 HR B 3 3 5钢 筋的弹性模量 2 0 0 k N mm 2 ( 表 3 同) 。 表 3 B S - 3纵筋应变对比 Ta bl e 3 Co mpar i s on o f BS- 3 s t r ai n s of l o ngi t ud i na l s t e e l ba r 2 U 摇 1 6 0 0 1 20 0 8 0 0 40 0 O 4 0 l 2 0 2 0 0 28 0 荷载 k N 图1 7 B S 2 纵筋应变对比 Fi g 1 7 Co mpa r i s o n of BS 一 2 s t r a i n s o f l o ngi t udi na l s t e e l bar 一 2 5 0 0 0 2 0 0 0 1 5 0 0 髫 l 0 0 0 握5 0 0 0 3 0 9 0 1 5 O 2 l 0 27 0 33 0 39 0 荷载 k N 图1 8 BS 。 3 纵筋应变对 比 Fi g 1 8 Co m par i s on o f BS一 3 s t r a i ns o f l o ng i t udi nal s t e e l ba r 由表 2 ， 3以及图 1 7 ， 1 8可 以看出， 用 A N S Y S分 析的结果 比试验结果偏小 ， 是因为用有限元软件分 析时 ， 材料无缺陷 ， 各种情况趋于理想所致。 3 2 3箍 筋应 变 用 A N S Y S计算的箍筋应变与试验测得的箍筋 应变对 比见表 4， 表 5 ， 表 6 。箍筋应变对 比如 图 1 9 2 1所示 。 表 4 B S 1箍筋应变 对比 Ta b l e 4 Co p a r i s o n o f BS - 1 s t i r r u ps s t r a i ns 注 ： 表 中 cr E， E为 H R B 3 3 5钢筋 的弹性模量 2 1 0 k N m m ( 表 5 ， 6同) 。 表 5 B S - 2箍筋应变对 比 Ta b l e 5 Co m p a r i s o n o f BS - 2 s t i r r u p s s t r a i n s 表 6 B S - 3箍筋应变对 比 Ta bl e 6 Compa r i s o n o f BS- 3 sti r r up s s t r a i n s 从表 46及 图 1 92 1可以看出 ， A N S Y S分析 的箍筋应变与试验测得的箍筋应变吻合较好。值得 一 提的是， 对 B S 3梁 ， 当荷载为 3 4 5 8 k N时， A N S Y S 分析的箍筋应力达到最大 0 2 3 5 k N m m ， 试验所测 2 0 1 0 N o 1 赵赤云， 等： 钢绞线一聚合物砂浆加固钢筋混凝土梁抗剪承载力试验研究及数值模拟分析 7 5 3 0 9 0 1 5 0 21 0 2 7 0 3 30 荷载 k N 图 1 9 BS 1 箍筋应变对比 Fi g 1 9 Co mp a r i s o n o f BS 一 1 s tir r ups s t r ai ns 3O 9 O l 5 O 21 O 2 70 3 3 0 3 9 0 荷载 k N 图2 1 B S 3 箍筋应变对比 Fi g 2 1 Co mp a r i s o n o f BS - 3 s tir r u p s s t r a i n s 40 1 2 O 20 0 28 0 3 60 荷载 ， k N 图2 0 BS 2 箍筋应变对 比 F i g 2 0 Co m p a r i s o n o f BS - 2 s tirr u ps s t r a i ns 3 00 0 2 00 0 1 0 0 0 曜 4 0 1 2 0 2 0 0 28 0 36 0 荷载， k N 图2 2 BS 2 钢绞线应变 F i g 2 2 Co m p a r i s o n o f BS 一 2 s t e e l wi r e s t ra i ns 的箍筋也 已经屈 服， 所 以， 图 2 1中代 表试验测得 的 箍筋应变曲线在最后一段是下降的， 就是这个原因。 说 明两者的分析是一致 的。 3 2 4钢 绞 线应 变 用 A N S Y S计算的钢绞线应 变与试验求 得的钢 绞线应变对 比情况见表 7 ， 8 。钢绞线应变对 比如图 2 2 ， 2 3所 示 。 表 7 B S - 2钢绞线应 变 Ta b l e 7 Co m p a r i s o n o f BS - 2 s t e e l wi r e s t r a i n s 注： 表中 o - E ， E为钢绞线的弹性模量 1 3 4 k N m m ( 表8同) 。 从表 7 ， 8和图 2 2 ， 2 3可 以看出 ， AN A Y S求 出的 钢绞线应 变与试验测得 的钢绞线 应变 当荷 载较小 时， 差距很大， 当荷载较大时， 差距趋于稳定。可能 的原因有试验时不 能直接测钢绞线应 变， 是从测点 钢绞线平行引出足够 刚度 的钢筋 ， 然后用导距仪测 钢筋的伸长量( 理想情况， 理论上等于钢绞线伸长 量) 来间接测钢绞线伸长量( 测量方法见 图 2 4 ) 。这 必然给试验结果带来一定的误 差 ， 因 目前还 没有很 好 的测钢绞线应变的方法 ， 所 以， 此数据仅供参考。 3 0 90 1 5 0 21 0 2 7 0 33 0 3 9 0 荷载 k N 图2 3 B S 3 钢绞线应变 Fi g 2 3 Co mp a r i s o n o f BS - 3 s t e e l wi r e s t r a i ns 图2 4导距仪测钢绞线位移 Fi g 2 4 El o n g a t i o n o f s t e e l wi r et e s t e db y e qui pme nt 通过表 28 ， 图 72 3 ， A N S Y S分析与试验测 得的梁底纵筋应 变、 箍筋应变 以及钢绞线应变数据 对 比情况可 以看 出， 两者 的数据除在钢绞线应变上 有差别外 ， 其他的数据结果吻合还是很好的。 4结论 ( 1 ) 试验表 明， 用 钢绞线一聚合物砂浆对钢筋 混凝土梁进行 U形加固， 可以明显提高梁 的抗剪承 载力 。加 固后 ， 构件 ( B S 2 ) 的抗剪承载力 比未加 固 构件的承载力提高了 5 7 。 ( 2 ) 采用钢绞线一聚合物砂浆加固钢筋混凝土 梁可以延缓裂缝 的出现和发展 。加固后 ， 梁的裂缝 呈“ 细而密” 且杂乱无规则的状态 ； 用有 限元软件分 析的梁裂缝不是很明显。 ( 3 ) B S 一 1 梁和 B S - 2梁的破坏形式为剪切破坏 ， 因 B S - 3梁的剪跨 比较大 ， 其最终破坏形式呈弯剪破 坏趋势。 ( 4 ) 用有 限元软件分析的结果与试验结果吻合 良好。 表 B s 。 3钢绞 线应 变 o fTa b l e 8 Co mp a r i o n o f BS - 3 s t r e e l wi r e s t r a i n s 参 考 文 献： 。 1 聂建 国， 等 高强不锈钢绞线 网一渗透性 聚合砂浆抗剪加 固的 试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 ( 2 ) ： 1 O 一 1 4 2 良桃 ， 王月红 ， 尚守平 复合砂浆钢筋加固抗弯 R C梁 的非 线 性分析 J 工程力 学 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 9 ) ： 1 2 5 - 1 3 0 3 尚守平， 曾令宏， 彭晖 钢丝网复合砂浆加固混凝土受弯构 件非线性分析 J 工程力学， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 3 ) ： 1 1 8 1 2 5 4 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2混凝土结构设计规范 s 5 刘伯权， 邢国华， 等 钢绞线网一聚合砂浆加固钢筋混凝土 T 梁试验研究及有限元分析 J 西安建筑 科技大学 学报 (自然 科学版 ) ， 2 0 0 6 ， 3 8 ( 5) ： 6 0 3 - 6 0 8 6 h 良桃， 岳峰， 程露敏 钢筋网复合砂浆加固混凝土梁的裂 缝和刚度计算 J 沈 阳建 筑 大学学 报 (自然科 学版 )， 2 0 0 7 ， 2 3 ( 1 ) ： 5 2 - 5 6