粘貼鋼板加固界面受力特性分析

蔣超越，岳小媚

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

粘貼鋼板加固界面受力特性分析

蔣超越，岳小媚

(招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司， 重慶 400067)

近年來，隨著交通量的迅猛增長，粘貼鋼板加固法被越來越廣泛地應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)。應(yīng)用某大型有限元通用軟件建立分離式有限元仿真模型，對(duì)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的界面受力特性進(jìn)行詳細(xì)研究，得到典型界面應(yīng)力分布曲線，同時(shí)還對(duì)鋼板厚度、膠層厚度、鋼板截面形狀、鋼板局部脫空等多種因素對(duì)界面應(yīng)力的影響進(jìn)行分析，并提出合理的膠層厚度以及采用楔形鋼板截面等多條可行性建議以減小鋼板端部界面的應(yīng)力集中，更好地保證混凝土梁與鋼板之間的協(xié)同受力與變形。

粘貼鋼板加固法；界面應(yīng)力；有限元分析

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，交通量迅猛增長，汽車超載現(xiàn)象日益嚴(yán)重，許多公路橋梁都大大超出了當(dāng)年的設(shè)計(jì)承載力，產(chǎn)生了程度不一的病害，但仍在超負(fù)荷使用[1]。粘貼鋼板加固法作為一種重要的加固方法，被越來越廣泛地應(yīng)用于各種橋梁結(jié)構(gòu)加固。

粘貼鋼板加固法是采用粘鋼膠將鋼板粘貼在鋼筋混凝土構(gòu)件表面，使鋼板與構(gòu)件形成整體共同受力，改善構(gòu)件的受力狀態(tài)，限制既有裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而提高構(gòu)件的承載能力與耐久性。該方法因具有施工簡便、不破壞原結(jié)構(gòu)、粘鋼所占空間小、加固部位靈活布置、不改變?cè)Y(jié)構(gòu)的受力形式和結(jié)構(gòu)體系等特點(diǎn)而被廣泛采用[2]。

從上述粘貼鋼板加固法的定義可以看出，粘鋼膠在整個(gè)加固體系中起傳遞梁變形和應(yīng)力的重要作用。但由于鋼板的彈性模量比混凝土大6～7倍，而混凝土的彈性模量又比粘鋼膠的彈性模量大9倍左右，故加固體系中3種材料彼此之間力學(xué)性能的差距很大，它們之間的變形差異都將通過粘鋼膠來協(xié)調(diào)。粘鋼膠作為一種“承上啟下”的界面單元，其應(yīng)力分布十分復(fù)雜，所以有必要對(duì)粘鋼膠界面的力學(xué)特性進(jìn)行深入的分析研究，得到其應(yīng)力分布特征及影響因素，這對(duì)于認(rèn)識(shí)加固結(jié)構(gòu)的破壞模式、改善其加固效果及研究加固體系耐久性等都具有重要意義。

本文利用某大型有限元通用軟件建立分離式有限元仿真模型，對(duì)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁的界面受力特性進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 基本假設(shè)

本文主要對(duì)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行有限元模型仿真分析，旨在研究粘鋼膠單元的界面應(yīng)力分布情況，不進(jìn)行極限承載能力的計(jì)算，故在建模研究分析過程中不考慮粘貼鋼板加固梁的破壞，且為了簡化計(jì)算，提出以下假設(shè)[3]：

1) 鋼板、粘鋼膠層、鋼筋、混凝土等所有材料的受力情況均在線彈性范圍內(nèi)，即所有材料都是線彈性材料；

2) 混凝土與鋼筋之間固結(jié)良好，混凝土與鋼板之間粘結(jié)良好，不考慮各種材料之間的相對(duì)滑移；

3) 混凝土梁在粘貼鋼板加固前，已按相關(guān)規(guī)范要求將混凝土裂縫封閉，混凝土結(jié)構(gòu)整體受力均勻。

2 結(jié)構(gòu)尺寸和材料參數(shù)

本文采用如圖1所示的鋼筋混凝土簡支梁進(jìn)行數(shù)值分析?；炷亮洪L2 000 mm，截面尺寸為b(截面寬度)×h(截面高度)=120mm×200mm；在受壓區(qū)布置縱筋2Φ8 mm，在受拉區(qū)布置縱筋2Φ12 mm；沿梁在支座附近布置箍筋Φ8@100 mm，在跨中附近布置箍筋Φ8@200 mm；在梁底距支座150 mm處用粘鋼膠粘貼鋼板，鋼板和粘鋼膠均與梁寬同寬，鋼板長1 500 mm，厚5 mm。

加固梁的各種材料參數(shù)如表1所示。由于不同廠家生產(chǎn)的粘鋼膠其成分也有所不同，故粘鋼膠的彈性模量通常會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，本文采用的粘鋼膠彈性模量為JTG/T J22—2008《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》中第4.6.5條粘鋼A級(jí)膠的下限值[4]。經(jīng)筆者計(jì)算分析和查閱相關(guān)文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)隨著膠層彈性模量的增大，界面應(yīng)力也有所增大，但整體趨勢不變[5]。

表1 材料參數(shù)

粘鋼膠為高分子聚合物，其固化后形成致密的三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[6]。由于粘鋼膠固化交聯(lián)反應(yīng)時(shí)在空間上通常表現(xiàn)為隨機(jī)取向，故其宏觀上具有物理機(jī)械性能好、受力均勻、材料各向同性等特點(diǎn)[7]。

圖1 鋼筋混凝土梁

3 單元選取和約束設(shè)置

有限元實(shí)體分析能夠很好地揭示粘結(jié)界面法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力的分布形式，為此，本文分別建立了混凝土部件、鋼筋骨架部件、粘鋼膠部件和鋼板部件模型[8]，并把它們按照實(shí)際情況進(jìn)行裝配，如圖2所示。然后對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分時(shí)，對(duì)混凝土梁底30 cm范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，使混凝土單元與粘鋼膠單元的大小一致，達(dá)到接觸面節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)的目的，如圖3所示。各個(gè)部件所采用的單元類型如表2所示，有限元模型的約束條件如表3所示。

如圖1所示，為了使加固梁既不開裂破壞，又能較好地反映界面單元的應(yīng)力分布規(guī)律，模型在加載時(shí)采用三分點(diǎn)加載，荷載P=50kN。同時(shí)，為避免加載處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，本文采用一個(gè)等大同向的50 mm×120 mm面荷載進(jìn)行加載。

圖2 裝配完成的有限元模型

圖3 網(wǎng)格劃分后的有限元模型

部件單元類型網(wǎng)格屬性混凝土梁實(shí)體單元20結(jié)點(diǎn)2次6面體減縮積分單元粘鋼膠層實(shí)體單元20結(jié)點(diǎn)2次6面體減縮積分單元鋼筋骨架桁架單元2結(jié)點(diǎn)線性3維桁架單元鋼板實(shí)體單元20結(jié)點(diǎn)2次6面體減縮積分單元

表3 有限元模型約束條件

4 界面應(yīng)力的分布特征

鋼筋混凝土加固梁粘鋼膠界面剪切應(yīng)力沿鋼板長度方向的應(yīng)力云圖和分布曲線如圖4所示，界面法向應(yīng)力沿鋼板長度方向的應(yīng)力云圖和分布曲線如圖5所示。

圖4 界面剪切應(yīng)力云圖和應(yīng)力曲線

圖5 界面法向應(yīng)力云圖和應(yīng)力曲線

從圖4、圖5可以看出，粘鋼膠的最大界面剪切應(yīng)力為3.1 MPa，小于規(guī)范限值(15 MPa)；粘鋼膠的最大界面法向拉應(yīng)力為2.2 MPa，小于規(guī)范限值(2.5 MPa)。同時(shí)，無論是界面剪切應(yīng)力還是界面法向應(yīng)力，在鋼板端部的分布情況都十分復(fù)雜，粘結(jié)應(yīng)力都存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。界面剪切應(yīng)力在鋼板端部向跨中方向逐漸減小，并在距鋼板端部500～1 000 mm范圍內(nèi)(加載點(diǎn)附近)趨近于0，整個(gè)界面剪切應(yīng)力的分布具有明顯反對(duì)稱性；界面法向應(yīng)力在鋼板端部存在很大的正應(yīng)力，表明在鋼板端部位置鋼筋混凝土梁與鋼板之間存在很大的拉應(yīng)力，隨后沿鋼板向跨中方向界面法向應(yīng)力迅速減小至0左右，僅在加載點(diǎn)附近界面法向應(yīng)力反方向稍微增大，整個(gè)界面法向應(yīng)力的分布具有明顯的對(duì)稱性。由此可知，在粘結(jié)良好的情況下，鋼板端部位置最容易發(fā)生剝離破壞。

5 鋼板厚度的影響

分別對(duì)3、4、5、6 mm厚鋼板進(jìn)行有限元分析，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在分析的鋼板厚度范圍中，隨著鋼板厚度增加，端部應(yīng)力集中明顯增大，且界面的剪切應(yīng)力也有所增加，說明鋼板厚度對(duì)于端部界面應(yīng)力集中有很大影響。這是由于隨著鋼板厚度的增加，鋼板與混凝土梁的剛度差進(jìn)一步增大，其變形更難協(xié)調(diào)，故界面應(yīng)力增大。當(dāng)鋼板厚度過大時(shí)，有可能在加固梁還未充分發(fā)揮其承載能力之前，界面的粘結(jié)應(yīng)力就已經(jīng)達(dá)到極限狀態(tài)，從而使加固梁發(fā)生剝離破壞。因此，在進(jìn)行粘貼鋼板加固設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足承載能力要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用薄鋼板，以減小板端界面的集中應(yīng)力，避免鋼板過早產(chǎn)生剝離破壞。

6 膠層厚度的影響

粘膠層厚度在實(shí)際工程中是個(gè)非常重要的變量，本文將重點(diǎn)分析不同粘鋼膠膠層厚度對(duì)界面應(yīng)力的影響。下面分別對(duì)1、2、3、4 mm的膠層厚度加固梁進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，膠層厚度的增加可有效降低粘膠層端部的界面剪切應(yīng)力集中，但會(huì)稍微增加界面法向應(yīng)力的端部應(yīng)力集中；雖然4 mm 和1 mm 膠層厚度相比，其界面端部剪切應(yīng)力降低了很多，但3 mm 和4 mm 膠層厚度的界面端部剪切應(yīng)力卻相差很小，幾乎相等。由此可以推斷，繼續(xù)增加粘膠層厚度來減小膠層界面剪切應(yīng)力的作用不僅會(huì)越來越小，而且還會(huì)增大膠層界面法向應(yīng)力，得不償失。所以，建議粘膠層的合理厚度值為3 mm，以有效減小板端界面應(yīng)力集中，避免鋼板端部產(chǎn)生剝離破壞。

7 鋼板截面形狀的影響

為了減小鋼板端部應(yīng)力集中，考慮將鋼板端部進(jìn)行倒角處理。本文將鋼板端部的截面形狀倒角為楔形，楔形截面的斜率分別為0.75、0.4、0.1，分別對(duì)這3種界面形式的鋼板加固梁進(jìn)行分析計(jì)算，得到的結(jié)果如圖8所示。

圖6 不同鋼板厚度界面剪切應(yīng)力曲線和法向應(yīng)力曲線

圖7 不同膠層厚度界面剪切應(yīng)力曲線和法向應(yīng)力曲線

圖8 不同端部截面形狀界面剪切應(yīng)力曲線和法向應(yīng)力曲線

從圖8可以看出，鋼板截面改為楔形截面后，有效降低了粘鋼膠界面的端部應(yīng)力集中現(xiàn)象，且楔形界面的斜率越小，減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的效果就越顯著。由此可知，鋼板端部截面形狀對(duì)減小界面應(yīng)力的影響很大，適當(dāng)?shù)慕孛嫘螤钅苡行Х乐逛摪宥瞬慨a(chǎn)生剝離破壞。

8 鋼板局部脫空的影響

現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，采用粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁，受施工時(shí)涂膠不均勻、固結(jié)加壓不均勻、界面存在雜質(zhì)、鋼板受溫度或其他應(yīng)力影響發(fā)生局部屈曲翹鼓、粘鋼膠局部老化脆斷等多種原因的影響，鋼板局部可能產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。下面將分別模擬脫空部位在跨中和端部2種情況，并對(duì)界面應(yīng)力產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算分析。

8.1 跨中鋼板脫空

本文分別就跨中鋼板無脫空、脫空30 mm和脫空50 mm三種情況對(duì)粘鋼膠界面應(yīng)力的影響進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，跨中鋼板脫空僅對(duì)脫空區(qū)域附近的界面應(yīng)力有影響，對(duì)遠(yuǎn)離這個(gè)區(qū)域的界面應(yīng)力則影響非常小。這是由于在跨中區(qū)域，加固梁下?lián)献冃问亲畲蟮模摻罨炷亮汉弯摪逶谙聯(lián)献冃蔚淖饔孟旅軐?shí)擠壓在一起，二者變形相對(duì)協(xié)調(diào)，導(dǎo)致膠界面在此區(qū)域范圍內(nèi)本身應(yīng)力較小，所以在梁跨中區(qū)域發(fā)生有限長度的鋼板脫空，并不會(huì)對(duì)界面應(yīng)力的大小及其分布產(chǎn)生重大影響。

圖9 跨中脫空界面剪切應(yīng)力曲線和法向應(yīng)力曲線

8.2 鋼板端部脫空

本文分別就鋼板端部無脫空、左端脫空30 mm和左端脫空50 mm三種情況對(duì)粘鋼膠界面應(yīng)力的影響進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，鋼板端部脫空對(duì)鋼板端部界面剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力都有影響，且隨著脫空長度增加，端部界面剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力也會(huì)增大。由此可以作如下分析推斷：若鋼板端部在粘鋼膠老化、外荷載引起的界面端部應(yīng)力集中過大等多種因素影響下發(fā)生剝離脫空，則與其相鄰的部位將產(chǎn)生更大的界面端部應(yīng)力集中，致使相鄰部位也隨之剝離，周而復(fù)始，粘貼鋼板加固梁將被迅速破壞。綜上所述，鋼板端部脫空將對(duì)整個(gè)橋梁加固體系產(chǎn)生重大影響，危及粘貼鋼板加固結(jié)構(gòu)的安全，應(yīng)極力避免這種現(xiàn)象發(fā)生。

圖10 端部脫空界面剪切應(yīng)力曲線和法向應(yīng)力曲線

9 結(jié)論

本文采用某大型有限元通用軟件對(duì)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)鋼板和梁之間的粘鋼膠界面法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力進(jìn)行了分析，研究了不同鋼板厚度、不同粘膠層厚度、不同鋼板截面形狀、不同脫空位置和脫空長度等多種因素對(duì)粘貼鋼板加固鋼筋混凝土梁界面應(yīng)力分布的影響，得到以下結(jié)論：

1) 采用分離式有限元模型進(jìn)行了仿真分析，得出了粘鋼膠的典型界面應(yīng)力分布形式為：界面剪切應(yīng)力在鋼板端部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，板端至跨中方向剪切應(yīng)力逐漸減??；界面法向應(yīng)力在鋼板端部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，板端至跨中方向法向應(yīng)力迅速減小。

2) 隨著鋼板厚度的增加，端部的應(yīng)力集中明顯增大，且界面的剪切應(yīng)力也有所增加，說明鋼板的厚度對(duì)于端部界面應(yīng)力的集中有很大影響。因此，在進(jìn)行粘貼鋼板加固設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足承載能力要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用薄鋼板，以減小板端界面的應(yīng)力集中，避免鋼板過早剝離破壞。

3) 膠層厚度的增加可有效降低粘膠層端部界面的剪切應(yīng)力集中，但也會(huì)稍微增加端部界面的法向應(yīng)力集中。建議粘膠層的合理厚度取為3 mm，以有效減小板端界面的應(yīng)力集中，避免鋼板端部產(chǎn)生剝離破壞。

4) 鋼板端部截面的形狀對(duì)減小界面應(yīng)力的影響很大，因此適當(dāng)?shù)慕孛嫘螤钅苡行Х乐逛摪宥瞬慨a(chǎn)生剝離破壞。在本文分離式有限元數(shù)值模型中，將鋼板截面由矩形改為楔形截面后，有效降低了粘鋼膠界面的端部應(yīng)力集中現(xiàn)象，且楔形界面的斜率越小，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的效果就越顯著。

5) 加固梁跨中鋼板脫空僅對(duì)脫空區(qū)域附近的界面應(yīng)力有影響，對(duì)遠(yuǎn)離這個(gè)區(qū)域的界面應(yīng)力影響則非常?。坏摪宥瞬棵摽諏?duì)鋼板端部界面剪切應(yīng)力和界面法向應(yīng)力都有影響，且隨著脫空長度的增加，端部界面剪切應(yīng)力和界面法向應(yīng)力也會(huì)增大。由此可以分析推斷：若鋼板端部在外部原因(如荷載較大)或內(nèi)部原因(如粘鋼膠老化引起的粘結(jié)能力不足)作用下發(fā)生剝離脫空，則與其相鄰的部位將產(chǎn)生更大的界面端部應(yīng)力集中，使得相鄰部位也隨之剝離，周而復(fù)始，粘貼鋼板加固梁將被迅速破壞。因此，在鋼板端部增設(shè)錨栓或鋼板壓條等構(gòu)造措施，在一定程度上可避免鋼板剝離的脆性破壞。

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Analysis of Mechanical Behavior of Steel Plate Interface Strengthened by Adhesion

JIANG Chaoyue,YUE Xiaomei

In recent years,with the rapid growth of traffic volume,the application of the steel plate adhesion reinforcement method is more and more widely applied to various bridge structures. In this paper,a large-scale finite element general software is used to establish a separate finite element simulation model for detailed research of interface force characteristics of steel plate adhesion reinforced concrete beams,so to acquire typical interface stress distribution curve. In the same time,the influence to interface stresses from plate thickness,adhesion layer thickness,steel plate cross-sectional shape and local void of steel plate are analyzed,and make feasible suggestions for rational paste layer thickness and wedge steel plate cross sectional shape,etc. to reduce the stress concentration at the interface of the steel plate,and to better ensure the coordinated force and deformation between the concrete beam and the steel plate.

steel plate adhesion reinforcement; interface stress; finite element analysis

10.13607/j.cnki.gljt.2016.06.019

湖北省交通廳科研項(xiàng)目(鄂交科教〔2011〕275號(hào))

2016-09-02

蔣超越(1990-)，男，重慶市人，研究生，助工。

1009-6477(2016)06-0083-06

U441+.5

A