加大截面法加固受彎構件的方法及其受力性能研究

戴俊偉

(福建省建筑科學研究院 福建福州 350000)

引 言

隨著社會經濟的發展和人民生活水平的改善，既有建筑的面積和使用功能已不能滿足新的要求，為了擴大建筑面積，改善其使用功能，在節省經費、縮短工期、避免繁瑣程序的情況下，對既有建筑結構進行改造和加固處理[1]。在工程應用中，通過加大截面加固受彎構件來改變結構的整體受力，形成新的構件。然而加大截面加固鋼筋混凝土受彎構件在改造中連接方法及其抗震性能研究具有重要的理論研究意義和工程應用價值。

針對目前加大截面法加固鋼筋混凝土受彎構件的理論研究與工程應用中急待解決的技術難題，本文主要研究改進的加大截面法加固受彎構件的受力性能研究?？紤]不同的構造植筋布置設計并制作多個加固試件，通過靜力加載試驗和數值模擬分析，研究改進的加大截面法加固鋼筋混凝土梁的受力及變形性能，分析不同的植筋布置方式對受彎構件的受力性能的影響，以及新、舊混凝土結合面的工作性能。

1 試驗概況

1.1 加大截面加固受彎構件的設計

本課題研究某多層鋼筋框架樓蓋梁為研究對象，考慮樓面荷載的增加，對原框架梁采用加大截面法進行加固處理，用U型筋焊縫舊梁箍筋，并采用植筋技術植入舊梁結構中，此后二次澆注梁混凝土，形成試驗試件。原梁混凝土強度等級為C30，新澆混凝土強度等級為C40;舊混凝土試件和新增的試件鋼筋等級和箍筋鋼筋等級分別為HRB335和HPB300級鋼筋;試件箍筋、U型筋均采用6(HPB300)，加固改造試件采用植筋14(HRB335);本試驗選取與原型結構相同的材料，根據結構實驗室設備及加載裝置條件的限制，對原有結構不能按實際來進行試驗，因此，本課題試驗試件取模型比例C=0.5。取模型比之后梁的截面尺寸b×h=180mm×250mm(寬×高)，梁長l=2550mm，加大截面法加固改造試件取下部增高尺寸△h=100mm。加固后試件尺寸l×b×h=2550mm×180mm×350mm。加固改造試件采用U型筋連接方式，與原箍筋采用單面焊接，焊接長度為10d(d為箍筋直徑)。試驗原梁試件為一次性整澆矩形截面梁，試件尺寸為l×b×h=2550mm×180mm×350mm。

根據本試驗的研究內容及對比分析的需要，共設計兩組系列四種試件:第一組試件為一組試件為原梁試件(YSJ－1)，按實際的配筋制作一個試件，另一組試件為加固改造試件(JSJ－1、JSJ－2、JSJ－3)，按實際的配筋共制作3個試件，根據試驗的需要研究的問題，分別采取不同位置的植筋布置方式。不同的植筋布置方式如(表1)。各試件的配筋詳(圖1、圖2)。

表1 試件類型

圖2 加固試件(JSJ－1、JSJ－2、JSJ－3)配筋圖

1.2 試驗加載裝置及加載方法

(1)試驗加載裝置

試件采用單調靜力加載方案，試驗所需的設備采用分配梁液壓加載系統進行加載，試驗荷載取值為標準荷載，加載采用三分點加載[2]。實際加載裝置由鋼結構自平衡式荷載梁及鋼墩、支座、鋼制荷載分配梁，以及液壓油泵和液壓加載器等組成(圖3)。

圖3 試驗加載裝置

(2)試驗加載制度

本試驗采用分級加載制度，加載采用荷載及位移控制方式。試驗正式加載前先進行預加載。預加載目的是為了檢查試件安裝是否可靠、試驗中應變片與導線的連接是否接觸良好、試驗中的函數儀及應變儀是否連接良好。故試件在外部荷載作用下，需要對試件進行預加載，預加載的取值一般是開裂荷載的50%左右。試驗中，一次性整澆梁(原梁試件)預加載荷載取9.8KN，加固改造試件預加載荷載取10.55kN。

正式加載:使用液壓加載系統對結構試件進行加載，逐步對結構試件進行加載，起初加載按荷載控制，待試件屈服后，按位移控制加載，直至試件宣告破壞為止，停止加載。在試驗加載過程中，同時記錄相應所需要的數據，并觀察試驗數據的變化和裂縫發展的情況。

2 試件的受力變形性能分析

試驗過程繪制各試件的P(荷載)—Δ(變形)關系曲線見(圖4)，各試件的開裂荷載、屈服荷載及極限荷載如下(表2)所示。

(1)第一組試件的受力變形特征分析

原梁試件(YSJ－1)是一次性整澆的試件，在第一級加載時，荷載和變形關系曲線開始基本上是線性變化的，未發現任何可見的裂縫。隨著荷載的不斷增大，荷載和變形關系曲線顯非線性變化，曲線的斜率不斷的減小。隨著荷載的增加，荷載與變形曲線出現了拐點，表明試件已經開裂了。裂縫最先出現在梁跨中下部且向上部不斷的延伸，隨著荷載增大，裂縫延伸及寬度不斷的擴展。當試件加載到屈服時，荷載和變形曲線圖又顯示的明顯的拐點，說明試件開始屈服了。隨著荷載的不斷加大，曲線略有點下降，直至試件宣告破壞。從荷載變形曲線中可知，試件是屬于延性破話，且破壞特征都滿足鋼筋混凝土梁工作受力三個階段:開裂、屈服、破壞等三個階段[3]。

圖4 P(荷載)－Δ(變形)關系曲線圖

表2 各個試件的開裂荷載、屈服荷載及極限荷載

(2)第二組試件的受力變形特征分析

加固試件(JSJ－1)、加固試件(JSJ－2)、加固試件(JSJ－3)三個試件，在第一級加載時都未出現裂縫，試件基本上都是線性變化的。隨著荷載的不斷增加，荷載和變形曲線的關系顯非線性變化，曲線的斜率就不斷的減小。隨著荷載繼續的增加，加固改造的三個試件都出現明顯的拐點，說明時間也開始開裂了，裂縫最先出現在梁跨中底部且向上不斷的延伸，隨著荷載的不斷增大，跨中裂縫也有所延伸及寬度擴展。當加固改造試件到達屈服時，三個試件也都出現了明顯的拐點，說明時間已經開始屈服了。屈服后的試件各個縱向受力鋼筋的應變的變化不是很大，呈平穩的增大。隨著荷載不斷增大直至試件宣告破壞，曲線的顯示略有點下降。試件整個過程中出現了開裂、屈服及破壞三階段。

綜上所述，由試件試驗的變形荷載曲線可以得出以下結論:

(1)四個試件從開始加載到破壞階段都經歷彈性階段、彈塑性階段及破壞階段，試件都屬于延性破壞。

(2)四個試件裂縫發展情況均相似，且裂縫出現均在梁跨中。隨著荷載不斷增加，跨中底部裂縫不斷向上延伸及擴展，直至試件宣告破壞，裂縫最大寬度出現在梁跨中底部。

(3)四個試件中，加固改造試件3(JSJ－3)荷載曲線與一次性整澆原梁試件(YSJ－1)相似，荷載與變形曲線的變化規律也較為相似，極限荷載也較為接近。說明雙排植筋的布置使得新、舊混凝土加固試件的結合面協同工作較好。

(4)加固試件1(JSJ－1)與加固試件2(JSJ－2)變化曲線較為相似，說明植筋在結合面的布置的單排和折線排放相差不多。

3 有限元計算模型建立

(1)計算模型的選取

本課題的鋼筋混凝土構件采用分離式模型，就是將鋼筋材料混和凝土材料分別采用不同的單元。因為試驗試件中混凝土內有鋼筋，因此要選用Solid65單元對舊梁和新增梁模進行建模，選用LINK8單元對縱向鋼筋、箍筋和植筋鋼筋進行建模，在新、舊梁之間的結合面采用Conta174單元和Targe170單元進行建模[4]。

(2)模型網格劃分

在有限元分析中，模型網格劃分大小影響著計算的精度及收斂性。若網格劃分太小，不僅會延長模型的計算時間，而且也會導致應力集中其計算結果不收斂;若網格劃分太大，會造成不同單元間位移難以協調，從而影響計算結果精確度。本課題試件網格劃分如(圖5)所示。

圖5 試件網格劃分

(3)邊界條件和加載制度

①位移約束

在有限元研究分析時，首先需要對模型設定位移條件，然后對位移施加約束。在試件底部兩端距梁端75㎜處的進行豎直方向和水平方向的約束，再對梁頂三分點處施加約束，模擬試件與試驗試件的約束位置一致。

②荷載

ANSYS分析過程中，通常采用分步來進行荷載施加，但這樣的計算方法結果不精確，所以本課題采用位移控制的方式加載。

③求解

ANSYS求解過程中，設置許多線性方程之后，利用求解器作用在試件之上然后記入荷載進行計算求解。

4 有限元計算結果分析

4.1 混凝土應力分析

在四個試件中其混凝土受力情況及應力分布都非常相似，因此取模型YSJ－1和JSJ－3進行研究分析。隨著荷載的不斷增大，新舊混凝土結合面處的應力變化與實驗的結果基本上相同。其YSJ－1混凝土等效應力云圖如(圖6)、位移圖如(圖7)及JSJ－3混凝土等效應力云圖如(圖8)、位移圖如(圖9)。

圖6 模型YSJ－1在Y方向的位移圖

圖7 模型YSJ－1的應力云圖

圖8 模型JSJ－3在Y方向的位移圖

圖9 模型JSJ－3的應力云圖

由以上(圖5～圖8)等效應力圖和位移圖可知:對試件模型進行加載時，新舊混凝土結合面兩端處的出現最大應力區域，隨著荷載的提高，新舊混凝土結合面的受力情況與試驗數據結構及破壞情況相同，也與實際試驗情況也相同，所以試件受力機理符合試件原先設計的和最后實際試驗的結果相符。

4.2 荷載與變形曲線分析

從(圖10)中可以看出，試件數值模擬中荷載—位移關系曲線與實驗中荷載—位移曲線基本上較為吻合，表明試件在數值模擬中破壞特征跟實際實驗的結果較為相似，都是經歷三個階段:開裂、屈服、破壞。由于混凝土的材料及澆注等過程中，有不定性的因素影響，使得實驗值與模擬值有一點的變化。然而模擬值時根據試驗的設計、混凝土材料、鋼筋的類型及排放位置等參數確定好進行加載模擬，而實際試驗中混凝土由于養護環境、水灰比影響混凝土強度、混凝土的澆注不均勻等因素，從而實驗值相對較小于數值模擬值。綜上所述，由于試件構件的設計，澆注混凝土質量等符合實際的工程，反映的是現實問題，而數值模擬是根據設計等參數而進行數值模擬實驗，無法反映出真實問題。

四個模型由數值模擬所得極限荷載值與試驗所得極限荷載值相差很小(表3)。尤其是JSJ－2荷載與位移曲線，兩者幾乎是相同的。數值模擬值相對較高一點，表明數值模擬的數據與實際試驗基本上是相符合的。

(1)試件模型的受力性能與試驗中的試件受力機理結果基本上相符合，保持一致。

(2)數值模擬中的極限荷載要大于試驗中的極限荷載，整澆試件的承載力大于加固改造的試件，試件JSJ－3承載力要大于試件JSJ－1、JSJ－2，說明“梅花形”植筋布置提高承載力比較明顯。

(3)四個模型試件都是延性破壞的，植筋布置不同方式，其承載力也有所差別，這也與試驗的結果較吻合。

5 結論

表3 試件的極限荷載模擬值與試驗極限荷載值

本文通過分析加大截面法加固受彎構件的受力特點及新、舊混凝土結合面的粘結機理，提出在結合面進行人工鑿毛處理及增設構造植筋的方法來提高新、舊混凝土結合面的粘結力。據此，設計制作了兩組4個試件，通過結構靜載試驗，測定了各試件的受力及變形參數，通過分析試驗數據，提出了加大截面法加固鋼筋混凝土受彎構件承載力計算公式，運用有限元進行數值模擬分析，并與試驗試件進行對比分析，所得主要研究結論有下列二點:

(1)增設構造植筋可顯著提高新、舊混凝土結合面的粘結力學性能及結合面的開裂性能，大大提高了新、舊混凝土共同工作能力，使得結合面的無裂縫出現。

(2)改進結合面的連接方法，采用布置構造植筋，使得加固試件受力性能接近一次性整澆試件。尤其是加固試件3，新、舊混凝土結合面的連接方式采用梅花形布置構造植筋，其承載力接近原梁試件。

通過分析有限元模擬試件 YSJ－1、JSJ－1、JSJ－2、JSJ－3可知:

[1]殷惠君.建筑結構加固、改造綜合技術研究[D].同濟大學碩士論文，2009.

[2]姚謙峰.土木工程結構試驗[M].北京:中國建筑工業出版社，2008.

[3]王鐵成，程文瀼，顏德妲.混凝土結構設計原理[M].北京，中國建筑工業出版社，2007.

[4]朱伯芳.有限單元法原理與應用[M].北京:中國水利水電出版社，1998.