鋁合金筋體外預應力加固混凝土梁受力性能研究

邢國華，謝鵬宇，宋啟璽，劉伯權，吳　濤

(長安大學建筑工程學院，西安　710061)

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鋁合金筋體外預應力加固混凝土梁受力性能研究

邢國華，謝鵬宇，宋啟璽，劉伯權，吳濤

(長安大學建筑工程學院，西安710061)

鋁合金具有輕質高強、延性好、低溫脆斷敏感性小、耐腐蝕等優點，可用于侵蝕環境及寒冷環境下結構體外預應力加固工程。本文對鋁合金筋的材料性能進行試驗研究，建立了鋁合金筋本構關系模型，應用有限元程序ANSYS對既有體外預應力加固混凝土梁的受力過程進行模擬分析，通過計算結果和試驗結果的對比分析驗證了有限元分析模型的合理性。根據等截面原則和等強度原則，應用鋁合金筋分別替換既有混凝土梁的體外預應力筋，對其進行有限元分析。結果表明，與傳統體外預應力加固混凝土梁相比，采用等截面原則加固后的鋁合金筋體外預應力混凝土梁，可以在適當提高延性的基礎上，部分提高混凝土梁的承載能力；采用等強度原則加固后的鋁合金筋體外預應力混凝土梁，可同時顯著提高混凝土梁的承載能力和延性。

體外預應力； 鋁合金； 混凝土梁； 加固； 有限元分析

1　引　言

建筑結構在使用過程中，由于建筑材料被環境腐蝕、受到外力破壞、自然災害等因素的影響，使其使用功能和可靠性降低，或原有結構使用功能的改變致使其無法滿足正常的使用條件，因此，需要對這些在役建筑物進行維修加固以及改造。其中，體外預應力加固是目前我國較普遍采用的結構加固方法之一，可以提高受力構件的承載力、剛度和抗裂性能[1-3]。此外，體外預應力加固技術在橋梁工程的加固和補強中獲得較好的經濟效益和社會效益[4,5]。但是傳統預應力筋如鋼絞線、鋼絲等是非延性金屬材料，相應地傳統體外預應力筋加固混凝土梁的破壞往往是脆性破壞，無任何明顯征兆，對于抗震結構存在一定的安全隱患。本文在對鋁合金筋材料性能試驗研究基礎上，應用有限元程序對鋁合金筋體外預應力加固混凝土梁的受力性能進行研究，分析了鋁合金筋應用于混凝土構件體外加固的基本性能，為鋁合金筋在土木工程中的應用提供依據。

2　鋁合金筋材料性能

圖1　鋁合金筋受拉破壞Fig.1　Failure of aluminum alloy bars under tension(a)diameter 6 mm;(b)diameter 8 mm

鋁合金結構具有自重輕、耐腐蝕、外觀效果好、建成之后無需維護等系列優點，在侵蝕環境下的工程結構中有較強的優勢。與傳統鋼筋、鋼絞線及FRP筋相比，鋁合金在材料力學性能以及物理特性上存在明顯差異，如表1所示[6-12]。同時，鋁合金在低溫環境中的強度和延性不會降低，且脆性斷裂敏感性小于鋼材，因此不規定臨界溫度。

目前全世界已正式注冊的鋁合金達千種以上，常用的約450種，其中6061-T6鋁合金具有自重輕、比強度高、耐腐蝕性能好、低溫韌性好、易于維護、便于回收利用等優點。本文對6061-T6鋁合金進行了材料性能拉伸試驗，分析其應力-應變本構關系曲線和物理力學性能指標如非比例延伸強度f0.2、抗拉強度fu、彈性模量E等。鋁合金筋的受拉頸縮破壞，如圖1所示。

表1　鋁合金與鋼筋、鋼絞線、FRP筋的性能對比

注： N/A表示不適用；表中數據主要來源于文獻[6]、[8]、[9]，鋁合金數據來源于文獻[10]；熱膨脹系數數據來源于我國混凝土設計規范[11]，其中FRP筋軸向膨脹系數與橫向膨脹系數差異極大，軸向膨脹系數在前；強重比根據文獻[12]建議強度選取屈服強度；成本系數來源于文獻[12]，用于工程造價初步估算。

鋁合金筋試件的物理力學性能的實測值如表2所示。由于鋁合金的強屈比較小，材料的安全儲備相對較低。對于處于正常工作狀態或合理設計的鋁合金結構構件，其最大應變一般不宜大于1%。因此，本文在建立鋁合金筋本構關系時其應變區間取為0～1%。

表2　鋁合金實測物理力學性能指標

Ramberg-Osgood模型在金屬結構的本構關系研究中得到了廣泛應用，建議鋁合金筋采用修正的Ramberg-Osgood模型([13]：

(1)

圖2給出了鋁合金筋的應力-應變實測曲線和理論曲線的對比情況。從圖中可以看出，理論曲線與試驗曲線吻合較好。因此，式(1)可作為鋁合金本構關系模型，用于體外預應力加固混凝土梁的計算分析。

圖2　鋁合金筋本構關系曲線對比Fig.2　Comparison on stress strain curves of aluminum alloy bars(a)diameter 6 mm;(b)diameter 8 mm

3　體外預應力加固混凝土梁有限元分析

3.1模型建立

3.1.1基本假定

在ANSYS有限元分析中采用了如下假定:(l)在受力過程中，鋁合金筋的應變與鋼筋、混凝土的應變滿足變形協調原理；(2)鋼筋與混凝土、鋁合金筋與混凝土間有足夠好的粘結，無相對滑移；(3)梁在加固前后的抗剪承載力足夠；(4)忽略混凝土抗拉強度。

3.1.2單元類型

混凝土材料用SOLID65單元模擬，普通受拉、受壓鋼筋以及箍筋用兩節點的LINK8單元模擬。體外預應力筋單元用LINK10單元模擬。同時為了防止應力集中，混凝土突然破壞導致求解發散，在加載點、支座、預應力錨固處放置鋼板，并用三維實體單元SOLID45模擬，在建立有限元模型時，采用線彈性模型，彈性模量為2×105MPa，泊松比為0.3。

3.1.3分析模型

共建立4根混凝土模型梁，包括一根對比簡支梁PL1、一根消除應力鋼絲體外預應力加固梁PL2和兩根鋁合金筋體外預應力加固梁LL3和LL4。其中，梁LL3與梁PL2的預應力筋面積相等，梁LL4是在梁PL2基礎上根據預應力筋等強度替換原則得到的混凝土梁。

混凝土梁截面為150 mm×350 mm，跨度為4000 mm；非預應力筋混凝土梁PL1上部截面配筋為2φ10，下部截面配筋為2φ16；梁PL2的預應力筋為4φP5，梁LL3的預應力筋為2φ8，梁LL4的預應力筋為12φ6；轉向塊直徑均為φ18。

有限元模型網格劃分中，混凝土單元沿跨梁長方向尺寸為50 mm，梁寬度和梁高度方向分別為25 mm；普通受壓、受拉鋼筋沿梁長度方向尺寸為50 mm；箍筋尺寸為25 mm，與混凝土單元在相應位置保持一致。

3.1.4材料參數

圖3　體外預應力加固混凝土梁有限元模型Fig.3　Finite element model of concrete beam strengthened by external prestressing

混凝土泊松比為0.2，彈性模量為2.8×104N/mm2，極限抗壓強度fc=16.7 N/mm2。普通鋼筋泊松比為0.3，彈性模量為2.0×105N/mm2，箍筋屈服強度fy=300 N/mm2，縱筋鋼筋屈服強度fy=381 N/mm2。體外預應力筋：消除應力鋼絲的泊松比為0.2，彈性模量為1.95×105N/mm2，屈服強度fy=1887 N/mm2；鋁合金筋的參數見表2。

建立的體外預應力加固混凝土梁有限元模型如圖3所示。

3.2模型驗證

在有限元模型計算分析中，荷載值取混凝土梁兩端支座豎向反力，撓度取混凝土梁跨中撓度。梁PL1的荷載-跨中撓度曲線如圖4所示。梁PL2首先對普通混凝土簡支梁加載至40 kN，待穩定后，分級張拉消除應力鋼絲至σcon=950 MPa，然后繼續加載直至混凝土梁破壞。梁PL2的荷載-跨中撓度曲線如圖5所示。

圖4　梁PL1的荷載-跨中撓度曲線Fig.4　Load-mid span deflection curves of PL1

圖5　梁PL2的荷載-跨中撓度曲線Fig.5　Load-mid span deflection curves of PL2

由圖4可知，對比梁PL1進入破壞階段后，隨著荷載的增大，跨中撓度急劇增大，最終因混凝土壓潰而發生破壞，計算終止。因此，對比梁PL1的跨中撓度和計算結果在破壞時存在較大差距，但在彈性階段和彈塑性階段計算值和試驗值較為吻合。

由圖5可知，消除應力鋼絲體外預應力加固梁PL2破壞時，底部受拉鋼筋沒有其達到屈服，體外預應力筋也沒有到達設計強度，因此計算結果偏高，但整體上有限元計算的極限承載力和跨中撓度與試驗較為吻合，誤差較小。

綜上所述，對比梁PL1和體外預應力加固梁PL2的計算結果與試驗結果吻合較好，說明本文建立的有限元模型、選用的材料參數可以較好的模擬體外預應力加固梁的受力全過程。

3.3計算結果分析

梁LL3和LL4為采用鋁合金體外預應力筋加固的混凝土梁。首先對普通混凝土簡支梁加載至40 kN，待穩定后，分級張拉預應力鋁合金至σcon=200 MPa，然后繼續加載直至混凝土梁破壞。梁LL3、LL4與試驗梁PL1和PL2的荷載-跨中撓度曲線對比情況，分別如圖6和7所示。

由圖6可知，相對于消除應力鋼絲體外預應力加固，用同等截面面積的鋁合金筋加固混凝土梁，可以部分提高混凝土梁的極限承載力，混凝土受拉鋼筋和鋁合金筋的材料有效利用率較高。加固時，鋁合金筋對跨中撓度的減小作用不明顯，但在破壞階段混凝土梁的延性得到提高；從圖7可以看出，相對于消除應力鋼絲體外預應力加固，用同等強度的鋁合金筋加固混凝土梁，可以顯著提高混凝土梁的極限承載力，混凝土受拉鋼筋和鋁合金筋的材料有效利用率也有所提高。加固時，鋁合金筋對跨中撓度的減小作用不明顯，但在破壞階段混凝土梁的延性得到顯著提高。

圖6　LL3與PL1和PL2的荷載-跨中撓度曲線對比Fig.6　Comparison of load-mid span deflection curves between LL3, PL1 and PL2

圖7　LL4與PL1和PL2的荷載-跨中撓度曲線對比Fig.7　Comparison of load-mid span deflection curves between LL4, PL1 and PL2

因此，用同等截面面積的鋁合金筋加固混凝土梁對極限承載力的提高要小于消除應力鋼絲，但鋁合金加固之后，可以提高混凝土梁的延性，同時部分提高混凝土梁的承載力。若用同等強度的鋁合金加固混凝土梁，混凝土梁的承載力和延性會顯著增加。在應用于實際工程中時，若合理采用鋁合金用量，可以達到預期的加固效果。同時，鋁合金具有自重輕、耐腐蝕、比強度高、建成之后不需要維護，并且低溫環境下力學性能穩定等一系列優點，在侵蝕環境下的工程結構中有較強的優勢。因此，鋁合金是一種較為理想的體外預應力加固材料。

4　結　論

(1)鋁合金筋在拉斷之前有顯著的變形階段，存在準屈服平臺，有別傳統預應力筋材料如鋼絞線、消除應力鋼絲等，以鋁合金為主要受力材料的結構破壞時延性較大;

(2)本文建立的ANSYS有限元分析模型，較好地模擬了體外預應力加固混凝土梁的受力全過程，可以對鋁合金筋體外預應力加固混凝土梁進行全過程的受力分析;

(3)相比體外預應力消除應力鋼絲加固，用同等截面面積的鋁合金筋體外預應力加固混凝土梁對極限承載力的提高有限，但采用鋁合金筋加固后，可以改善混凝土加固梁的變形性能，提高混凝土梁的延性;

(4)相比體外預應力消除應力鋼絲加固，用同等強度的鋁合金筋體外預應力加固混凝土梁，可以大幅提高混凝土梁的承載能力，同時混凝土梁的延性也會得到顯著提高。

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Behavior of Reinforced Concrete Beams Strengthened by External Prestressed Aluminum Alloy Bars

XINGGuo-hua,XIEPeng-yu,SONGQi-xi,LIUBo-quan,WUTao

(School of Civil Engineering,Chang'an University,Xi'an 710061,China)

The aluminum alloy has many advantages, such as the light quality with high strength, low susceptibility in low temperature, and corrosion resistance. It can be used for structural external prestressing engineering in erosion and cold temperature environments. Drawing the mechanical properties of aluminum alloy material by the material performance testing of aluminum alloy bars. Using ANSYS to analyze the loading process of the concrete beam which is reinforced by external prestressing tendons. Compared the calculation results with the experiment results, and the finite element analysis model is verified to be reasonable. Then, replacing the external prestressed tendons of the concrete beam by aluminum alloy bars with the principle of equal section and equalling strength, analyzing this by finite element method. The result shows that compared with the traditional reinforced concrete beams strengthened by prestressed aluminum alloy, using the principle of equal section strengthing reinforced concrete beams strengthened by prestressed aluminum alloy, its bearing capacity will be improved partly based on properly increasing its ductility. If using the same strength of the aluminum alloy strengthen the concrete beam, the bearing capacity and the ductility of concrete beams can be improved significantly.

external prestressing;aluminum alloy;concrete beam;strengthening;finite element analysis

國家自然科學基金(51108032)；陜西省建設科技計劃；中央高?？蒲袠I務費專項經費(310828152017,310828163410)

邢國華(1983-)，男，博士,副教授.主要從事在役混凝土結構抗震性能方面的研究.

TU378

A

1001-1625(2016)03-0831-06