高性能钢丝网复合砂浆二次受力加固钢筋混凝土梁受力性能研究.pdf

第 3 8卷第4期 2 0 1 2年 8月 四川建筑科学研究 S i e h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 6 9 高性能钢丝网复合砂浆二次受力加固钢筋 混凝土梁受力性能研究 唐贵和， 黄金林 ( 华南农业大学水利与土木工程学院， 广东 广州5 1 0 6 4 2 ) 摘要： 复合砂浆钢筋网薄层加固是一种广泛使用的高效加固方法 ， 能够显著地提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力、 变形能力以及抗裂性能。利用有限元软件， 对 HP F L二次受力加固钢筋混凝土梁进行三维受力分析， 利用单元生死 考虑二次受力的特点， 计算结果与试验结果吻合较好。着重分析了初始荷载对提高承载力的影响， 初始荷载小， 提 高幅度大。本文研究成果可为高性能钢丝网复合砂浆加固钢筋混凝土梁设计提供参考。 关键词： 高性能钢丝网复合砂浆； 钢筋混凝土； 二次受力 ； 加固； 抗弯承载力 中图分类号： T U 3 7 5 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 4— 0 6 9— 0 3 M e c h a n i c a l a n a l y s i s 0 f RC be a m s s t r e n g t he n e d wi t h HPFL s u b j e c t e d t o s e c o n d a r y l o a d T ANG G u i h e． HU ANG J i n l i n ( C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d C i v i l E n g i n e e ri n g ， S o u t h C h i n a A ．U n i v ． ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 2 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： H J曲 p e rf o r m a n c e f e r r o c e m e n t l a m i n a t e s( HP F L)t e c h n o l o g y i s a n e ffic i e n t m e t h o d t o s t r e n g t h e n R C b e a m s u b j e c t e d t o s eco n d a r y l o a d ．I t C an s i g n i fi c a n tl y i n c r e a s e t h e l o a d b e a r i n g c a p a c i ty， d e fl e c ti o n c a p a c i t y a n d c r a c k res i s t i n g beh a v i o r ．T h e t h ree d i me n s i o n a l m e c h a n i c a l anal y s i s o f R C bea m s s t r e n gth e n e d w i t h HP F L s ubj e c t e d t o s eco n d a r y l o a d w a s c a r r i ed o u t and t h e c h a r a c t e r i s ti c o f s e c o n d a r y l o a d i n g W as c o n s i d e r e d b y e l e me n t b i r t h and d e a t h ． T h e c a l c u l a t ed r e s ult s w e l l a g r e e wit h t h e t e s t e d r e s ult s ． T h e i n i t i a l l o a d g r e a tl y a ffe c t s ult i ma t e fl e x u r al bea r i n g c a p a c i ty o f be am and ult i ma t e bea r i n g c a p a c i t y i n c rea s e s g r e a t e r w i t h l e s s i n i t i al l o a d ．Th e s e c o n c l u s i o n s C a l l b e ref e r e n c e d i n reh a b i l i t a t i o n d e s i g n of r e i n f o r c e d c o n c r e t e bea ms w i t h HP F L ． Ke y wo r d s ： HP F L； rei n f o r c e d c o n c r e t e ； s eco n d a r y l o a d； s t r e n gth e nin g； fl e x u r al bea r i n g c a p a c i t y 0 引 言 高性能复合砂浆是钢丝网和水泥砂浆的薄层结 构， 是理想的钢筋混凝土结构和砌体结构的无机复 合加固材料， 因其简便的施工方法和良 好的经济性、 耐火性和耐久性， 目前在国外已应用于土木工程结 构的加 固。 汤繁华等对 H P F L加固混凝土结构的技术研究 进展作 了综述 ， 简述 了该加 固技术 的一 些 主要应 用⋯。尚卿等以校舍建筑为工程实例， 介绍了H P F L 的具体设计和施工方法， 说明该加固方法可靠、 经济 等优点 2 ] 。周方圆等参考混凝土受弯构件承载力 的计算方法， 给出了H P F L加固混凝土受弯构件的 承载力的计算公式， 与试验数据吻合较好 J 。刘沩 等结合规程对 HP F L加固钢筋混凝土梁 的斜截面承 载力进行 了探讨L 4 】 。 卜良桃 等对 砂浆和混凝 土之 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 2 - 2 2 作者简介： 唐贵和( 1 9 8 0 一) ， 男， 博士研究生， 讲师， 主要从事防灾减 灾加 固研究 。 基金项目： 国家 自 然科学基金项 目( 5 0 9 0 8 0 9 1 ) E —m a i l ： t g u i h e h @ 1 6 3 ． C O IT I 问的界面性能进行了试验和理论研究， 给出了一些 有益结论 剖。 卜良桃等利用 Z e u s N L软件对 H P F L 加固 R C梁进行 了非线性模拟 ， 研究 了各主要参数 对加固效果的影响， 给出了承载力的计算公式 。 尚守平等在试验的基础上， 利用弯矩 曲率法对加 固 梁 的全过程进行 了模拟 ， 效果较好 J 。Mo t h a n a等 对 H P F L加 固钢筋混凝土梁进行 了研究 ， 分析主要 参数的影响规律- 9 】 。蒋 隆敏等在二次受力加 固试 验的基础上 ， 较好地模拟 了真实情况下 H P F L加固 钢筋混凝土梁的受力过程 ， 且提 出了一些加 固构造 措施 引。 现在还少有利用有限元软件对H P F L --次受力 加固钢筋混凝土梁 的受力性 能进行研究 ， 本文在 已 有实验 数据 的基 础 上 ， 运 用 通用 有 限元软 件 ， 对 H P F L - " 次受力加固钢筋混凝土梁的受力性能进行 分析， 着重分析二次受力对加固效果带来的影响， 结 合工程实例对加固后的承载力进行了具体计算。 1 有 限元分析 1 ． 1 钢筋和钢丝模型 钢筋和钢丝采用 V o n Mi s e s屈服准则 ， 本构关 7 0 四川建筑科学研究 第 3 8卷 系采用 二折 线形 式 的弹性 一 强化模 型 ( 双线 性 模 型) ， 如图 1所示。屈服后的应力一 应变关 系简化为 平缓的斜直线 ， 其模型优点是应力一 应变关 系唯一 ， 有利于保证计算收敛。其弹性模量E 。 和泊松比 ， 均根据相关规范的建议取值。 ‘ y 图 1 钢筋应 力一 应变关系 F i g ． 1 S t e e l s t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i p 1 ． 2 混凝土和复合砂浆模型 混凝土受压行 为采用 A B Q U S中的损伤塑性本 构模型， 使用修正的 D r u c k e r — P r a g e r 屈服准则和非关 联流动法来描述混凝土在低围压下的脆性损伤及高 压下的塑性流动两种主要的变形机制。它能反映混 凝土的一些宏观变形特征： 塑性屈服受体积应力影 响、 材料体积膨胀、 极 限应力后的应变软化以及受拉 应力作用下 的再开裂破坏 。 } 昆 凝土的损伤可以通过定义拉伸损伤变量 d 和压 缩损 伤 变量 d 与混 凝 土 开 裂 位 移 u的 函 数- 1 。本文仅考虑混凝土受拉损伤并假定损伤变 量随开裂位移线性增长， 直到极限开裂位移 u ? 时达 到最大值 0 ． 9 ， 如图 2所示。 图 2 受拉损伤变量一 开裂位移曲线 Fi g ． 2 Cu r v e o f t e n s i o n da m a g e v a r i a b l e - c r a c k i n g d i s p l a c e me n t 暂时没有复合砂浆的本构关系， 复合砂浆和原 混凝土有相同的水泥基， 复合砂浆采用混凝土的本 构关系 。 在梁加固施工中一般都采用了机械打磨、 高压 水洗、 表面植销钉以及涂抹界面剂等措施， 且试验结 果也很少 出现交界面剥离现象 ， 因此非线性分析 中 假定混凝土与复合水泥砂浆之间没有相对滑移 ， 即 不考虑两者交界面的粘结破坏 J 。 1 ． 3几何尺寸 进行 四点加载的 H P F L二次受力加固钢筋简支 梁非线性有限元模拟分析时 ， 利用对称性 ， 取 1 ／ 2梁 建立模型 ， 如图 3所示。与 轴垂直面 “=0 。为 了 避免混凝土单元局部压碎， 加载点和支点附加弹性 支座， 厚度与梁相同， 宽度随单元的划分情况而定。 图 3 有限元分析模型 F i g ． 3 F EA mo d e l 1 ． 4 有限元模型 混凝土和高性能复合砂浆均采用八节点缩减积 分格式的三维实体单元 C 3 D R单元 ， 钢筋和钢丝均 采用二节点三维线性杆单元 T 3 D 2 ， 将钢筋单元 E m — b e d e d到混凝土单元 中， 即不考虑混凝土和钢筋之 间的粘结滑移。由于复合砂浆是在原梁受力后才开 始受力的， 在有限元建模时， 用单元生死来模拟这种 状况的受力状况， 即在加固前杀死砂浆单元， 加固后 再激活砂浆单元 。 1 ． 5求解过程 由于分析中包括了混凝土和砂浆开裂和钢筋的 塑性变形 ， 因此需要使用非线性迭代技术求解。采 用 了 A B A Q U S中 N e w t o n — R a p h s o n平衡迭代法。对 于一个小的荷载增量△ P ， A B A Q U S 计算出迭代的残 差力并与容许值进行 比较 ， 默认 的容许值设置为在 整个时间段上作用 于结构 上平均力 的 0 ． 5 ％ ， 若残 差力小于容许值， 则认为达到平衡状态。同时还要 检查位移修正值是否与总增量位移相比很小， 位移 的容许值为 1 ％。 2 有限元模型的验证 为了验证计算结果的准确性 ， 对文献 [ 7 ] 的试 件利用 A B A Q U S 逐个进行了计算 ， 试件极 限承载力 计算结果与试验数据对比见表 1 。该试验梁截面均 为2 5 0 m m 6 0 0 m m， 计算跨度为 7 0 0 0 m m， 箍筋直 径为 西 8 @2 0 0 。钢丝 网为直 径 8的 H R B 4 0 0级 钢 筋 ， 梁底和梁侧 间距 均为 5 0 m m 5 0 mm。从对 比 中可以看出， 计算结果和试验结果吻合较好 ， 说明计 算结果的准确性。 2 0 1 2 N o ． 4 唐贵和， 等： 高性能钢丝网复合砂浆二次受力加固钢筋混凝土梁受力性能研究 7 l 表 1 有限元计算结果与试验结果对比 Ta b l e 1 Co mp a r i s o n b e t we e n F E a n d t e s t r e s u l t s 从表 1 可 以看出： 1 ) H P F L加固钢筋混凝土梁的极限承载力有较 大程度的提高。比如 B S E — A一组， 极限承载力较未 加固梁提高分别为 3 4 ． 1 ％ 。 7 7 ． 5 ％和 5 2 ． 0 ％。 2 ) 前期初始荷载水平对 H P F L加固钢筋混凝土 极限承载力提高幅度有很大影响， 初始荷载越大， 提 高幅度越小。比如 B S E ． C一组 ， C 3初 始荷载小 于 c 2 ， 而 c 3承载力提高 6 6 ． 2 ％， C 2提高 4 0 ． 9 ％， C 3 提高幅度大于 C 2 。 3 计算实例 某工程一矩形截面梁因为荷载增加 ， 截面的设 计弯矩值增大为 M= 2 7 0 k N m， 需采用 H P F L加 固。该梁截 面尺寸为 2 5 0 mm6 0 0 m l n ， 混凝土 的 强度等 级 为 C 3 0 ， 受拉 区配置 了 H R B 3 3 5级 钢 筋 3 5 ， 受压区配置了 H R B 3 3 5级钢筋 2 ~ b 1 8 ， 加固前 采取可靠措施对梁进行卸载， 截面弯矩为 = 5 0 k N1 T I 。对 该 梁进 行加 固处 理 ， 加 固采 用 8的 H R B 2 3 5级钢筋 网， 单侧砂浆层厚度为 2 5 1T i m， 砂浆 强度等级为 M 4 0 ， 此梁采用 三面 u形加 固， 梁底部 加固钢筋网间距与侧面钢筋网间距都取 5 0 I T I IT I ， 试 验算该梁加固后能否满足要求。 1 ) 加 固前该梁极限承载力 加固前原梁的混凝土受压区高度： = =8 0． 7 mm M =厂 A 。 ( h o—a 。 )+ b x ( h 0一x ／ 2 ) = 2 3 2． 3 k N I n 小于2 7 0 k N m， 不满足要求需要加固处理。 2 ) 加固承载力验算 由于 Mo ／ M =2 1 ． 5 ％ >2 0 ％， 应 二次受力计算 截面承载力。由 b x+2 a J m t 1=f , a 一厂 A + 。 +0 ． 4 f ． ( h—x ) ／ h可得 出 =9 6 ． 4 m m， 经 验算满足要求。 又 由M ≤厂 v A ( h o—x ／ 2 )+ 厂 A 。 ( x ／ 2—0 )+ 厂 m A ( 砷 一 x ／ 2 ) + 0 ． { 厂 m A ( h 一 ) ( 2 ． 2 h 一 0 ． 7 x ) ／ 3 ／ h ， 可得出加 固后该梁极限承载力为 3 1 2 ． 1 k N r n ， 大于 2 7 0 k N n l ， 符合规范要求 。 4 结论 经过初步研究 ， 可以得 出如下结论 ： 1 ) 对 H P F L二次加固钢筋混凝土梁的受力进行 了三维有限元分析， 考虑了加固梁二次受力的特点， 计算的加固后极限承载力与试验结果吻合较好； 2 ) H P F L二次加固钢筋混凝土梁的加 固效果 良 好， 极限承载力大幅提高； 前期初始荷载对 H P F L加 固钢筋混凝土极限承载力提高幅度有很 大影响 ， 初 始荷载越大 ， 提高幅度越小； 3 ) 对实际工程中的加固梁进行了计算 ， 考虑 了 二次受力带来 的滞后应变影响。 本文研究成果可以为 H P F L二次加 固钢筋混凝 土梁的设计和施工提供参考。 参 考 文 献 ： [ 1 ] 汤繁华 ， 蒋隆敏． 高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层加固钢筋混 凝土结构的技术研究进展[ J ] ． 工业建筑， 2 0 1 1 ， 4 1 ( 1 2 ) ： 1 0 6 - l l 0． [ 2 ] 尚卿 ， 刘一斌． 高性能水泥复合砂浆 钢筋网薄层在校舍 建筑 抗震加固中的应用[ J ] ．施工技术 ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 3 ) ： 5 5 - 5 7 ． [ 3 ] 周方圆， 尚守平． 高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层( H P F L ) 加 固混凝 土构件正截面承载力计算 [ J ] ． 施工技术 ， 2 0 0 8 ， 3 7( 4 )： 7． 1 0． [ 4 ] 刘沩， 尚守平． 高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层( H P F L ) 加 固混凝土构件斜截面承载力计算[ J ] ． 施工技术， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 4 ) ： l 1 ． 1 4． [ 5 ] 卜良桃， 全胡． 高性能水泥复合砂浆与混凝土粘结的剪切性 能试验研究【 J ] ．四川建筑科学研究， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 3 ) ： 6 4 ． [ 6 ] 卜 良桃， 高伟 ， 罗兴华． 高性能水泥复合砂浆与混凝土粘结 钻芯拉拔试验研究[ J ] ． 湖南大学学报 ： 自然科学版， 2 0 0 9 ， 3 6 ( 1 ) ： 1 9 - 2 3 ． [ 7 ] 良桃， 王月红， 尚守平． 复合砂浆钢丝网加固抗弯 R C梁的非 线性分析[ J ] ． 工程力学 ， 2 0 0 6， 2 3 ( 9 ) ： 1 2 5 - 1 3 0 ． [ 8 ] 尚守平， 曾令宏 ， 彭晖． 钢丝网复合砂浆加固混凝土梁受弯 构件非线性分析[ J ] ． 工程力学， 2 0 0 5 ， 2 2 ( 3 ) ： 1 1 8 — 1 2 5 ． [ 9 ] M o t h a n a A A， M o h d z J ． F e r r oce m e n t l a m i n a t e s t r e n g t h e n s R C b e a m s [ J ] ． C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 0， 2 2 ( 6) ： 3 7 - 4 3 ． [ 1 O ]蒋隆敏， 尚守平 ， 刘龙海． 高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层二 次受力加固 R C 偏压柱试验及承载力计算方法研究[ J ] ．建筑 结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 4 ) ： 7 2 - 7 9 ． [ 1 1 ]A B Q U S I n c ． A B A Q U S V e ~ i o n 6 ． 1 0 D o c u m e n t a t i o n[ M] ． U S A： AB A Q U S I n c ． ， 2 0 1 0 ．