帶肋鋼板加固腹板開(kāi)洞RC梁受力性能模擬分析

閆田田 王 宇 秦 麟

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

0 引言

在房屋層高受限情況下，采用混凝土開(kāi)洞梁(或開(kāi)孔板)，各種管道設(shè)施從構(gòu)件孔洞中穿過(guò)，為解決各種管線(xiàn)擠占建筑空間提供了有效的途徑。對(duì)開(kāi)洞鋼筋混凝土梁的研究多集中在開(kāi)洞削弱和預(yù)開(kāi)洞配筋加固領(lǐng)域[1-4]。對(duì)于預(yù)留洞口的混凝土梁，可以在設(shè)計(jì)中在洞口四周增配鋼筋進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，然而，對(duì)于已有結(jié)構(gòu)的后開(kāi)洞混凝土梁，外部加固技術(shù)是唯一的解決方案。現(xiàn)行規(guī)范中對(duì)腹板預(yù)留洞口的混凝土梁通過(guò)構(gòu)造措施來(lái)消除開(kāi)洞削弱，但并未針對(duì)后開(kāi)洞情況給出明確的加固方法及相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

隨著結(jié)構(gòu)有限元理論及現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用有限元方法對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行地震往復(fù)荷載作用下的彈塑性時(shí)程分析，從而得到結(jié)構(gòu)體系在反復(fù)荷載作用下的反應(yīng)是行之有效的方法。

本文基于課題組之前所做的靜力荷載作用下帶肋鋼板加固開(kāi)洞RC梁試驗(yàn)結(jié)果[5,6]，包括荷載傳遞機(jī)理、受力性能、破壞形態(tài)等。參照已有研究結(jié)果建立合理的恢復(fù)力模型，展開(kāi)對(duì)帶肋鋼板加固腹板開(kāi)洞梁的抗震性能研究。采用Abaqus有限元軟件對(duì)26根不同的鋼筋混凝土開(kāi)洞梁抗震性能進(jìn)行數(shù)值分析，探索這種新型加固方法的有效性，找出不同參數(shù)因素的影響，研究其對(duì)開(kāi)洞RC梁抗震性能的分析。

1 Abaqus有限元模型

1.1 模擬試件及其參數(shù)

26根鋼筋混凝土梁模擬試件，截面尺寸為200 mm×500 mm，長(zhǎng)度1 650 mm。混凝土采用強(qiáng)度等級(jí)為C30，頂部架立筋和底部受拉鋼筋均為4根18 mm直徑的HRB335級(jí)鋼筋，箍筋選用8 mm直徑HPB300級(jí)鋼筋。鋼筋混凝土基座截面尺寸為500 mm×500 mm，長(zhǎng)度1 550 mm。縱筋為10根18 mm直徑的HRB335級(jí)鋼筋，箍筋選用8 mm直徑HPB300級(jí)鋼筋。為了簡(jiǎn)化試件模型，只研究梁在開(kāi)洞口側(cè)的情況，具體配筋及尺寸見(jiàn)圖1。

模擬變化參數(shù)包括洞口長(zhǎng)度、洞口高度、洞口偏移、鋼板厚度，具體參見(jiàn)表1。試件編號(hào)Z-N代表對(duì)比梁；L,H,U,T分別代表洞口長(zhǎng)度、洞口高度、洞口向上偏移、鋼板厚度；N,R分別代表不加固和帶肋鋼板加固，例如L2-N表示洞口長(zhǎng)度200 mm未加固試件，T1-R表示帶肋鋼板厚度為1 mm試件。

1.2 單元的選擇及加載方式

建立三維有限元開(kāi)洞梁模型，其中混凝土、帶肋鋼板、基座混凝土采用實(shí)體單元C3D8R，縱筋和箍筋采用Truss單元T3D2，只在縱筋本構(gòu)模型中綜合考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移。模擬過(guò)程中在梁端采用位移幅值控制施加往復(fù)荷載，直至試件破壞。

1.3 材料模型

混凝土本構(gòu)選用GB 50010—2010鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[7]中的混凝土本構(gòu)關(guān)系，采用混凝土塑性損傷模型(Concrete Damaged Plasticity Model)，并考慮了混凝土進(jìn)入塑性后的損傷分為受拉和受壓損傷，分別用兩個(gè)獨(dú)立的損傷因子來(lái)模擬由損傷引起的彈性剛度退化。該模型將損傷指標(biāo)引入混凝土模型，通過(guò)對(duì)混凝土的彈性剛度矩陣加以折減，模擬混凝土剛度隨損傷增加而降低的特點(diǎn)。在材料進(jìn)入損傷后，彈性模量可表示為E=(1-d)E0，其中，E0為無(wú)損傷彈性模量；d為損傷因子，用于描述卸載時(shí)材料剛度退化現(xiàn)象。根據(jù)Sidiroff的能量等效原理，提出了混凝土損傷因子計(jì)算方法：

(1)

其中，σ為混凝土應(yīng)力；ε為混凝土應(yīng)變。

開(kāi)洞梁的鋼筋的本構(gòu)模型，調(diào)用深圳大學(xué)方自虎老師開(kāi)發(fā)的子程序[8]，該模型考慮了混凝土與鋼筋之間的粘結(jié)滑移損傷，能夠較好地模擬鋼筋在循環(huán)荷載下的應(yīng)力應(yīng)變行為。

鋼板與混凝土間的結(jié)構(gòu)膠選用粘性接觸并設(shè)置其損傷，用以模擬鋼板與混凝土的粘結(jié)。基座中鋼筋混凝土材料屬性均設(shè)置為理想彈性模型。

模型中設(shè)定梁端的邊界條件為放開(kāi)沿X軸方向的約束U1及繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)的約束UR3，基座底面全部固結(jié)。

表1 試件基本參數(shù)

2 有限元結(jié)果分析

2.1 帶肋鋼板加固對(duì)試件承載力的提高

如圖2～圖5所示為各組試件梁的荷載—撓度曲線(xiàn)，粘貼帶肋鋼板加固試件梁可大幅提高開(kāi)洞梁的受力性能。相比同組未加固開(kāi)洞梁，加固后梁的極限荷載有大幅提升。參考表1，帶肋鋼板加固后承載力提升幅度在30%～157%之間。洞口長(zhǎng)度的承載力削弱在31.4%～47.5%之間，帶肋鋼板加固后承載力基本可恢復(fù)至未開(kāi)洞時(shí)的承載力。開(kāi)洞高度是導(dǎo)致試件梁承載力下降的關(guān)鍵因素，洞口高度越大，承載力降低越明顯，但承載力削弱越大，加固后相對(duì)承載力提升幅度就越大，可見(jiàn)帶肋鋼板加固效果十分顯著。U0.5組試件為洞口向上偏移，對(duì)比洞口同樣大小的L4組由表1可以看出，U0.5組試件承載力均小于L4組試件，洞口偏移會(huì)對(duì)承載力造成不利影響。T組為不同鋼板厚度的試件，從承載力提高的角度分析，隨著鋼板厚度的增加，承載力不斷提高。當(dāng)鋼板厚度為2.5 mm～3 mm時(shí)，承載力提高幅度不再明顯，在工程應(yīng)用中，2 mm厚度的鋼板更為經(jīng)濟(jì)，性?xún)r(jià)比更高。

相比未開(kāi)洞的參照梁Z-N，對(duì)于0.4倍梁高的開(kāi)洞高度，1倍～3倍的開(kāi)洞寬高比(L組)的洞口情況下，帶肋鋼板加固能使開(kāi)洞梁承載力恢復(fù)至參照梁Z-N承載力的95%以上。H組或開(kāi)洞位置偏移的U組，承載力恢復(fù)仍能達(dá)到80%以上。在洞口高度增大至0.6倍梁高(H組)時(shí)，承載力恢復(fù)約為83%。

2.2 滯回特性分析

滯回曲線(xiàn)是進(jìn)行抗震性能分析的主要依據(jù)，反映構(gòu)件的剛度退化和耗能能力。滯回曲線(xiàn)的每一個(gè)滯回環(huán)所包含的面積反映了梁在地震作用下耗散地震能量的能力。圖6～圖9為模擬試件的滯回曲線(xiàn)，可以看出未加固的開(kāi)洞梁試件滯回曲線(xiàn)比較癟，耗能能力有限，承載力、變形能力較小，剛度下降快。帶肋鋼板加固后的開(kāi)洞梁，滯回曲線(xiàn)形狀比較飽滿(mǎn)，耗能能力也有大幅提升，變形能力、承載能力得到很大改善，剛度退化減緩。

3 結(jié)論

本文利用Abaqus有限元分析軟件，對(duì)26根具有不同參數(shù)的腹板開(kāi)洞RC梁進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了不同洞口長(zhǎng)度、洞口高度、洞口偏移、鋼板厚度對(duì)其受力性能的影響。得出以下重要結(jié)論：

1)粘貼帶肋鋼板加固試件梁可大幅提高開(kāi)洞梁的承載能力，開(kāi)洞削弱的承載力越大，加固效果越明顯。

2)隨著鋼板厚度的增加，試件承載力不斷提高，當(dāng)鋼板厚度為2 mm時(shí)，更為經(jīng)濟(jì)。

3)相比未加固開(kāi)洞梁，帶肋鋼板加固試件滯回曲線(xiàn)較為飽滿(mǎn)，耗能能力更佳，剛度降低幅度也減緩。