粘钢加固钢筋混凝土矩形梁仿真分析

鄢生全

（广东长大公路工程有限公司第一分公司，广东广州 511431）

粘钢加固钢筋混凝土矩形梁仿真分析

鄢生全

（广东长大公路工程有限公司第一分公司，广东广州 511431）

利用有限元软件ANSYS对粘钢加固的钢筋混凝土梁进行了分析研究，并结合工程实例加以论述，结果表明粘钢加固钢筋混凝土矩形梁结构的强度和刚度显著提高。

粘钢加固，钢筋混凝土矩形梁，强度，刚度

钢筋混凝土结构发挥了钢筋和混凝土的优点。混凝土材料的抗压强度高，而抗拉强度却很低;钢材抗拉强度和抗压强度都很高。钢筋混凝土结构具有就地取材、耐久性好、适应性强等优点，其主要缺点是自重大、施工季节性影响大等。影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要原因是混凝土开裂引起的钢筋锈蚀，而针对该种病害的处理方法之一是粘贴钢板，提高钢筋混凝土的强度和刚度，改善钢筋混凝土的工作性能。本文基于ANSYS研究粘钢加固对钢筋混凝土矩形梁刚度和强度的影响情况。

1 建立仿真模型

1.1 仿真模型建立方式

钢筋混凝土矩形梁粘钢加固仿真模型建立采用有限元软件ANSYS，仿真模型采用分离式形式，即分别采用实体单元Solid65和杆单元Link8模拟混凝土和钢筋，混凝土单元和钢筋单元之间连接采用共结点方式进行模拟，认为钢筋单元与混凝土单元之间粘结良好，不会发生滑移。采用分离式形式建立有限元模型的过程比较复杂，需要通过布尔预算的方式，在实体单元内部切割出钢筋的位置，然后将钢筋单元的竖向赋予实体内部的线。建立钢筋过程中，应采用主要受力钢筋进行模拟，钢筋结构过于复杂，会引起计算收敛过于困难。

1.2 材料的本构关系

1.2.1 混凝土的本构关系［2］

混凝土的本构关系表达混凝土的应力—应变关系，混凝土本构关系理论包括线弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论等，应根据数值分析的特点，选择合适的本构模型。本文中混凝土单轴应力—应变关系上升段采用GB 50010-2002规定公式，下降段则采用Hongnestad的处理方法，即: :

按照规范计算和规定分别取n=2，ε0=0.002，εcu=0.003 3，上述曲线采用数据拟合得出，采用多线性等向强化模型MISO模拟。

1.2.2 钢筋及加固用钢板的本构关系

钢筋及钢板的屈服强度fy=300 MPa，弹性模量Es=2.0× 105MPa，泊松比υs=0.3。

1.3 收敛控制

钢筋混凝土结构分析的最大困难在于计算的收敛。当结构接近于破坏时，出现不收敛，这属于正常不收敛，但是当荷载较小时就出现不收敛现象，这是非正常不收敛。通过以下方式可以帮助解决非正常不收敛问题:

1）满足计算精度要求的情况下尽量采用整体式模型，提高收敛性。

2）单元尺寸过小，容易引起应力集中，造成早期开裂，尽量把单元尺寸控制在不小于50 mm，尤其是在可能出现应力集中的部位应当控制网格密度。

3）根据收敛过程追踪图调整子步数。

4）当收敛困难时，可以适当调整收敛准则和收敛精度，但是改变收敛精度不能彻底解决收敛问题，所以改变收敛精度应当谨慎。

5）不考虑混凝土压碎，计算易于收敛。一般结构中采用的钢筋混凝土构件均为适筋梁，所以可以在计算中关闭混凝土压碎选项。

6）加载点和支撑处尽量避免采用点荷载和点约束，尽量采用面荷载和面约束，避免应力集中造成收敛困难。

2 实例分析

矩形钢筋混凝土矩形梁截面高度300 mm，宽度200 mm，矩形梁长度为2 800 mm，计算跨径为2 600mm。钢筋混凝土梁配筋为少筋梁，受力钢筋采用2φ10钢筋，架立钢筋采用2φ6钢筋，箍筋采用φ6钢筋，纵向间距为100 mm，矩形梁横断面见图1。混凝土强度等级为C30。加固用钢板采用宽度为130 mm，厚度为4 mm的钢板，钢板长度为1 800 mm。

根据算例中钢筋混凝土矩形梁尺寸，建立有限元模型，计算结果如下:

1）未加固钢筋混凝土矩形梁极限承载能力为17.8 kN，极限荷载作用下梁的竖向变形为－4.7 mm，底缘纵向钢筋应力为235 MPa，上缘纵向钢筋应力为－45.6 MPa。

图1 少筋梁横断面

2）粘钢加固钢筋混凝土矩形梁极限承载能力为86.9 kN，极限荷载作用下梁的竖向变形为－7.8 mm，底缘纵向钢筋应力为235 MPa，上缘纵向钢筋应力为－185.7 MPa，底缘粘贴钢板MISES应力为235 MPa，图2～图4为钢筋混凝土矩形梁粘钢加固后的变形及应力情况。

图2 极限荷载下加固后钢筋混凝土矩形梁竖向变形

图3 极限荷载下加固后钢筋混凝土矩形梁钢筋应力

图4 极限荷载下加固后钢筋混凝土矩形梁底缘钢板M ISES应力

图5 极限荷载作用下底缘胶黏层纵向切应力

3）由图5可知，胶黏层在端部的剪切应力值较大，因此在进行粘钢板加固时，可在端部设置锚固螺栓，以避免胶黏层与钢筋混凝土矩形梁脱开，改善粘钢加固钢筋混凝土矩形梁的效果。

3 结语

根据有限元分析可知，粘钢加固显著提高了钢筋混凝土矩形梁的承载能力。本文算例中的钢筋混凝土矩形梁加固前后上缘钢筋应力均为达到屈服，说明该钢筋混凝土矩形梁加固前、后均为少筋梁。采用实体单元模拟结构胶层可以充分反映结构胶内部的应力情况。

［1］吕西林，金国芳，吴晓涵.钢筋混凝土非线性有限元理论与应用［M］.上海：同济大学出版社，1997.

［2］江见鲸，陆新征，叶列平.混凝土结构有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［3］王新敏.ANSYS工程数值分析［M］.北京：人民交通出版社，2007.

On simulation analysis of stick steel consolidation reinforced concrete rectangle beam

YAN Sheng-quan

（No.1 Branch Company of Changda Road Engineering Co.，Ltd of Guangdong，Guangzhou 511431，China）

The study adopts the finite element software，ANSYS，to analyze and research the stick steel consolidation reinforced concrete beam，indicates by combining with the engineering example，and proves by the results that the strength and the stiffness of the stick steel consolidation reinforced concrete rectangle beam is improved obviously.

stick steel consolidation，reinforced concrete rectangle beam，strength，stiffness

TU375

A

2012-03-17

鄢生全（1983-），男，工程师