開孔板加勁型壓型鋼板加固混凝土界面黏結(jié)-滑移機(jī)理

劉傳奇, 孔凡磊

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266033； 2.長安大學(xué)公路學(xué)院， 西安 710064)

鋼板加固混凝土是基于鋼混組合結(jié)構(gòu)提出一種新的加固形式，位于梁底的鋼板可以充分發(fā)揮其抗拉性能，焊接在鋼板上的連接件可以使鋼板和混凝土形成整體，抵抗界面剪力。

壓型鋼板由于其構(gòu)造特點(diǎn)，波峰和波谷可以作為縱向加勁肋，與普通鋼板相比大大提高了抗彎承載力；組合結(jié)構(gòu)通過剪力連接件產(chǎn)生組合作用，常用的剪力連接件有開孔板(perfobond leiste，PBL)和栓釘?shù)萚1-5]。目前，壓型鋼板加固混凝土技術(shù)已展開研究[6]，但相對較少。PBL加勁型壓型鋼板加固混凝土技術(shù)具有廣闊的前景。

PBL連接件采用的研究方法有推出試驗和有限元數(shù)值模擬。目前，中外學(xué)者已對PBL連接件進(jìn)行了大量的試驗研究和理論分析。Oguejiofor等[7]通過推出試驗提出了考慮開孔個數(shù)、開孔間距、混凝土強(qiáng)度和橫向鋼筋等參數(shù)，得出了PBL荷載值計算公式。Medberry等[8]通過試驗得出鋼與混凝土之間的黏結(jié)摩擦作用可以在一定程度上提高PBL連接件荷載值。Kraus等[9]和Zheng等[10]通過建立的有限元模型對PBL連接件的影響參數(shù)分析與試驗結(jié)果對比，認(rèn)為有限元模型能夠有效模擬PBL連接件的力學(xué)性能。楊勇等[11]認(rèn)為端部承壓可以提高PBL連接件的極限承載力，并給出了考慮端部承壓的PBL連接件極限荷載值計算公式。肖林等[12]通過6組PBL連接件推出試驗，研究了PBL連接件破壞機(jī)理和PBL厚度對荷載值和破壞模式的影響，認(rèn)為PBL厚度對極限荷載值、抗剪剛度和延性均有顯著影響。張清華等[13]根據(jù)PBL連接件的受力特點(diǎn)，建立了連接件群變形協(xié)調(diào)理論模型，提出了連接件群的荷載-滑移變形協(xié)調(diào)計算方法。馮劍平等[14]通過有限元模型與試驗結(jié)果和理論公式計算結(jié)果的對比，驗證了有限元分析可以作為PBL連接件受力分析的方法。

為研究PBL加勁型壓型鋼板混凝土界面黏結(jié)-滑移機(jī)理，首先設(shè)計3組共9個試驗進(jìn)行推出試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析PBL連接件在鋼板中的破壞形態(tài)和極限荷載值。然后采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，根據(jù)試驗結(jié)果標(biāo)定模型參數(shù)。最后通過有限元數(shù)值模擬分析了PBL連接件在孔洞直徑大小、混凝土強(qiáng)度、鋼板強(qiáng)度和PBL鋼板厚度等參數(shù)的影響下的受力狀態(tài)，明確PBL加勁型鋼板加固混凝土界面黏結(jié)-滑移機(jī)理。

1 PBL連接件推出試驗

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計了3組9個試件進(jìn)行推出試驗，PBL連接件主要參數(shù)如表1所示。試件中壓型鋼底板厚度為6 mm，PBL剪力連接件厚度為14 mm，貫穿鋼筋直徑為16 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C50。試件混凝土表面設(shè)置間距為100 mm的鋼筋網(wǎng)，鋼筋直徑均為12 mm。PBL連接件的尺寸為513 mm×140 mm，推出試件尺寸為660 mm×366 mm×700 mm，試件具體構(gòu)造尺寸如圖1所示。

試件制作的過程中，在PBL剪力連接件下端墊長度為5 cm的泡沫板用來消除端部承壓影響。除試件P-B-R-3外，其余試件均在鋼板與混凝土接觸面上涂抹黃油，來消除鋼板與混凝土之間的黏結(jié)作用。壓力機(jī)操作臺上鋪一層細(xì)砂調(diào)平。

表1 PBL連接件試件參數(shù)

圖1 試件構(gòu)造尺寸Fig.1 Structure dimensions of specimens

試件混凝土在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 d，測得 150 mm 立方體抗壓強(qiáng)度為54.6 MPa。PBL連接件及壓型鋼底板采用Q345鋼材，屈服強(qiáng)度為 410.3 MPa，極限強(qiáng)度為512.4 MPa。貫穿鋼筋及表層鋼筋網(wǎng)均采用HRB400級鋼筋，屈服強(qiáng)度為443.2 MPa，極限強(qiáng)度為600.5 MPa。

1.2 加載裝置

圖2 試件加載裝置圖Fig.2 Load setup of specimens

本次試驗加載裝置采用500 t微機(jī)控制的電液伺服壓力機(jī)，試件加載布置如圖2所示。試驗加載時采用位移控制加載至破壞，加載速率為 0.2 mm/min。試件的兩側(cè)各放置兩個位移傳感器測量壓型鋼板與混凝土之間的相對滑移。加載值和滑移量均通過計算機(jī)系統(tǒng)自動采集。整個加載過程大于180 min。

1.3 試驗結(jié)果

1.3.1 破壞形態(tài)

圖3為部分試件的裂縫分布圖。從試驗現(xiàn)象可以看出，試件破壞大致經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段和破壞階段3個階段。加載初期，試件無明顯現(xiàn)象，荷載主要由混凝土榫和鋼板共同承擔(dān)，此時試件處于彈性階段。鋼板與混凝土有黏結(jié)摩擦作用的試件彈性階段的荷載值大于無黏結(jié)摩擦作用的試件，這是因為加載初期荷載由鋼板和混凝土之間的黏結(jié)力抵抗。當(dāng)荷載加載至極限荷載的30%左右時，試件底部開始出現(xiàn)裂縫，試件進(jìn)入塑性階段。塑性階段初期，荷載由混凝土榫抵抗，隨著荷載的增加，混凝土榫逐漸開裂并逐漸失去作用，貫穿鋼筋開始參與受力。此時，異性波折底板與混凝土出現(xiàn)較大的相對滑移，試件裂縫寬度和長度逐漸發(fā)展。破壞階段，試件裂縫迅速發(fā)展，試件底部出現(xiàn)多條裂縫，混凝土有不同程度的剝落。內(nèi)部貫穿鋼筋出現(xiàn)變形，混凝土榫完全失去作用。試件的破壞階段持續(xù)了近120 min，表現(xiàn)出良好的延性。

1.3.2 極限荷載值

試件的極限荷載值和相應(yīng)的滑移量如表2所示。由表2可知，試件P-NB-R的極限荷載值平均值比試件P-NB-NR提高了716.5 kN，約73.8%，兩者的區(qū)別在于有無貫穿鋼筋，所以貫穿鋼筋可以有效地提高PBL連接件的極限荷載值。試件P-B-R的極限荷載值平均值比試件P-NB-R提高了 102.9 kN，兩者的區(qū)別在于異性波折鋼板和混凝土之間是否有黏結(jié)摩擦作用，所以，黏結(jié)摩擦力也可以提高PBL剪力連接件的極限荷載值。但是由于實際結(jié)構(gòu)中影響?zhàn)そY(jié)摩擦力因素眾多，工作機(jī)理不穩(wěn)定，因此計算時通常不考慮黏結(jié)摩擦力，而是作為設(shè)計荷載的安全儲備。

圖3 混凝土破壞形態(tài)Fig.3 Failure pattern of concrete

表2 推出試驗結(jié)果

對于極限滑移量，有貫穿鋼筋的試件P-NB-R比無貫穿鋼筋的試件P-NB-NR平均值高了 2.84 mm，滑移量越多說明試件的延性越好，所以貫穿鋼筋可以提高試件的延性。試件P-B-R比試件P-NB-R的極限滑移量提高了0.58 mm，說明黏接摩擦作用也可以提高延性，但是效果不明顯。

2 PBL連接件數(shù)值分析

2.1 有限元模型的建立

利用有限元軟件ANSYS對推出試件進(jìn)行有限元模擬，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)采用整體式模型。有限元模型中混凝土采用Solid65單元，該單元可模擬混凝土開裂壓碎的影響。混凝土單元張開和閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)分別取值為0.5和0.95。PBL連接件采用Solid185單元；壓型鋼板采用Shell181單元，其積分方法選擇其默認(rèn)的有沙漏控制的縮減積分，鋼筋采用Solid45單元。有限元模型中材料本構(gòu)關(guān)系，混凝土采用多線性等向強(qiáng)化模型，波形鋼板、剪力連接件、貫穿鋼筋均采用雙線性等向強(qiáng)化(bilinear isotropic hardening，BISO)模型模擬，并采用Mises屈服準(zhǔn)則。鋼材與混凝土間的接觸。應(yīng)用TARGE170單元模擬目標(biāo)面，TARGA174模擬接觸面，摩擦因數(shù)采用0.2。對于混凝土單元，有限元模型的網(wǎng)格劃分大小對計算結(jié)果收斂有較大影響。為了提高計算速度以及避免局部造成應(yīng)力集中，對模型不同位置劃分不同的單元尺寸，整體單元尺寸取20 mm以盡可能減少計算時間，混凝土榫和貫穿鋼筋附近局部單元尺寸取5 mm以盡可能準(zhǔn)確模擬試件的力學(xué)行為，網(wǎng)格劃分方法采用多區(qū)域掃描方法。推出試件有限元模型如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)有限元模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of structural finite element model

2.2 模型驗證

表3為試驗值與有限元計算值對比，由表3可知，有限元計算得出的荷載值和滑移量都略小于推出試驗得出的數(shù)值，有限元分析結(jié)果偏于保守，對結(jié)構(gòu)安全性有利。相應(yīng)參數(shù)下兩者的誤差均在5%以內(nèi)，吻合度良好，因此運(yùn)用ANYSYS對PBL剪力連接件進(jìn)行有限元分析是可行的。

表3 試驗值與有限元計算值對比

3 PBL連接件承載機(jī)理分析

以試驗為基礎(chǔ)建立PBL連接件有限元模型，通過改變PBL孔徑大小、混凝土強(qiáng)度、開孔鋼板強(qiáng)度和PBL厚度等影響參數(shù)，得出有限元PBL連接件的荷載-滑移曲線，分析各個影響參數(shù)對PBL連接件荷載值的影響。

3.1 PBL孔徑大小

初始模型中PBL直徑為50 mm，分別調(diào)整PBL直徑為40 mm和60 mm，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 不同孔徑的荷載-滑移曲線Fig.5 Load-slip curves in different hole diameters

由圖5可知，相對于開孔直徑為50 mm，開孔直徑為40 mm時PBL連接件極限荷載值降低了12.5%，開孔直徑為60 mm時PBL連接件極限荷載值提高了11.2%，PBL連接件的極限荷載值隨著開孔直徑的增加而增加。

3.2 混凝土強(qiáng)度

初始模型中混凝土強(qiáng)度等級為C50，分別調(diào)整混凝土強(qiáng)度等級為C40和C60，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與混凝土強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 不同混凝土強(qiáng)度的荷載-滑移曲線Fig.6 Load-slip curves in different concrete grades

由圖6可知，相對于混凝土強(qiáng)度等級為C50，混凝土強(qiáng)度等級為C40的PBL連接件極限荷載值降低了9.4%，混凝土強(qiáng)度等級為C60的PBL連接件極限荷載值提高了6.4%，PBL連接件的極限荷載值隨著混凝土強(qiáng)度的提高而增加。

3.3 PBL強(qiáng)度

初始模型中PBL強(qiáng)度等級為Q345，分別調(diào)整開孔鋼板強(qiáng)度等級為Q235和Q390，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與PBL強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖7所示。

圖7 不同鋼板強(qiáng)度的荷載-滑移曲線Fig.7 Load-slip curves in different steel strength

由圖7可知，PBL連接件極限荷載值隨著PBL強(qiáng)度等級的提高基本沒有變化，這是因為PBL連接件主要由孔中混凝土榫和貫穿鋼筋抵抗外部荷載。已有研究表明，PBL即使在強(qiáng)度等級Q235時，達(dá)到極限荷載后也基本無變形，因此開孔鋼板強(qiáng)度等級的變化不會改變滑移量和荷載值。

3.4 PBL厚度

初始模型中PBL厚度為14 mm，分別調(diào)整開孔鋼厚度為12 mm和16 mm，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與PBL厚度關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 不同PBL厚度的荷載-滑移曲線Fig.8 Load-slip curves in different steel thickness

由圖8可知，相對于PBL厚度為14 mm，PBL厚度為12 mm的PBL連接件極限荷載值降低了6.7%，PBL厚度為16 mm的PBL連接件極限荷載值提高了4.2%，PBL連接件的極限荷載值隨著PBL厚度的增加而增加。PBL連接件破壞形式為混凝土剪切破壞，孔中混凝土榫的體積的增加可以提高極限荷載值，PBL厚度的增加可以增加混凝土榫體積。

4 結(jié)論

在推出試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元數(shù)值模擬，分析了帶PBL加勁型壓型鋼板加固混凝土的破壞形態(tài)和界面黏結(jié)-滑移機(jī)理，得到以下結(jié)論。

(1)推出試驗結(jié)果表明，試件的破壞大致經(jīng)歷彈性階段、塑性階段和破壞階段，破壞時，混凝土出現(xiàn)貫通裂縫，底部混凝土剝落，試件表現(xiàn)出良好的延性。

(2)有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，有限元分析和試驗結(jié)果吻合度較高，結(jié)果與實際相比偏安全，可以運(yùn)用ANSYS有限元軟件對PBL連接件進(jìn)行分析模擬。

(3)推出試驗和有限元數(shù)值模擬結(jié)果表明，PBL連接件的荷載值隨著開孔直徑、混凝土強(qiáng)度和PBL厚度的增加而增加，貫穿鋼筋是影響PBL極限荷載值的重要參數(shù)，有貫穿鋼筋的試件比無貫穿鋼筋的試件極限荷載值提高了約73.8%，影響最為明顯，PBL厚度對其荷載值影響不顯著，而PBL強(qiáng)度對其荷載值基本無影響。