加大截面法加固受弯构件的方法及其受力性能研究

戴俊伟

(福建省建筑科学研究院 福建福州 350000)

引 言

随着社会经济的发展和人民生活水平的改善，既有建筑的面积和使用功能已不能满足新的要求，为了扩大建筑面积，改善其使用功能，在节省经费、缩短工期、避免繁琐程序的情况下，对既有建筑结构进行改造和加固处理[1]。在工程应用中，通过加大截面加固受弯构件来改变结构的整体受力，形成新的构件。然而加大截面加固钢筋混凝土受弯构件在改造中连接方法及其抗震性能研究具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

针对目前加大截面法加固钢筋混凝土受弯构件的理论研究与工程应用中急待解决的技术难题，本文主要研究改进的加大截面法加固受弯构件的受力性能研究。考虑不同的构造植筋布置设计并制作多个加固试件，通过静力加载试验和数值模拟分析，研究改进的加大截面法加固钢筋混凝土梁的受力及变形性能，分析不同的植筋布置方式对受弯构件的受力性能的影响，以及新、旧混凝土结合面的工作性能。

1 试验概况

1.1 加大截面加固受弯构件的设计

本课题研究某多层钢筋框架楼盖梁为研究对象，考虑楼面荷载的增加，对原框架梁采用加大截面法进行加固处理，用U型筋焊缝旧梁箍筋，并采用植筋技术植入旧梁结构中，此后二次浇注梁混凝土，形成试验试件。原梁混凝土强度等级为C30，新浇混凝土强度等级为C40;旧混凝土试件和新增的试件钢筋等级和箍筋钢筋等级分别为HRB335和HPB300级钢筋;试件箍筋、U型筋均采用6(HPB300)，加固改造试件采用植筋14(HRB335);本试验选取与原型结构相同的材料，根据结构实验室设备及加载装置条件的限制，对原有结构不能按实际来进行试验，因此，本课题试验试件取模型比例C=0.5。取模型比之后梁的截面尺寸b×h=180mm×250mm(宽×高)，梁长l=2550mm，加大截面法加固改造试件取下部增高尺寸△h=100mm。加固后试件尺寸l×b×h=2550mm×180mm×350mm。加固改造试件采用U型筋连接方式，与原箍筋采用单面焊接，焊接长度为10d(d为箍筋直径)。试验原梁试件为一次性整浇矩形截面梁，试件尺寸为l×b×h=2550mm×180mm×350mm。

根据本试验的研究内容及对比分析的需要，共设计两组系列四种试件:第一组试件为一组试件为原梁试件(YSJ－1)，按实际的配筋制作一个试件，另一组试件为加固改造试件(JSJ－1、JSJ－2、JSJ－3)，按实际的配筋共制作3个试件，根据试验的需要研究的问题，分别采取不同位置的植筋布置方式。不同的植筋布置方式如(表1)。各试件的配筋详(图1、图2)。

表1 试件类型

图2 加固试件(JSJ－1、JSJ－2、JSJ－3)配筋图

1.2 试验加载装置及加载方法

(1)试验加载装置

试件采用单调静力加载方案，试验所需的设备采用分配梁液压加载系统进行加载，试验荷载取值为标准荷载，加载采用三分点加载[2]。实际加载装置由钢结构自平衡式荷载梁及钢墩、支座、钢制荷载分配梁，以及液压油泵和液压加载器等组成(图3)。

图3 试验加载装置

(2)试验加载制度

本试验采用分级加载制度，加载采用荷载及位移控制方式。试验正式加载前先进行预加载。预加载目的是为了检查试件安装是否可靠、试验中应变片与导线的连接是否接触良好、试验中的函数仪及应变仪是否连接良好。故试件在外部荷载作用下，需要对试件进行预加载，预加载的取值一般是开裂荷载的50%左右。试验中，一次性整浇梁(原梁试件)预加载荷载取9.8KN，加固改造试件预加载荷载取10.55kN。

正式加载:使用液压加载系统对结构试件进行加载，逐步对结构试件进行加载，起初加载按荷载控制，待试件屈服后，按位移控制加载，直至试件宣告破坏为止，停止加载。在试验加载过程中，同时记录相应所需要的数据，并观察试验数据的变化和裂缝发展的情况。

2 试件的受力变形性能分析

试验过程绘制各试件的P(荷载)—Δ(变形)关系曲线见(图4)，各试件的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载如下(表2)所示。

(1)第一组试件的受力变形特征分析

原梁试件(YSJ－1)是一次性整浇的试件，在第一级加载时，荷载和变形关系曲线开始基本上是线性变化的，未发现任何可见的裂缝。随着荷载的不断增大，荷载和变形关系曲线显非线性变化，曲线的斜率不断的减小。随着荷载的增加，荷载与变形曲线出现了拐点，表明试件已经开裂了。裂缝最先出现在梁跨中下部且向上部不断的延伸，随着荷载增大，裂缝延伸及宽度不断的扩展。当试件加载到屈服时，荷载和变形曲线图又显示的明显的拐点，说明试件开始屈服了。随着荷载的不断加大，曲线略有点下降，直至试件宣告破坏。从荷载变形曲线中可知，试件是属于延性破话，且破坏特征都满足钢筋混凝土梁工作受力三个阶段:开裂、屈服、破坏等三个阶段[3]。

图4 P(荷载)－Δ(变形)关系曲线图

表2 各个试件的开裂荷载、屈服荷载及极限荷载

(2)第二组试件的受力变形特征分析

加固试件(JSJ－1)、加固试件(JSJ－2)、加固试件(JSJ－3)三个试件，在第一级加载时都未出现裂缝，试件基本上都是线性变化的。随着荷载的不断增加，荷载和变形曲线的关系显非线性变化，曲线的斜率就不断的减小。随着荷载继续的增加，加固改造的三个试件都出现明显的拐点，说明时间也开始开裂了，裂缝最先出现在梁跨中底部且向上不断的延伸，随着荷载的不断增大，跨中裂缝也有所延伸及宽度扩展。当加固改造试件到达屈服时，三个试件也都出现了明显的拐点，说明时间已经开始屈服了。屈服后的试件各个纵向受力钢筋的应变的变化不是很大，呈平稳的增大。随着荷载不断增大直至试件宣告破坏，曲线的显示略有点下降。试件整个过程中出现了开裂、屈服及破坏三阶段。

综上所述，由试件试验的变形荷载曲线可以得出以下结论:

(1)四个试件从开始加载到破坏阶段都经历弹性阶段、弹塑性阶段及破坏阶段，试件都属于延性破坏。

(2)四个试件裂缝发展情况均相似，且裂缝出现均在梁跨中。随着荷载不断增加，跨中底部裂缝不断向上延伸及扩展，直至试件宣告破坏，裂缝最大宽度出现在梁跨中底部。

(3)四个试件中，加固改造试件3(JSJ－3)荷载曲线与一次性整浇原梁试件(YSJ－1)相似，荷载与变形曲线的变化规律也较为相似，极限荷载也较为接近。说明双排植筋的布置使得新、旧混凝土加固试件的结合面协同工作较好。

(4)加固试件1(JSJ－1)与加固试件2(JSJ－2)变化曲线较为相似，说明植筋在结合面的布置的单排和折线排放相差不多。

3 有限元计算模型建立

(1)计算模型的选取

本课题的钢筋混凝土构件采用分离式模型，就是将钢筋材料混和凝土材料分别采用不同的单元。因为试验试件中混凝土内有钢筋，因此要选用Solid65单元对旧梁和新增梁模进行建模，选用LINK8单元对纵向钢筋、箍筋和植筋钢筋进行建模，在新、旧梁之间的结合面采用Conta174单元和Targe170单元进行建模[4]。

(2)模型网格划分

在有限元分析中，模型网格划分大小影响着计算的精度及收敛性。若网格划分太小，不仅会延长模型的计算时间，而且也会导致应力集中其计算结果不收敛;若网格划分太大，会造成不同单元间位移难以协调，从而影响计算结果精确度。本课题试件网格划分如(图5)所示。

图5 试件网格划分

(3)边界条件和加载制度

①位移约束

在有限元研究分析时，首先需要对模型设定位移条件，然后对位移施加约束。在试件底部两端距梁端75㎜处的进行竖直方向和水平方向的约束，再对梁顶三分点处施加约束，模拟试件与试验试件的约束位置一致。

②荷载

ANSYS分析过程中，通常采用分步来进行荷载施加，但这样的计算方法结果不精确，所以本课题采用位移控制的方式加载。

③求解

ANSYS求解过程中，设置许多线性方程之后，利用求解器作用在试件之上然后记入荷载进行计算求解。

4 有限元计算结果分析

4.1 混凝土应力分析

在四个试件中其混凝土受力情况及应力分布都非常相似，因此取模型YSJ－1和JSJ－3进行研究分析。随着荷载的不断增大，新旧混凝土结合面处的应力变化与实验的结果基本上相同。其YSJ－1混凝土等效应力云图如(图6)、位移图如(图7)及JSJ－3混凝土等效应力云图如(图8)、位移图如(图9)。

图6 模型YSJ－1在Y方向的位移图

图7 模型YSJ－1的应力云图

图8 模型JSJ－3在Y方向的位移图

图9 模型JSJ－3的应力云图

由以上(图5～图8)等效应力图和位移图可知:对试件模型进行加载时，新旧混凝土结合面两端处的出现最大应力区域，随着荷载的提高，新旧混凝土结合面的受力情况与试验数据结构及破坏情况相同，也与实际试验情况也相同，所以试件受力机理符合试件原先设计的和最后实际试验的结果相符。

4.2 荷载与变形曲线分析

从(图10)中可以看出，试件数值模拟中荷载—位移关系曲线与实验中荷载—位移曲线基本上较为吻合，表明试件在数值模拟中破坏特征跟实际实验的结果较为相似，都是经历三个阶段:开裂、屈服、破坏。由于混凝土的材料及浇注等过程中，有不定性的因素影响，使得实验值与模拟值有一点的变化。然而模拟值时根据试验的设计、混凝土材料、钢筋的类型及排放位置等参数确定好进行加载模拟，而实际试验中混凝土由于养护环境、水灰比影响混凝土强度、混凝土的浇注不均匀等因素，从而实验值相对较小于数值模拟值。综上所述，由于试件构件的设计，浇注混凝土质量等符合实际的工程，反映的是现实问题，而数值模拟是根据设计等参数而进行数值模拟实验，无法反映出真实问题。

四个模型由数值模拟所得极限荷载值与试验所得极限荷载值相差很小(表3)。尤其是JSJ－2荷载与位移曲线，两者几乎是相同的。数值模拟值相对较高一点，表明数值模拟的数据与实际试验基本上是相符合的。

(1)试件模型的受力性能与试验中的试件受力机理结果基本上相符合，保持一致。

(2)数值模拟中的极限荷载要大于试验中的极限荷载，整浇试件的承载力大于加固改造的试件，试件JSJ－3承载力要大于试件JSJ－1、JSJ－2，说明“梅花形”植筋布置提高承载力比较明显。

(3)四个模型试件都是延性破坏的，植筋布置不同方式，其承载力也有所差别，这也与试验的结果较吻合。

5 结论

表3 试件的极限荷载模拟值与试验极限荷载值

本文通过分析加大截面法加固受弯构件的受力特点及新、旧混凝土结合面的粘结机理，提出在结合面进行人工凿毛处理及增设构造植筋的方法来提高新、旧混凝土结合面的粘结力。据此，设计制作了两组4个试件，通过结构静载试验，测定了各试件的受力及变形参数，通过分析试验数据，提出了加大截面法加固钢筋混凝土受弯构件承载力计算公式，运用有限元进行数值模拟分析，并与试验试件进行对比分析，所得主要研究结论有下列二点:

(1)增设构造植筋可显著提高新、旧混凝土结合面的粘结力学性能及结合面的开裂性能，大大提高了新、旧混凝土共同工作能力，使得结合面的无裂缝出现。

(2)改进结合面的连接方法，采用布置构造植筋，使得加固试件受力性能接近一次性整浇试件。尤其是加固试件3，新、旧混凝土结合面的连接方式采用梅花形布置构造植筋，其承载力接近原梁试件。

通过分析有限元模拟试件 YSJ－1、JSJ－1、JSJ－2、JSJ－3可知:

[1]殷惠君.建筑结构加固、改造综合技术研究[D].同济大学硕士论文，2009.

[2]姚谦峰.土木工程结构试验[M].北京:中国建筑工业出版社，2008.

[3]王铁成，程文瀼，颜德妲.混凝土结构设计原理[M].北京，中国建筑工业出版社，2007.

[4]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社，1998.