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粘钢加固混凝土梁分析

粘钢加固混凝土梁分析

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,基于ANSYS研究粘钢加固对钢筋混凝土矩形梁强度和刚度的影响。
1 有限元模型建立
1.1 模型建立的方式通常钢筋混凝土结构的有限元模型主要有三种方式:整体式、分离式和组合式模型,利用ANSYS分析主要采用分离式和整体式两种模型。分离式模型把钢筋和混凝土作为不用的单元来处理,混凝土采用8节点三维非线性实体单元SOLID65,钢筋采用LINK8杆单元或PIPE20管单元。整体式模型也称弥散钢筋模型,即将钢筋连续均匀分布于整个单元中,它综合了混凝土与钢筋对刚度贡献,其单元仅为SOLID65,通过参数设定钢筋分布情况。分离式模型能够考虑钢筋和混凝土之间的黏结和滑移,整体式模型不能考虑钢筋和混凝土之间的黏结和滑移,将混凝土和钢筋之间黏结看作刚性连接。从建模的过程来讲,分离式模型采用多种单元,建立模型过程复杂,当钢筋较多分布复杂时,计算收敛困难;整体式模型采用一种单元,通过参数设定反映钢筋对结构的贡献,建立模型过程简单,易于收敛,但是计算结果与实际情况存在差异。针对钢筋混凝土结构的分析可以采用整体式模型,降低建模的复杂性,提高计算效率,并且其结果能够满足精度要求;针对单个构件,进行构件受力全过程精确分析时,可以采用分离式模型,以便数值分析结果和试验结果的分析比较。
1.2 材料的本构关系
(1)混凝土的本构关系混凝土的本构关系表达混凝土的应力一应变关系,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一应变关系上升段采用GB 50010—2002规定公式,下降段则采用H0ngnestad的处理方法,,即当8 80时按照规范计算和规定分别取F/,=2, 。=0.002,8 =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。(2)钢筋及加固用钢板的本构关系
钢筋及钢板的屈服强度 =300 MPa,弹性模量E =2.0×105 MPa,泊松比 =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,尽量吧单元尺寸控制在不小50衄,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,可是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2 600 mm。钢筋混凝土梁配筋为少筋梁,受力钢筋采用2qf12钢筋,架立钢筋采用2‘P6钢筋,箍筋采用‘P6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c∞。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 mill。根据算例中钢筋混凝土矩形梁尺寸,建立有限元模型进行计算,由图2中荷载一位移曲线可知加载过程为非线性过程,粘钢加固钢筋混凝土矩形梁极限承载能力为105.5 kN,而未加固钢筋混凝土矩形梁极限承载能力为76.3 kN,提高38.2%。极限荷载作用下梁的竖向变形为一21.0 mm,底缘
图1  图2
 

纵向钢筋应力为235 MPa,上缘纵向钢筋应力为一235 MPa,
见图3;底缘粘贴钢板MISES应力为235 MPa,见图4。
到分散隔离作用。为保证混凝土混合料的搅拌质量,采用先干后湿的拌和工艺。钢纤维与水泥、粗细骨料和砂先干拌不得少于1 min,在拌和时钢纤维分三次~JnJ,gt和机中,最后加水湿拌35 s,总搅拌时间不超过6 min,超搅拌会引起钢纤维结团。一旦发现有钢纤维结团,就必须剔除掉;有锈蚀、易结块的钢纤维不得使用,以防止因此而影响混凝土的质量。
(7)混凝土的振捣,混凝土灌注时分两次灌入,首次混凝土灌至第二排锚垫板顶部,取出活动木板,将震动棒插入振捣,待振捣密实后,封死木板,灌注上部混凝土,再从顶部插入震动棒,将混凝土振捣密实。
(8)24 h后拆除模板,薄膜覆盖7 d,洒水养生14 d。
(9)在锚垫板上安装锚环上夹片。3.3 环氧树脂砂浆的局部补强施工
(1)凿出锚垫板并凿除有空洞的混凝土,直至凿到密实坚硬的混凝土为止,形状为楔形,大小应以锚具安装后与周边混凝土至少有3 cm间距为准,以保证环氧树脂砂浆的饱满密实,增加锚固效果,期间应注意对外露波纹管的保护,不得破坏波纹管。
(2)然后用压缩空气吹出里面的粉尘及混凝土块,并用毛巾仔细清理,晾干,注意切记不能用水清洗,以免潮湿影响环氧树脂锚固性能。
(3)接长波纹管,长度以露出锚垫板为准,注意接头处一定要紧密,并用胶带裹好,防止环氧树脂砂浆漏人。
(4)安装锚垫板,先将锚垫板反钉在模板上(注意要堵塞注浆孔),模板上切割一个10×10 eli!的方口,以方便钢绞线穿出,将锚垫板装人锚孔并调整好位置,使锚垫板与相邻锚垫板处在同一平面,与钢绞线垂直,并保证与四周混凝土间距在3 cm左右,同时固定模板,模板与混凝土之间的间隙要用双面胶填塞好。
(5)配制环氧树脂砂浆,配制量以锚孔体积为准,配合
比如下(质量比)
环氧树脂:1.0
二丁脂:0.1
乙二胺:O.12
水泥:砂(1:3)3.5
掺入顺序为:环氧树脂一二丁脂一水泥砂一乙二胺配制时应搅拌均匀,黄砂应炒干,水泥标号应为42.5以上,配制时由于气温低,树脂粘稠必须用水浴加热至80度液化,但在掺人乙二胺前一定要冷却以后,否则由于树脂温度过高,与乙二胺反应迅速硬化,无法施工。
(6)灌注砂浆,灌注时采用小口勺子或漏斗缓慢从模板上口灌入,切记不能过快,以免堵塞灌注孔里面气体无法排出形成空洞。灌注完成后在锚垫板后及时插入数根10 em左右的钢筋头,以增加密实度及抗压强度。
(7)24 h后拆除模板,在锚垫板上安装30 into钢板,安装锚环上夹片。
4 结束语
在对桥锚后混凝土进行处理后,我们顺利进行了预应力张拉作业,没出现任何质量事故,应该说,处理方案是正确的。但在此次质量事故中,要痛定思痛,深刻吸取此次事故的经验教训,在以后的施工中,紧抓每一道施工工序,将质量隐患消除,才是最好的处理方案。
参考文献:
[1] 交通部标准.公路桥涵施工技术规范(,IT]04t一2000)[s].北
京:人民交通出版社,2004.
[2] 刘治宇.现浇预应力混凝土箱梁锚头崩裂处理[J].北方交
通,201O,(7).
[3] 上海沪荆加固技术网站http://www.shjgu.com/
图3图4
3 结论
通过钢筋混凝土梁的加载非线性过程分析可知,粘钢加固钢筋混凝土矩形梁加载过程荷载一位移曲线表现为非线性过程,加固后矩形梁强度及刚度显著提高,结构破坏表现为延性破坏,具有较高的安全储备。
参考文献:
[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,2O07.

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