基于ANSYS的梁底鋼板加固厚度對鋼板剝離影響的仿真分析

黃曉蘭

（四川職業技術學院，四川遂寧 629000）

基于ANSYS的梁底鋼板加固厚度對鋼板剝離影響的仿真分析

黃曉蘭

（四川職業技術學院，四川遂寧 629000）

本文根據粘鋼加固混凝土梁各種組成材料的布置特點，選用分離式模型，建立粘鋼加固梁的有限元模型,采用不同厚度的鋼板粘貼混凝土梁進行有限元仿真分析.分析結果顯示，相同外荷載作用下，鋼板厚度增加，界面剝離破壞荷載增加，當厚度超過一定值時，剝離破壞先于彎曲破壞，也就說在沒有充分發揮梁彎曲承載力的情況下，結構就發生了破壞了.

加固梁；鋼板；厚度；剝離；粘結應力

1 前言

目前，已建建筑物的混凝土梁采用鋼板進行加固是非常普遍的現象.但研究表明，梁底鋼板的剝離問題沒有得到實質性的解決，特別是鋼板厚度對剝離的影響[1].鋼材是一種非常昂貴的材料，使用的數量涉及到經濟效益，若鋼板太薄，達不到設計承載力，若鋼板太厚，一方面可能會導致剝離的加速，另一方面將造成浪費.因此必須研究鋼板厚度對鋼板剝離的影響.

由于實體模型要耗費大量人力、物力、財力，且實驗數據有離散性特點，故為了更加真實體現結構性質本文應用A N S Y S軟件，依據有限元原理，建立有限元模型模擬鋼板厚度對鋼板的剝離影響來進行分析.

2 有限元模型建立

2.1 力學模型

本文模擬兩根單跨簡支梁模型，編號為L01，L02，截面為100mm×200mm，長為1500mm，鋼板厚度分別為4mm、6mm.因只研究鋼板厚度對剝離的影響，故忽略鋼筋的作用，采用素混凝土梁.梁兩端簡支，對稱加載，兩根梁鋼板的粘貼位置和尺寸均相同，見圖1，力學性能見表1.

圖1 素混凝土梁加固模型圖

表1 材料的力學特性

2.2材料本構關系

(1)混凝土的本構關系[2]

受拉區混凝土采用線彈性模型.受壓區混凝土采用E.Hognestad建議的模型，其上升段為二次拋物線，下降段為斜直線，如圖2所示.

圖2 受壓區混凝土應力—應變圖

(2)鋼板的本構模型

鋼板本構關系采用圖3所示的曲線，假定在靜荷載下，受壓力鋼板的力學特性等同于受拉鋼板。

圖3 鋼筋應力—應變圖

(3)膠層的本構關系

膠層是非彈性材料，且各向異性，目前尚無成熟的本構關系，本文假定其為各向同性的線性材料，應力應變曲線見圖4.

圖4 粘結層應力—應變圖

2.3 有限元模型[3]

混凝土采用S OLI D65單元，鋼材和粘結層均采用S OLI D45單元，輸入相關參數，采用生死單元法，進行網格劃分，最后加載求解.模擬過程中，材料之間不會發生移動，且變形協調一致.

圖5 有限元梁的網格劃分圖

圖5是有限元梁的網格劃分圖.本文忽略彎曲裂縫的影響，并對模型進行兩個假定：一、假定兩個模型的裂縫位置相同；二、梁彎曲裂縫產生在集中荷載截面處.

3 有限元分析

經A N S Y S求解，對其過程和結果數據分析發現如下幾點內容：

（1）梁的中性軸，開裂后較開裂前有下移現場且其高度低于梁高的0.4倍，這符合S wamy[4]提倡的“中性軸高度不應大于0.4倍有效高度”的理論說明建立的有限元模型梁是合理的.

（2）根據表2的數據，本文比較了在同等荷載下，L01和L02的撓度和各材料應力值.數據顯示L01的撓度和混凝土最大壓應力大于L02，同時L01的界面混凝土主應力小于L02，這說明鋼板厚度對其有一定的影響，鋼板越厚，替混凝土分擔的荷載就越多.數據又顯示鋼板應力基本一致，這說明鋼板厚度對其影響甚微.根據表中數據可以得出，在相等的對稱荷載作用下，鋼板厚度從4mm至6mm，混凝土最大壓應力減少了5.6%，但是界面混凝土主應力卻增加了41.6%，故當鋼板過厚，鋼板貢獻給梁的抗彎承載力還沒充分發揮時，其貢獻給界面的混凝土主應力就已經發揮到了極致，從而使混凝土梁斷裂，鋼板產生剝離破壞.

（3）表3比較了L01和L02在開裂荷載、彎曲破壞荷載下界面混凝土主應力值，其中彎曲破壞荷載是根據荷載規范計算的[7].數據表面上顯示了鋼板厚度越大，開裂荷載和彎曲破壞荷載提高的越多但是對它們的比值作比較，可以看出，在加固梁的彎曲過程中，L02從開裂到破壞較L02提前了1.71%，這說明鋼板厚度增加，并不能延后混凝土的破壞，反而使其提前.同時，本文比較了兩個梁界面混凝土主應力與混凝土抗拉強度的比值，結果顯而易見，L02較L01提前了4.96%，由此說明，隨著鋼板厚度的增加，剝離破壞出現得越早.

表2 同等荷載下的數值比較

表3 開裂荷載下的數值比較

（4）為進一步分析鋼板厚度對鋼板剝離的影響，表4比較了兩根梁剝離破壞荷載值和彎曲破壞荷載值.數據表面上顯示鋼板越厚，對于界面剝離破壞荷載和彎曲破壞荷載，L02比L01提高的要多，且彎曲破壞越難達到.然而進一步對其比值進行比較，發現L02較L01低20%左右，這說明鋼板越厚對界面的剝離破壞影響越大.

表4 剝離破壞荷載下的數值比較

表4中顯示，兩根梁的剝離荷載均小于彎曲破壞荷載，這與實際工程有所區別，實際中應該避免.由于模型假設了裂縫的位置，且所取的界面混凝土抗拉強度偏低，故實際界面剝離荷載大于模擬值[6].

緊接著以上研究，接下來變換下模型參數，結果顯示若將鋼板截面積與混凝土截面積相匹配，當鋼板厚度為4mm時，加固梁的剝離破壞荷載大于或等于彎曲破壞荷載，若鋼板厚度繼續增加時，剝離破壞就會先于彎曲破壞.

4.結論

綜上所述，鋼板厚度直接影響著粘鋼法的加固效果，鋼板過厚，可能造成沒有達到彎曲承載力，鋼板就發生了剝離破壞.本文建議將4mm作為鋼板的限制厚度，考慮實際工程，粘鋼法中鋼板加固厚度以2-4mm為宜.

[1]D eric J ohnOehlers.混凝土結構粘結技術新進展[G].北京：中國水利水電出版社，1999：47-54.

[2]何政,歐進萍.鋼筋混凝土雙向壓彎構件非線性靜力分析及參數影響[J].哈爾濱建筑大學學報，2000,33（4）：1-6.

[3]張朝暉.A N S Y S12.0結構分析工程應用實例解析[M].北京：機械工業出版社,2010.

[4]R.N.S wamy，R.J ones，J.W.B lo x ham.粘鋼加固鋼筋混凝土梁的結構性能//混凝土結構粘結技術新進展[G].北京：中國水利水電出版社，1999：73-87.

[5]中國工程建設協會.混凝土結構加固技術規范（CEC S25: 90）[S].北京：中國計劃出版社，1992.

[6]鮑安紅.粘鋼加固鋼筋混凝土梁的剝離研究[D].重慶：重慶大學，2005.

責任編輯：張隆輝

TU37

A

1672-2094(2013)03-0154-0：

2013-05-06

黃曉蘭（1967-），女，四川遂寧人，四川職業技術學院建筑與環境工程系副教授，主要從事混凝土結構教學工作.