超強高韌性樹脂鋼絲網混凝土側面加固RC偏壓短柱受力性能有限元分析

楊 丁，蒲黔輝，謝宏偉，趙剛云，王一凡

(西南交通大學橋梁工程系，四川成都 610031)

超強高韌性樹脂鋼絲網混凝土(High Toughness Resin Concrete with Steel Mesh，簡稱HTRCS)是一種以鋼絲網作為增韌體，環氧樹脂灌漿料作為基體組成的薄層結構，具備強度高、粘結力強、硬化速度快、流動性好等優點，是一種理想的鋼筋混凝土加固材料[1]。利用HTRCS加固技術進行結構補強具有不明顯加大構件截面與重量，加固效果顯著，加固方式靈活，能適用于各種加固形狀等特點，在土木工程結構加固中具有十分廣闊的應用前景[1]。但是由于其材料的新穎性，到目前為止，國內外對于其研究及應用鮮有報道。本文利用非線性有限元對HTRCS加固RC偏壓柱的增強效果以及加固中的設計參數進行了計算分析，為HTRCS加固法在RC偏壓柱加固中的應用提供了借鑒和參考。

1 模型基本信息

為降低“二階效應”的影響，將計算模型設計為短柱。有限元分析模型混凝土強度等級為C50，核心柱部分截面尺寸為180 mm×250 mm，縱向主筋采用HRB335級，環向箍筋采用HPB335級；加固層厚度20 mm，采用直徑2 mm高強鋼絲網，鋼絲網網格尺寸20 mm×20 mm；偏心距分別為0.6h和0.2h(h為跨中截面高度)。試件尺寸及配筋如圖1所示。計算柱分類情況詳見表1。

圖1 計算模型尺寸及配筋(單位：mm)

2 建立有限元模型

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS建立了有限元計算分析模型，其中混凝土與HTRCS、鋼筋與鋼絲網分別采用減縮積分實體單元C3D8R和桁架單元T3D2進行分離式建模，按照坐標輸入，創建三維模型(圖2)。

2.2 材料的本構關系

本文混凝土選用塑性損傷模型，該模型能分別定義混凝土的受拉受壓本構關系，并利用非關聯塑性流動法則來描述混凝土不可恢復的變形，對混凝土剛度退化的模擬具有很強的適用性[2]。依據GB 50010-2010《混凝土結構設計規范》附錄C所建議選用的曲線關系式[3]，建立混凝土本構模型；混凝土損傷因子確定時，根據文獻，在多種損傷因子計算方法的對比下，Najar損傷理論具有更高的精度和普適性[4]。本次建模采用Najar損傷理論計算損傷因子。圖3所示為混凝土和鋼筋的應力-應變本構關系。

表1 柱分類情況一覽

注：e為偏心距，t為加固層厚度(cm)，n為加固層鋼絲網層數，ρ為對應加固層配筋率，w為預損傷程度。

(a) 加固構件模型

(b) 構件鋼筋模型

鋼筋采用理想彈塑性模型，對于沒有明顯屈服階段的鋼絲網，可取應變為0.2 %時對應的強度為材料的屈服強度[5]；樹脂混凝土材料本構采用5 d齡期實測本構曲線。

2.3 接觸關系

在ABAQUS中由于無法自動識別實體間的接觸問題，故需要對彼此接觸的模塊進行接觸定義。本次建模中鋼筋和鋼絲網采用“埋入(Embedded)”的方法分別與混凝土和HTRCS加固層內部單元共同工作，不考慮彼此間粘結滑移。

2.4 邊界條件

為了防止混凝土柱加載端和約束端產生局部效應，在柱兩端頭分別設置了20 mm厚的剛性墊板，并與原柱通過“綁定約束(tie)”形成整體。考慮到短柱受偏心荷載，需要充分釋放牛腿轉動，在一端鋼塊偏心位置處切分一條直線只約束三個方向的平動自由度；另一端通過單調豎向位移加載控制。

2.5 加載方式

本次建模共分為兩個分析步，利用ABAQUS求解模塊中的“model change”功能實現單元生死，控制HTRCS加固層是否參加工作，來模擬并計算單側加固RC偏壓柱的二次受力情況。在第一個分析步中把HTRCS部分的單元“殺死”，對裸柱加以初始預損傷對應的外力；第二個分析步中激活HTRCS部分的單元，并利用“綁定約束(tie)” 同原柱形成整體，然后在加載端施以單調豎向位移荷載，直到構件發生破壞。

(a) 混凝土本構關系

(b)鋼筋本構關系圖3 混凝土及鋼筋應力-應變曲線

2.6 網格劃分

根據現有研究，將混凝土單元長度劃分為骨料最大粒徑兩倍左右時計算結果比較合理，因此本次分析時選取ABAQUS軟件中自帶的自適應網格劃分功能將單元長度劃分為20 mm[6]，有限元計算模型如圖4所示。

圖4 有限元計算模型

3 有限元參數分析

通過非線性有限元分析HTRCS加固RC短柱偏心受壓性能的參數，從而探討當偏心距、加固層鋼絲網層數以及預損傷程度變化時，結構承載能力和延性的變化情況。

3.1 偏心距對加固效果的影響

圖5為在有無加固條件下不同偏心距的偏壓短柱荷載撓度關系曲線。對該圖進行分析可知，偏心距為150 mm和50 mm偏壓柱的承載力分別增加了13.82 %和1.87 %；延性方面，采用HTRCS單側加固的情況下，偏心短柱的延性稍有下降，當荷載達到極限承載力時，偏心距為150 mm和50 mm偏壓柱的最大撓度下降比例為13.14 %和6.08 %。分析其原因，在相同荷載條件下，偏心距50 mm的小偏壓短柱相對于偏心距150 mm的大偏壓短柱在加載初期主要呈現出的是受壓和膨脹狀態，到加載后期受拉側的拉應變也相對較弱，因此造成HTRCS加固層利用率較低，進而造成加固效果降低。

圖5 不同偏心距下的荷載撓度曲線

3.2 加固層鋼絲網層數對加固效果的影響

圖6為偏心距150 mm、無預先損傷的短柱在不同加固層鋼絲網層數下的荷載撓度曲線。可以看出，隨著加固層鋼絲網層數的增加，偏壓柱的極限承載能力呈現增加趨勢，延性呈現下降趨勢，但是趨勢均是逐漸減緩的。各層數鋼絲網加固下的極限荷載、撓度以及相關變化情況見表2。

圖6 加固層鋼絲網不同層數下的荷載撓度曲線

3.3 預受損程度對加固效果的影響

圖7為偏心距150 mm、加固層一層鋼絲網的短柱在不同預損傷程度下的荷載撓度曲線。可以看出，對于無預先損傷、預損傷30 %、預損傷60 %和預損傷80 %偏壓柱的極限承載能力提高比例分別是14.26 %、13.42 %、10.72 %和9.42 %。隨著預損傷程度加大，加固效果逐漸降低。

4 結論

(1)利用HTRCS側面加固偏壓柱后，短柱的極限承載能力均有了相應提高。

(2)采用HTRCS側面加固偏壓柱適合于大偏心受壓構件，并且加固效果隨著偏心距的增大而增強。對應小偏壓構件，加載初期主要呈現出受壓和膨脹狀態，到加載后期構件受拉側的拉應變也相對較弱，因此造成HTRCS加固層利用率較低，此時不宜采用HTRCS進行側面加固。

表2 加固層鋼絲網層數影響計算結果

注：Pu為極限承載能力(kN)，a為極限承載能力提高百分比，y為極限承載能力時對應柱中撓度，b為對應撓度提高百分比。

圖7 不同預受損程度下的荷載撓度曲線

(3)采用HTRCS側面加固偏壓短柱時，隨著加固層鋼絲網層數增多，偏壓柱極限承載能力呈現出增大的趨勢，而延性卻呈現下降趨勢，但變化趨勢均是逐漸減緩的。

(4)預損傷程度對HTRCS側面加固偏壓柱的加固效果有較大影響；隨著預損傷程度加大，加固增強效果降低。