基于ATENA的梁侧锚固钢板加固梁中纵横向滑移数值模拟

蔡自伟，陆洲导，李凌志



基于ATENA的梁侧锚固钢板加固梁中纵横向滑移数值模拟

蔡自伟，陆洲导，李凌志

( 同济大学 土木工程学院结构工程与防灾研究所， 上海， 200092)

为了研究梁侧锚固钢板加固混凝土梁(BSP梁)中由于锚栓连接剪切变形而导致连接界面上存在纵横向相对滑移而造成的加固效果降低问题，采用非线性有限元分析软件ATENA模拟在不同外荷载作用下不同几何参数BSP梁的纵横向滑移及锚栓连接剪力传递行为，并与前期试验结果进行对比以验证模型的适用性。在此基础上，通过参数分析研究荷载布置、混凝土梁、钢板和锚栓连接刚度等因素对纵横向滑移及剪力传递的影响规律。研究结果表明：锚栓剪力与滑移基本呈线性关系，正向和负向的纵横向锚栓剪力传递均满足平衡条件，剪力传递的幅值由外荷载决定，但其分布曲线的形状与外荷载无关，由荷载形式决定。

钢筋混凝土梁；梁侧锚固钢板；滑移；剪力传递；非线性有限元分析

对既有结构进行检测、鉴定、加固和改造正成为建筑业的热点之一[1]。钢筋混凝土梁的加固主要采用粘钢法和粘贴纤维增强聚合物(FRP) 法，其加固机理是通过结构胶将钢板或FRP粘贴到混凝土构件表面，使二者协同工作。这2种加固技术易受结构胶 质量、使用环境和施工工艺的影响，钢板与混凝土黏结面可能发生过早脱胶和脆性剥离破坏[2−3]。采用梁底锚固钢板法虽然可以避免剥离破坏并增加梁的抗弯强度和刚度，但会导致超筋和延性降低[3]。因此，SU等[4]提出采用梁侧锚固钢板加固混凝土梁(BSP梁)。BSP梁在延性降低不多的情况下具有更高的抗弯、抗剪承载力，裂缝开展均匀且宽度小，不会发生剥离破坏，施工方便，质量可靠[5−6]。BSP梁通常发生钢板屈曲[7−8]和因锚栓剪切变形而导致的钢板与混凝土梁之间相对滑移[9−10]的问题，其加固效果也往往由于纵向和横向相对滑移而导致的钢板与混凝土梁不完全共同工作而降低。关于纵向滑移和锚栓纵向剪力传递的研究十分有限，NEWMARK[11]研究了钢筋混凝土板和钢梁间的不完全共同工作，建立了预测钢梁−混凝土板交界面纵向滑移的弹性模型。SU等[12]提出的纵向滑移的数值程序能够比较精确地预测梁跨内一些离散点的纵向滑移。LI等[5, 13]进行了梁跨内纵向滑移分布的试验研究和数值模拟，提出了纵向滑移和部分共同作用的解析模型，得到了纵向滑移的计算公式。横向滑移和锚栓横向剪力传递对BSP梁的影响往往更为关键。横向滑移通常为 0.01~ 0.50 mm之间，很难被精确测量。以往研究采用了很多假定来描述 BSP 梁的横向滑移特性。OEHLERS等[10]通过理论分析建立了横向共同工作程度和锚栓剪切刚度之间的关系，但是其关于剪力在钢板和混凝土交界面上均匀分配的假定与实际情况并不一致。NGUYEN等[14]基于这一模型导出了纵向和横向共同工作程度的关系，但是其在计算中性轴位置时采用的钢板和混凝土梁曲率相同的假定与连接界面上存在横向滑移的假定是互相矛盾的。SIU等[9, 15]开发了用以衡量锚栓群非线性剪切本构模型和BSP梁纵横向滑移分布的数值程序，提供了确定横向滑移的方法，但其关于横向滑移沿梁跨线性分布的假定尚未得到证实。BSP梁纵横向滑移理论分析和试验研究仍存在很多限制。因此，本文作者采用非线性有限元分析软件ATENA建立了一种新的有限元模型，以分析不同几何参数、不同荷载工况下BSP梁的纵横向滑移和锚栓剪力传递的变化规律。

1 数值模拟

1.1 混凝土模拟

将混凝土理想化为厚度等于梁宽的二维实体，并采用混凝土本构模型SBETA来模拟混凝土的反应。其中，SBETA模型考虑了如下因素：1) 混凝土在受压状态下的非线性反应，包括硬化和软化阶段；2) 混凝土基于非线性断裂力学的受拉开裂；3) 双轴强度破坏准则；4) 开裂后抗压强度的降低；5) 开裂后剪切刚度的降低。SBETA 模型是在KUPFER等[16]提出的双轴破坏准则(见图1(a))与DARWIN等[17]提出的等效单轴应力−应变曲线(见图1(b))基础上建立的。

根据KUPFER破坏准则[16]，混凝土抗拉强度t和抗压强度c是由混凝土当前应力状态(1和2)所决定的：