蔡自偉，陸洲導(dǎo)，李凌志

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基于ATENA的梁側(cè)錨固鋼板加固梁中縱橫向滑移數(shù)值模擬

蔡自偉，陸洲導(dǎo)，李凌志

( 同濟大學(xué) 土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所， 上海， 200092)

為了研究梁側(cè)錨固鋼板加固混凝土梁(BSP梁)中由于錨栓連接剪切變形而導(dǎo)致連接界面上存在縱橫向相對滑移而造成的加固效果降低問題，采用非線性有限元分析軟件ATENA模擬在不同外荷載作用下不同幾何參數(shù)BSP梁的縱橫向滑移及錨栓連接剪力傳遞行為，并與前期試驗結(jié)果進行對比以驗證模型的適用性。在此基礎(chǔ)上，通過參數(shù)分析研究荷載布置、混凝土梁、鋼板和錨栓連接剛度等因素對縱橫向滑移及剪力傳遞的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：錨栓剪力與滑移基本呈線性關(guān)系，正向和負向的縱橫向錨栓剪力傳遞均滿足平衡條件，剪力傳遞的幅值由外荷載決定，但其分布曲線的形狀與外荷載無關(guān)，由荷載形式?jīng)Q定。

鋼筋混凝土梁；梁側(cè)錨固鋼板；滑移；剪力傳遞；非線性有限元分析

對既有結(jié)構(gòu)進行檢測、鑒定、加固和改造正成為建筑業(yè)的熱點之一[1]。鋼筋混凝土梁的加固主要采用粘鋼法和粘貼纖維增強聚合物(FRP) 法，其加固機理是通過結(jié)構(gòu)膠將鋼板或FRP粘貼到混凝土構(gòu)件表面，使二者協(xié)同工作。這2種加固技術(shù)易受結(jié)構(gòu)膠 質(zhì)量、使用環(huán)境和施工工藝的影響，鋼板與混凝土黏結(jié)面可能發(fā)生過早脫膠和脆性剝離破壞[2?3]。采用梁底錨固鋼板法雖然可以避免剝離破壞并增加梁的抗彎強度和剛度，但會導(dǎo)致超筋和延性降低[3]。因此，SU等[4]提出采用梁側(cè)錨固鋼板加固混凝土梁(BSP梁)。BSP梁在延性降低不多的情況下具有更高的抗彎、抗剪承載力，裂縫開展均勻且寬度小，不會發(fā)生剝離破壞，施工方便，質(zhì)量可靠[5?6]。BSP梁通常發(fā)生鋼板屈曲[7?8]和因錨栓剪切變形而導(dǎo)致的鋼板與混凝土梁之間相對滑移[9?10]的問題，其加固效果也往往由于縱向和橫向相對滑移而導(dǎo)致的鋼板與混凝土梁不完全共同工作而降低。關(guān)于縱向滑移和錨栓縱向剪力傳遞的研究十分有限，NEWMARK[11]研究了鋼筋混凝土板和鋼梁間的不完全共同工作，建立了預(yù)測鋼梁?混凝土板交界面縱向滑移的彈性模型。SU等[12]提出的縱向滑移的數(shù)值程序能夠比較精確地預(yù)測梁跨內(nèi)一些離散點的縱向滑移。LI等[5, 13]進行了梁跨內(nèi)縱向滑移分布的試驗研究和數(shù)值模擬，提出了縱向滑移和部分共同作用的解析模型，得到了縱向滑移的計算公式。橫向滑移和錨栓橫向剪力傳遞對BSP梁的影響往往更為關(guān)鍵。橫向滑移通常為 0.01~ 0.50 mm之間，很難被精確測量。以往研究采用了很多假定來描述 BSP 梁的橫向滑移特性。OEHLERS等[10]通過理論分析建立了橫向共同工作程度和錨栓剪切剛度之間的關(guān)系，但是其關(guān)于剪力在鋼板和混凝土交界面上均勻分配的假定與實際情況并不一致。NGUYEN等[14]基于這一模型導(dǎo)出了縱向和橫向共同工作程度的關(guān)系，但是其在計算中性軸位置時采用的鋼板和混凝土梁曲率相同的假定與連接界面上存在橫向滑移的假定是互相矛盾的。SIU等[9, 15]開發(fā)了用以衡量錨栓群非線性剪切本構(gòu)模型和BSP梁縱橫向滑移分布的數(shù)值程序，提供了確定橫向滑移的方法，但其關(guān)于橫向滑移沿梁跨線性分布的假定尚未得到證實。BSP梁縱橫向滑移理論分析和試驗研究仍存在很多限制。因此，本文作者采用非線性有限元分析軟件ATENA建立了一種新的有限元模型，以分析不同幾何參數(shù)、不同荷載工況下BSP梁的縱橫向滑移和錨栓剪力傳遞的變化規(guī)律。

1 數(shù)值模擬

1.1 混凝土模擬

將混凝土理想化為厚度等于梁寬的二維實體，并采用混凝土本構(gòu)模型SBETA來模擬混凝土的反應(yīng)。其中，SBETA模型考慮了如下因素：1) 混凝土在受壓狀態(tài)下的非線性反應(yīng)，包括硬化和軟化階段；2) 混凝土基于非線性斷裂力學(xué)的受拉開裂；3) 雙軸強度破壞準則；4) 開裂后抗壓強度的降低；5) 開裂后剪切剛度的降低。SBETA 模型是在KUPFER等[16]提出的雙軸破壞準則(見圖1(a))與DARWIN等[17]提出的等效單軸應(yīng)力?應(yīng)變曲線(見圖1(b))基礎(chǔ)上建立的。

根據(jù)KUPFER破壞準則[16]，混凝土抗拉強度t和抗壓強度c是由混凝土當前應(yīng)力狀態(tài)(1和2)所決定的：