王修闖 唐 鋒

(中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528403)

基于Ansys的銹蝕RC梁底面鋼板加固有限元仿真分析

王修闖 唐 鋒

(中交路橋華南工程有限公司，廣東 中山 528403)

采用Ansys建立了底面粘鋼加固銹蝕梁有限元模型，并且通過(guò)粘鋼加固銹蝕梁抗彎性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了模型的正確性，分析了試驗(yàn)梁裂縫、變形、鋼板應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)，并得出一些有意義的結(jié)論。

有限元，仿真分析，鋼板加固，RC梁

0 引言

鋼板加固由于其方便、成本低等特點(diǎn)，在工程中已廣泛使用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于鋼筋銹蝕梁和鋼板加固非銹蝕梁有限元分析方面的研究已經(jīng)較為深入[1-4]。在上述兩方面的研究中，學(xué)者僅考慮鋼筋銹蝕后鋼板加固單方面的因素，在實(shí)際工程中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)往往是在鋼筋銹蝕引起結(jié)構(gòu)性能退化之后進(jìn)行加固的，因此有必要結(jié)合兩個(gè)因素，研究鋼板加固銹蝕RC結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。

本文通過(guò)Ansys平臺(tái)，建立了粘貼鋼板加固銹蝕RC梁底面的有限元模型，選用合適的單元類型模擬各材料，考慮銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移，分析了粘鋼加固混凝土梁受力破壞后的變形、裂縫分布、鋼板應(yīng)變力學(xué)指標(biāo)。制作了6片鋼板加固銹蝕梁，通過(guò)靜載試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的正確性。同時(shí)考慮不同銹蝕率和鋼板厚度對(duì)試驗(yàn)梁承載力和變形的影響。

1 有限元模型的建立

1.1 混凝土模型

在大部分Ansys有限元研究中混凝土選用Solid65單元進(jìn)行模擬。混凝土的非線性材料屬性采用Miss屈服準(zhǔn)則下的多線性強(qiáng)化模型?；炷灵_裂后使用自適應(yīng)降低和拉應(yīng)力消失相組合的方法，模擬混凝土開裂過(guò)程。Solid65的破壞準(zhǔn)則是改進(jìn)的William-Wamke的5參數(shù)破壞準(zhǔn)則，5參數(shù)分別是單軸抗拉強(qiáng)度、單軸抗壓強(qiáng)度、雙軸抗壓強(qiáng)度以及在某一圍壓下的單軸抗壓強(qiáng)度和雙軸抗壓強(qiáng)度[1]。

鋼筋一般采用Link8三維桿件模型模擬。Link8單元有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，三個(gè)自由度，可以承受單向的拉伸和壓縮。對(duì)于鋼筋的銹蝕，在實(shí)際工程中大多數(shù)情況下不會(huì)均勻，因此本文采用Val[5]提出的點(diǎn)蝕模型，銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度可以采用Stewart[6]提出的銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度線性模型：

(1)

其中，fyc為銹蝕后鋼筋的屈服強(qiáng)度;fy為未銹蝕時(shí)鋼筋的屈服強(qiáng)度;As為未銹蝕鋼筋的截面面積;φ為實(shí)驗(yàn)系數(shù)，對(duì)于光圓鋼筋和螺紋鋼筋來(lái)說(shuō)，彭建新[7]通過(guò)大量銹蝕鋼筋拉拔試驗(yàn)取平均值為0.003 5。

1.2 銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移模型

銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移使用Combine39來(lái)實(shí)現(xiàn)，Combine39單元是一個(gè)非線性彈簧單元。如果使用Combine39實(shí)現(xiàn)粘結(jié)滑移，就必須繪制荷載—位移曲線。荷載即銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)力，粘結(jié)力與粘結(jié)強(qiáng)度之間存在如下關(guān)系：

F(s)=μ·πdl

(2)

其中，s為粘結(jié)滑移量；μ(s)為銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度；d為鋼筋直徑；l為聯(lián)結(jié)間距，取為35 mm。

當(dāng)鋼筋銹蝕量很小的時(shí)候，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)增強(qiáng)，當(dāng)沿鋼筋出現(xiàn)銹脹裂縫的時(shí)候，粘結(jié)強(qiáng)度才會(huì)降低[8]。在現(xiàn)有研究中，Maaddawy[9]提出了考慮箍筋錨固的粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算公式：

(3)

Harajli提出了粘結(jié)強(qiáng)度和滑移量之間的法則[10]，見(jiàn)下式：

(4)

其中，α=0.7；μ1=2.57(fc)0.5；s0=0.4；c0=8 mm；s1=0.15c0；s2=0.35c0，粘結(jié)強(qiáng)度μ和滑移量s之間的關(guān)系圖如圖1所示，由粘結(jié)應(yīng)力和位移的關(guān)系，結(jié)合式(2)，可得粘結(jié)力與位移的關(guān)系。

1.3 粘膠層和鋼板模型

粘膠層和鋼板采用六面體八節(jié)點(diǎn)Solid45單元模擬，為了簡(jiǎn)化膠層和鋼板建模，在劃分單元時(shí)，在其厚度方向上劃分三個(gè)單元。本文中考慮鋼板厚度的影響，因此按各種鋼板厚度的相同厚度因子作為單元高度，進(jìn)行鋼板單元?jiǎng)澐帧ｄ摪宓膽?yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，圖中應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)量級(jí)分別是105Pa和10-6微應(yīng)變。

1.4 建立有限元模型

本文采用分離式建模方式，先建立銹蝕梁模型，然后建立鋼板模型，分別按照上述所述的材料單元進(jìn)行建模，假設(shè)混凝土和膠層，以及膠層與鋼板聯(lián)結(jié)完好，沒(méi)有滑移，有限元模型和劃分網(wǎng)格如圖3所示。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證有限元模型的正確性，本文制作了9片鋼板加固銹蝕梁，試驗(yàn)梁尺寸為150 mm×300 mm×2 400 mm，鋼板的尺寸為100 mm×2 000 mm，厚度分別是2 mm，4 mm，6 mm，所有鋼筋為HRB335的精軋螺紋鋼，鋼板為Q235普通鋼板，受壓區(qū)鋼筋為兩根φ12的螺紋鋼筋，受拉區(qū)鋼筋為兩根φ18的螺紋鋼，箍筋為φ8的螺紋鋼筋，箍筋間距為110 mm。鋼筋布置具體見(jiàn)圖4。

混凝土采用C30混凝土，混凝土試塊通過(guò)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后測(cè)試抗壓強(qiáng)度平均值為30.03 MPa。受壓區(qū)鋼筋和受拉區(qū)鋼筋的屈服強(qiáng)度分別為336 MPa和340 MPa。箍筋的屈服強(qiáng)度為338 MPa。鋼筋的彈性模量為200 GPa。鋼板的屈服強(qiáng)度為238 MPa。粘膠層使用JN建筑結(jié)構(gòu)膠，抗壓強(qiáng)度為89.5 MPa，與混凝土正粒的粘結(jié)強(qiáng)度為4.0 MPa。

2.2 鋼筋銹蝕和鋼板安裝

本試驗(yàn)采用實(shí)驗(yàn)室快速銹蝕抗拉鋼筋的方法進(jìn)行腐蝕，腐蝕槽內(nèi)配有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的NaCl溶液，將試驗(yàn)梁受拉主筋和直流電源的正極相連，浸泡在銹蝕溶液中的不銹鋼板與直流電源的負(fù)極相連，保持直流電源的電流穩(wěn)定。6片梁的銹蝕率分為2個(gè)等級(jí)10%，20%。鋼板粘貼采用JN建筑結(jié)構(gòu)膠粘貼，鋼板厚分為2個(gè)等級(jí)，具體粘貼示意圖見(jiàn)圖5。

2.3 試驗(yàn)梁加載

本試驗(yàn)采用雙點(diǎn)加載的方式進(jìn)行，每級(jí)加載10 kN，在每級(jí)加載過(guò)程中，記錄跨中、1/4跨的鋼板應(yīng)變和撓度，同時(shí)描繪前后兩面裂縫分布情況。試驗(yàn)加載圖見(jiàn)圖6。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果和部分設(shè)計(jì)參數(shù)在表1中列出。

從表1中可以看出，在銹蝕率接近的情況下鋼板增加2 mm，例如P1和P2，P4和P5極限承載力增長(zhǎng)20 kN左右，極限跨中撓度降低2.7 mm左右，然而，對(duì)比P2和P3，P6和P5發(fā)現(xiàn)，極限承載力增加量和撓度的減小量降低。說(shuō)明鋼板厚度對(duì)于銹蝕梁極限承載力和剛度的增加不是線性的，當(dāng)鋼板厚度超過(guò)一定值后對(duì)于極限承載力和剛度的提高量將會(huì)減少[11]。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在鋼板厚度相同的情況下，銹蝕率提高10%，承載力降低30 kN左右，撓度增加3 m左右，對(duì)比兩種情況，銹蝕率對(duì)于鋼板加固銹蝕梁的影響更大。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元分析

本文選取了L1～L3梁的跨中撓度與有限元結(jié)果對(duì)比，圖7a)～圖7c)分別為L(zhǎng)1～L3梁試驗(yàn)和有限元荷載撓度對(duì)比。

從圖7中可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果較為吻合，其他3片梁實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果也比較接近。說(shuō)明有限元仿真能夠較為準(zhǔn)確的模擬鋼板加固銹蝕梁實(shí)驗(yàn)過(guò)程中變形性能。

圖8a)～圖8c)給出了L1～L3跨中鋼板應(yīng)變實(shí)驗(yàn)值和有限元對(duì)比。

從圖8中可以看出，有限元仿真過(guò)程鋼板應(yīng)變結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，在接近極限荷載的時(shí)候應(yīng)變出現(xiàn)突然減小，是因?yàn)殇摪迥┒擞新晕⒌膭兟?，從而引起?yīng)變下降。

本文也使用Ansys列舉出L1～L3的裂縫分布圖(如圖9所示)。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果可以看出(見(jiàn)表1)，隨著鋼板厚度增大，裂縫分布減小，間距也減小，鋼板厚度越小，寬厚比越大，裂縫分布越密集，這是因?yàn)殇摪鍖?duì)銹蝕梁緊箍效應(yīng)隨著寬厚比增加而增大[11]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)鋼板底面加固銹蝕梁有限元仿真，模擬了鋼板加固銹蝕梁受靜載試驗(yàn)全過(guò)程，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)研究與有限元進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)鋼板加固銹蝕梁的變形，裂縫分布，鋼板應(yīng)變進(jìn)行了試驗(yàn)分析和對(duì)比研究，得出了以下結(jié)論：

1)Ansys有限元仿真能夠較為準(zhǔn)確的模擬試驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果較為接近。

2)鋼板厚度對(duì)于銹蝕梁極限承載力和剛度的增加不是線性的，當(dāng)鋼板厚度超過(guò)一定值后對(duì)于極限承載力和剛度的提高量將會(huì)減少。銹蝕率對(duì)于鋼板加固銹蝕梁的影響更大。

3)由于鋼板在接近極限荷載時(shí)候，鋼板末端剝落引起了鋼板應(yīng)變下降。

4)同一銹蝕率下，鋼板厚度越小，寬厚比越大，裂縫分布越密集，鋼板對(duì)銹蝕梁緊箍效應(yīng)隨著寬厚比增加而增大。

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Simulated analysis for corroded RC beam strengthened by bonding steel plate from bottom based on Ansys

Wang Xiuchuang Tang Feng

(Road&BridgeSouthChinaEngineeringCo.,Ltd,Zhongshan528403，China)

A finite element model for corroded RC beam strengthened by bonding steel plate from bottom is proposed used Ansys. The validity of the model is verified through the experiment of the corroded and strengthened beams. The mechanical parameters of tested beams such as cracks, deformation, train of steel plate are analysed, some significative conclusions are obtained.

finite element， simulated analysis， strengthened by bonding steel plate， RC beam

2015-01-30

王修闖(1983- )，男，工程師； 唐 鋒(1985- )，男

1009-6825(2015)10-0029-03

TU392.4

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