U型鋼加固鋼筋混凝土梁損傷演化分析

沈 炫, 盧亦焱, 宗 帥, 馬文濤

(1.湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068; 2.武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

鋼筋混凝土結構在建造和使用過程中受到施工質量、環境侵蝕等不利因素的影響，往往會導致結構承載力不足，難以正常使用。另外，對于結構功能改變或有承載力升級需求的建筑，也亟需采取措施使其承載能力快速大幅提高。加固改造則是解決此類問題最為有效的手段。目前傳統加固方法如粘鋼加固法和增大截面法，因存在承載力提高幅度有限和施工周期較長等問題，難以實現對結構承載力的快速大幅提升[1～3]，而采用型鋼加固，雖然能夠大幅提高承載力[4～7]，但也存在加固組件繁多、操作工藝復雜等不足[8,9]。

為解決混凝土結構在短時間內大幅提高承載力的問題，本課題組結合U型鋼-混凝土組合結構的性能優勢[10～13]，提出采用U型鋼對混凝土梁進行加固的新型加固法[14]。本方法加固時僅用建筑結構膠和錨固螺栓將U型鋼與混凝土梁側面連接，當建筑結構膠硬化后U型鋼即可與混凝土梁形成U型鋼-混凝土組合結構共同工作。由于U型鋼底面鋼板與混凝土梁底板形成空間箱型結構，加固梁在增加界面配筋率的同時截面高度也得到增大，使加固梁的承載力和剛度得到大幅提高，而建筑結構膠硬化周期短的優勢，則可縮短加固周期，使加固結構可以快速投入使用。此外，加固后形成的空間箱型結構不進行混凝土填充，也使結構自重增加相對較小。因此，與傳統加固方法相比本加固法具有明顯優勢。

為深入了解U型鋼加固法的性能優勢，本研究進行了U型鋼加固梁的抗彎性能測試，并在試驗研究的基礎上，采用有限元軟件ABAQUS分析了U型鋼加固梁的全過程受力，并進行了損傷演化分析，進一步研究了U型鋼加固梁的工作機理，期望為U型鋼加固法的工程應用提供理論參考。

1 試驗概況

本次試驗共設計了12根試件，包括1根未加固對比梁和11根U型鋼加固梁，試件截面尺寸和試驗參數如圖1、表1所示。加固梁所用U型鋼由3塊Q235級鋼板焊接制作，U型鋼側板上預制螺栓孔位置參照GB 50367《混凝土結構加固設計規范》[15]要求，并根據梁內鋼筋位置進行設計，為避免加固梁受彎變形后箱體與支墩碰觸，U型鋼下部箱形截面邊緣距支座距離為150 mm。試件所用鋼筋及加固用鋼板性能參數詳見表2。

表1 試件主要參數

表2 鋼材力學性能

圖1 U型鋼加固鋼筋混凝土梁/mm

試件采用四點彎曲加載方案，通過分配梁將對稱荷載施加于梁凈跨的三分點處。加載過程中試件表現出3種破壞形態，分別為剝離屈曲與彎曲破壞的混合破壞、彎曲破壞、剝離屈曲與剪切破壞的混合破壞，圖2為試件的3種典型破壞形態。由圖2a可知，試件未發生破壞時，U型鋼與混凝土梁連接良好，無剝離和屈曲；對于發生剝離屈曲與彎曲破壞的混合破壞試件，U型鋼側板多處發生剝離并屈曲，破壞時加固梁純彎段頂面混凝土出現壓潰,如圖2b；發生彎曲破壞的試件在整個加載過程中U型鋼側板未發生剝離，試件破壞表現為跨中純彎段頂面混凝土壓潰,如圖2c；發生剝離屈曲與剪切破壞的混合破壞試件，U型鋼側板在剪跨段過早發生剝離，導致剪跨段抗剪能力不足，混凝土梁出現從支座向加載點延伸的斜裂縫而破壞(圖2d)，此種破壞發生過程較為突然，屬于脆性破壞，在工程應用中應予以避免。

圖2 試件破壞形態

圖3為加固試件彎矩-撓度曲線。由圖3a可知，相對于混凝土對比梁RCB，11根U型鋼加固梁承載力提高了5～7倍，表明加固梁承載力得到了大幅提升。圖3b為試件SRCB1加載初期的撓度曲線與混凝土對比梁RCB撓度曲線的對比，從該圖可以清晰的觀察到當對比梁RCB達到極限荷載時，加固梁SRCB1的跨中撓度僅為對比梁的1/30，表明加固試件的剛度得到大幅提升。此外，根據各試件參數變化對加固性能的影響可知，加固梁的承載力以及剛度隨著加固后截面高度增加而增大；增加U型鋼側面鋼板或底面鋼板厚度均可提高加固結構的承載力和剛度；待加固梁的初始配筋率的提高對加固試件剛度提高作用較小，但可增大極限承載力；隨著待加固試件混凝土強度等級的提高，加固構件的承載力和剛度隨之提高，加固試件也具有更好的整體工作性能。

圖3 加固試件彎矩-撓度曲線

2 有限元分析

由于本加固方法采用U型鋼加固時，U型鋼對混凝土梁側面及底面進行了包裹，試驗過程中無法觀察混凝土梁發生破壞的過程，因此采用有限元軟件模擬U型鋼加固梁的受力過程，可進一步了解U型鋼加固混凝土梁的受力機理，為工程應用提供參考。

2.1 單元模型及本構關系

本研究中混凝土采用C3D8R單元，該單元為8節點6面體線性減縮實體單元，在計算時不易發生剪切自鎖的現象，對位移的求解比較精確。對鋼筋和螺栓的模擬采用梁單元B31單元，梁單元可以產生軸向、彎曲和扭轉變形，在分析包含接觸分析問題時具有較大優勢。U型鋼采用殼單元S4R單元，即4節點四邊形有限薄膜應變線性縮減積分殼單元。

混凝土本構模型采用ABAQUS提供的塑性損傷模型，即Concrete Damaged Plasticity模型，混凝土的受壓及受拉應力-應變關系采用GB 50010《混凝土結構設計規范》[16]中推薦的模型；鋼材視為各向同性，應力-應變關系采用彈性強化型模型，該模型應力-應變關系具有唯一性，在計算過程中有利于保證計算收斂。

2.2 模型建立與求解

對于界面的處理，鋼筋與混凝土之間采用區域嵌固進行處理。U型鋼與混凝土梁設置為面-面接觸，其中將鋼板設為主面，混凝土表面設為從屬面，兩者法向上設置為硬接觸，即U型鋼側板與混凝土面可以傳遞壓力，但接觸單元不能相互滲入，當接觸面的壓力為零或者負值時，接觸面相互脫離接觸。模型計算采用Newton-Raphson平衡迭代法，當迭代過程中殘差力小于容許值則認為達到平衡狀態。

2.3 有限元結果與試驗結果對比

圖4為典型試件SRCB1的有限元計算結果與試驗結果的對比。由圖4可知，有限元計算曲線與試驗曲線在各階段發展趨勢吻合較好，計算曲線在彈性階段及彈塑性階段變形略小于試驗值，而在破壞階段曲線發展較為平緩。這是由于實際加固試件材料性能存在一定離散性，以及加固試件在制作和加載過程中人為因素影響所導致。但從表1給出的發生剝離屈曲與彎曲破壞試件的有限元計算結果與試驗結果對比可知，Pu,FEM/Pu,t的平均值為1.008，均方差為0.052，計算結果吻合較好。綜合以上對比結果，可知本有限元模型可以較好的對U型鋼加固混凝土梁的全過程受力進行模擬。

圖4 典型試件的有限元計算結果與試驗結果對比

2.4 應力分析

圖5為U型鋼加固梁SRCB1達到極限荷載時的應力分布情況。由圖5可知，U型鋼側板在受壓區存在明顯屈曲，與試驗中因發生剝離而形成屈曲的現象較為吻合，且發生屈曲的U型鋼側板應力要明顯大于未發生剝離的側板，而發生U型鋼剝離區域的混凝土壓應力也明顯高于其他區域。由此可知，當U型鋼發生剝離后，該區域的混凝土將承擔更多的壓應力，導致該區域混凝土易發生壓潰。另外，從圖中也可以發現U型鋼側板及混凝土梁設置有螺栓的區域應力也相對較高，表明錨固螺栓能夠提供界面剪力，抑制界面滑移的發展，保證U型鋼與混凝土梁共同工作。

圖5 加固梁應力云圖/MPa

2.5 混凝土梁損傷演化分析

2.5.1 受拉損傷演化分析

圖6為典型加固試件SRCB1混凝土梁的受拉損傷演化圖。由圖6可知，加固組合梁的混凝土受拉損傷首先出現在純彎段梁底，隨著荷載的增大，純彎段的損傷范圍逐漸增大。與此同時，由于加固梁梁端U型鋼與混凝土梁之間開始出現相對滑移，錨固螺栓在發揮抗剪作用抑制相對滑移的同時，也導致混凝土梁最外側螺栓區域出現一定損傷，而加固梁跨中區域由于相對滑移趨勢較小，該處螺栓區域損傷與端部相比也較小。隨著荷載的進一步增大，梁底受拉損傷區域逐漸向梁頂擴展，而剪跨段螺栓區域的損傷范圍也在擴大，并出現了斜向發展的損傷趨勢，表明螺栓孔的存在使剪跨段螺栓孔附近的混凝土易產生斜向剪切裂縫。而同時注意到雖然斜向損傷由截面中部向梁端支座和梁頂面加載點延伸，但并未形成貫通的斜向損傷，這也表明U型側板在粘結良好的情況下能夠對斜裂縫的發展起到有效的抑制作用。

圖6 加固混凝土梁各階段受拉損傷

2.5.2 受壓損傷演化分析

圖7為試件SRCB1混凝土梁的受壓損傷演化圖。由圖7可知，混凝土受壓損傷出現相對較晚，這是由于U型鋼加固后，位于受壓區的U型鋼側板相當于增加了受壓區配筋，在未發生剝離的情況下，鋼板的存在大幅提升了結構受壓區的抗壓能力，使混凝土梁的受壓損傷發展較慢。隨著荷載的增加，純彎段的壓應力不斷增大，使得混凝土的損傷區域不斷增大。另外，由于U型鋼與混凝土梁之間的變形不協調導致界面出現相對滑移，而錨固螺栓對滑移的約束作用，也使螺栓孔區域產生受壓損傷。隨著荷載的繼續增加，損傷區域不斷向梁底擴展。而當U型鋼側板發生剝離后，混凝土梁對應區域的受壓損傷程度要明顯高于未剝離區域。這是由于U型鋼發生剝離后形成半波屈曲，其所能承擔的壓應力大幅減小，截面壓應力由U型鋼與混凝土梁共同承擔轉變為主要由混凝土梁承擔。因此，當加載至極限荷載時，發生剝離區域的混凝土受壓損傷要遠高于其他區域，在試驗中則表現出該區域混凝土發生壓潰。

圖7 加固混凝土梁各階段受壓損傷

3 結 論

(1)采用U型鋼加固鋼筋混凝土梁，U型鋼能夠與混凝土梁形成組合結構共同工作，加固梁與原混凝土梁相比，承載力和剛度都得到了大幅提高。

(2)本文有限元模型計算所得的荷載-撓度曲線與試驗曲線吻合較好，加固梁模型的破壞形態與試驗現象相符，說明本模型能夠較為準確地對U型鋼加固梁的受力行為進行模擬。

(3)由有限元模型損傷演化過程可知，加固后的混凝土梁受拉損傷隨著荷載的增大由梁底逐漸向梁頂發展；由于螺栓孔的存在會使剪跨段產生斜向剪切裂縫，但U型鋼側板會對裂縫的發展起到一定的抑制作用；U型鋼側板發生剝離后其承壓作用將減弱，該截面的壓應力將主要由混凝土承擔，導致該區域混凝土率先發生壓潰。