粘鋼加固鋼梁的有限元分析

趙士永， 褚少輝， 付素娟

(1.河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊 050021； 2.河北建研科技有限公司，石家莊 050021； 3. 河北省既有建筑綜合改造工程技術(shù)研究中心，石家莊 050021)

粘鋼加固鋼梁的有限元分析

趙士永1，3， 褚少輝2，3， 付素娟1，3

(1.河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊 050021； 2.河北建研科技有限公司，石家莊 050021； 3. 河北省既有建筑綜合改造工程技術(shù)研究中心，石家莊 050021)

粘鋼加固鋼結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點是無需焊接，避免了因焊接引起的變形、應(yīng)力等，在負(fù)荷的情況下也可容易實現(xiàn)。利用有限元軟件abquse對粘鋼加固工字形鋼進(jìn)行了分析研究，結(jié)果顯示：模擬計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，所建模型是可靠的；粘貼鋼板厚度小于5 cm時，隨著厚度的增加，鋼梁的承載力和剛度都有所提升，粘貼鋼板厚度超過5 cm后，厚度增大對鋼梁承載力影響不明顯；粘貼鋼板強度變化對鋼梁的承載力和剛度影響不大。

粘鋼；鋼梁；加固；有限元分析

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，鋼材產(chǎn)量不斷飆升，鋼結(jié)構(gòu)在工業(yè)和民用建筑中得到了廣泛應(yīng)用。施工項目的增多，質(zhì)量難免良莠不齊，并且有些鋼結(jié)構(gòu)年久失修，剛度和強度已經(jīng)不能滿足安全要求，拆除重建時間久，投資大，性價比較低，所以應(yīng)對鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固[1]。目前鋼結(jié)構(gòu)最常用的加固方法是焊接修復(fù)，但是焊接加固存在著一些弊端難以解決，比如焊接殘余應(yīng)力、焊接裂縫等，這些都給結(jié)構(gòu)安全帶來了很大的隱患，因此需要新的加固方法解決這些問題。粘貼鋼板加固技術(shù)是用結(jié)構(gòu)膠將鋼板粘貼在混凝土構(gòu)件表面，使二者成為一個共同整體，以充分發(fā)揮材料性能，達(dá)到加固的目的。該技術(shù)無需焊接，具有施工簡便、工期短、費用低、加固效果好等優(yōu)點[2]，越來越受到土木工程師的青睞。

粘貼鋼板加固技術(shù)是一門既古老又年輕的技術(shù)。早在20世紀(jì)60年代，德國、瑞典等國的工程師為解決混凝土結(jié)構(gòu)的加固與修復(fù)問題首先提出并開始應(yīng)用的。我國第一次成功地運用結(jié)構(gòu)膠對結(jié)構(gòu)進(jìn)行粘鋼加固是在1978年，法國斯貝西姆公司首次在我國采用了法國的STADUR-31建筑結(jié)構(gòu)膠對遼陽化工廠的一些混凝土大梁進(jìn)行了外粘鋼板加固補強。20世紀(jì)80年代以來，我國一些高校和科研機構(gòu)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的粘貼鋼板加固進(jìn)行了大量的試驗研究和理論分析。2001—2006年，武漢大學(xué)盧亦焱通過實驗研究和數(shù)值分析，對外粘鋼加固鋼管技術(shù)進(jìn)行研究[3]；2007年，山東建筑大學(xué)土木學(xué)院魏天金在試驗的基礎(chǔ)上探討了利用碳纖維片材和粘鋼對鋼結(jié)構(gòu)受彎構(gòu)件進(jìn)行混合加固處理的一種新型加固方法；2009年，同濟大學(xué)隋炳強、鄧長根對鋼壓管外粘鋼加固的理論進(jìn)行了試驗研究[4]。目前，粘貼鋼板在混凝土結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用比較成熟，在鋼結(jié)構(gòu)加固中應(yīng)用較少，有許多理論和應(yīng)用方面的問題亟待解決，為了使該技術(shù)能夠早日在鋼結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域推廣應(yīng)用，應(yīng)進(jìn)行這方面的研究與理論分析。因此，本文在試驗的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件對鋼梁的抗彎性能進(jìn)行了研究分析，以期為相關(guān)研究和工程實踐提供參考和指導(dǎo)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

構(gòu)件截面尺寸如圖1所示，試驗梁共3根，1根不加固作為對照梁，其中Lw1鋼板與鋼梁用結(jié)構(gòu)膠粘貼，無其他錨固措施；Lw2鋼板與鋼梁用結(jié)構(gòu)膠粘貼，且每個端部均采用2個M8螺栓進(jìn)行加強錨固。粘貼鋼板厚度為4 mm，寬150 mm，通長粘貼。

圖1 試驗梁加固示意圖

1.2 材料性能

1.2.1 鋼梁、鋼板的力學(xué)性能

鋼梁、鋼板均采用Q235B級鋼，試驗室實測的材料力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 鋼材材料性能

1.2.2 結(jié)構(gòu)膠材料性能

鋼結(jié)構(gòu)粘鋼加固結(jié)構(gòu)膠應(yīng)具備粘結(jié)強度高、耐久性好，具有一定的彈性等特點，本次試驗加固用膠粘劑為冀研牌SKY型粘鋼建筑結(jié)構(gòu)膠，其材料性能指標(biāo)見表2。

表2 結(jié)構(gòu)膠材料性能

1.3 試驗裝置及試驗方法

1.3.1 試驗裝置

試驗梁兩端采用簡支約束，中部形成純彎段，采用液壓千斤頂進(jìn)行加載。加載時，在試驗梁上放置一根分配梁，使集中力平分到梁的3分點處。試驗梁加載示意圖見圖2，現(xiàn)場加固裝置見圖3。

圖2 抗彎試驗加載圖

圖3 現(xiàn)場加固裝置

1.3.2 加載制度

1)預(yù)加載

首先將各儀器讀數(shù)調(diào)零，然后在彈性范圍內(nèi)對梁進(jìn)行預(yù)加載，加載值不大于屈服荷載的20%。檢查各儀器和測點的測量參數(shù)是否正常，如有異常應(yīng)找出原因，直到檢查一切正常后，卸去荷載，對各儀器重新調(diào)零，準(zhǔn)備正式試驗。

2)破壞載荷試驗

第一級至第四級每級加載值為25 kN,第五級和第六級每級加載15 kN，第七級以后每級加載5 kN，直至屈服破壞，每加一級后停歇10分鐘。

1.4 試驗結(jié)果

試驗梁的荷載—撓度曲線如圖4所示?？梢钥闯?，粘鋼加固后，鋼梁承載力和剛度都有所提升，兩端采用錨固措施后，加固效果更明顯。

圖4 試驗結(jié)果

2 非線性有限元模型分析

2.1 單元選擇

2.1.1 型鋼梁單元

C3D8R[5]是具有8個節(jié)點三維實體單元，計算時間快，且計算精度可以滿足本文的要求，因此鋼梁選用C3D8R。

2.1.2 鋼板單元

根據(jù)試驗用鋼板特點，有限元模擬時可忽略鋼梁厚度，因此選用S4R進(jìn)行模擬，該單元可以較好地模擬鋼板的應(yīng)力應(yīng)變情況。

2.2 創(chuàng)建模型

2.2.1 模型尺寸

模型尺寸與試驗梁相同，在ABAQUS軟件中建立一個C3D8RD部件(截面尺寸為HW150×150×7×10)和一個S4R部件(厚4 mm、寬150 mm)并將它們裝配，長度均為170 mm；

2.2.2 網(wǎng)格劃分

在此模型當(dāng)中選用的是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的方法，劃分網(wǎng)格的比例參數(shù)選擇為0.5。

2.2.3 邊界條件

試驗梁采用的是簡支約束，因此模型中，梁的一端施加了豎向位移約束和水平位移約束(選中梁一端，設(shè)置BC-1：U1=0，U2=0)，另一端施加了豎向約束(選中另外一端，設(shè)置BC-2：U2=0)，其他自由度不進(jìn)行約束。

2.2.4 加載情況

有限元計算中可采用力加載和位移加載2種方式，本模型形狀較為規(guī)則，因此為了與試驗一致，本模型采用力加載方式，在梁的3分點處分別施加200 kN，計算至不收斂后，提取荷載撓度曲線進(jìn)行分析。

根據(jù)試驗材料數(shù)據(jù)設(shè)定參數(shù)，為了提高計算速度，忽略了鋼板與鋼梁直接的摩擦力，計算采用牛頓—拉夫森法[6-7]以提高收斂性。模型中鋼材和結(jié)構(gòu)膠的材料性能、力學(xué)性能取試驗數(shù)據(jù)，劃分網(wǎng)格后的鋼梁和鋼板模型如圖5～6所示。

圖5 鋼梁的有限元模型

圖6 鋼板的有限元模型

2.3 計算結(jié)果及分析

下面以Lw1、Lw2梁和對比梁為例具體說明加固前后以及不同錨固方式粘鋼加固梁有限元數(shù)值分析、理論分析及試驗分析結(jié)果。

2.3.1 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析

加固后鋼梁的拉應(yīng)變減小，鋼板也承受一定的應(yīng)變作用。在模擬的過程中，彈性階段，不同錨固方式加固的鋼梁應(yīng)變發(fā)展基本一致，而且加固后鋼梁的應(yīng)變的發(fā)展均滯后于未加固梁的應(yīng)變發(fā)展。Lw1梁在進(jìn)入彈塑性階段后，鋼量應(yīng)變增大比鋼板快，鋼板應(yīng)力滯后，這是因為加載后期膠粘劑產(chǎn)生剪切變形，使鋼板與鋼梁發(fā)展不同步。Lw2梁進(jìn)入彈塑性階段后，鋼梁和鋼板的應(yīng)變基本保持一致，說明螺栓對鋼板進(jìn)行加強錨固后，可以減少膠粘劑剪切變形在受力過程中的不利影響，從而使鋼板和鋼梁能夠剛好協(xié)同工作。

2.3.2 荷載—撓度曲線分析

通過圖7～9可見，在彈性階段中，各個試驗型鋼梁撓度隨荷載變化情況基本相同，其中采用錨固方式加固后的鋼梁撓度略有減小，在彈性階段通過粘貼鋼板來改善結(jié)構(gòu)的撓度變形效果不明顯；當(dāng)荷載達(dá)到試驗型鋼梁的彈性極限荷載150 kN時，通過粘貼鋼板來改善結(jié)構(gòu)的撓度變形效果比較明顯，構(gòu)件剛度、整體承載力得到了提高，通過螺栓錨固加固的梁延性更好。粘鋼加固鋼梁端部采用有效錨固措施以后，可改善梁的延性和塑性剛度，提高承載力，但是對于彈性剛度增加有限。

圖7 對比梁荷載—撓度曲線

圖8 Lw1梁荷載—撓度曲線

圖9 Lw2梁荷載—撓度曲線

有限元計算的3根梁的極限承載力分別為：190 kN，207 kN，235 kN。試驗極限承載力為190 kN，210 kN，240 kN，其有限元與試驗值的相對誤差為：0，-1.42%，-2.08%，與試驗值的相對誤差較小。有限元分析的結(jié)果都在誤差允許的范圍內(nèi)，因此，所建的模型是可靠的。

2.4 參數(shù)分析

2.4.1 不同鋼板厚度對鋼結(jié)構(gòu)粘鋼加固性能的影響

考慮不同厚度的鋼板對粘鋼加固抗彎性能的影響，具體來說就是通過對加固梁下翼緣上部和上翼緣下部抗彎作用的比較，確定不同鋼板厚度的組合對補強的影響系數(shù)。工程實踐中鋼板的厚度通常為2～6 mm，對比的模型如表3，得到不同厚度下的荷載—撓度曲線(圖10～11)。

表3 粘貼鋼板的厚度

圖10 不同鋼板厚度加固Lw1梁荷載—撓度曲線

圖11 不同鋼板厚度加固Lw2梁荷載—撓度曲線

表4 不同厚度鋼板加固鋼結(jié)構(gòu)加固前后承載力

在彈性階段，各梁的荷載—撓度曲線都基本表現(xiàn)為線性，剛度變化不大；在塑性階段，加大粘鋼板厚度能進(jìn)一步約束梁底跨中撓度，提高梁的剛度。粘鋼超過一定厚度(本模型中為5 mm)對鋼結(jié)構(gòu)承載力的提高不十分明顯，繼續(xù)增加厚度對結(jié)構(gòu)無明顯作用，在加固時應(yīng)考慮材料的利用率。

2.4.2 不同鋼板強度對鋼結(jié)構(gòu)粘鋼加固性能的影響

考慮不同鋼板強度對粘鋼加固抗彎性能的影響，加固用的鋼板，應(yīng)采用Q235或Q345鋼板。對比的模型如表5所示，得到不同鋼板強度下的荷載—撓度曲線(圖12～13)。

表5 粘貼鋼板的強度

圖12 不同鋼板強度加固Lw1梁荷載—撓度曲線

圖13 不同鋼板強度加固Lw2梁荷載—撓度曲線

表6 不同強度鋼板加固鋼結(jié)構(gòu)加固前后承載力

由圖12～13和表6可知，在不同的鋼板強度下，加固前后的結(jié)構(gòu)的剛度幾乎沒有變化，承載力有所提升，但是幅度不大，可見粘貼鋼板的強度對加固效果影響不大。

3 結(jié)論

鋼結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于我國工業(yè)和民用建筑中，施工項目的增多，質(zhì)量難免良莠不齊，并且有些鋼結(jié)構(gòu)年久失修，剛度和強度已經(jīng)不能滿足安全要求。拆除重建時間久，投資大，性價比較低，因此對既有鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固具有重要的理論意義和實踐意義。傳統(tǒng)的焊接加固有難以克服的缺點，本文提出的粘貼鋼板加固方法無需焊接、操作簡單、效果良好、經(jīng)濟合理。通過試驗研究和有限元分析，得出了如下結(jié)論：

1)根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)粘鋼加固的特點，結(jié)合鋼梁粘鋼加固抗彎試驗以及鋼梁、鋼板選取合理的單元類型和材料本構(gòu)關(guān)系，運用ABAQUS軟件建立了有限元數(shù)值分析模型，數(shù)值模擬分析結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，所得結(jié)果可靠，對結(jié)構(gòu)粘鋼加固設(shè)計分析具有借鑒意義。

2)其他條件相同時，隨著粘貼鋼板厚度的增大，結(jié)構(gòu)的抗彎承載力和剛度得到了明顯的提升，跨中撓度得到了有效控制，但是提升幅度不大；粘鋼超過一定厚度(本模型為5 mm)后，對鋼結(jié)構(gòu)承載力的提高不明顯，繼續(xù)增加對結(jié)構(gòu)無明顯作用，在加固時應(yīng)考慮材料的利用率。

3)其他條件相同時，在不同的鋼板強度下，加固前后的結(jié)構(gòu)的剛度幾乎沒有變化，承載力有所提升，但是幅度不大，可見粘貼鋼板的強度對加固效果影響不大，所以不建議粘貼高強度鋼板加固鋼結(jié)構(gòu)。

[1] 趙士永, 付素娟. 粘鋼加固工字形鋼梁抗剪承載力的試驗研究[J]. 粉煤灰綜合利用, 2012(2): 40-42.

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[3] 盧亦焱, 劉蘭, 陳莉, 等. 外粘鋼加固鋼管技術(shù)的數(shù)值模擬[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報: 工學(xué)版, 2005, 38(1): 112-116.

[4] 隋炳強, 鄧長根. 鋼壓桿穩(wěn)定加固研究進(jìn)展[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2009, 26(1): 21-24, 28.

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Finite Element Analysis of Steel Beam with Externally Bonded Steel

ZHAO Shi-yong1,3, CHU Shao-hui2,3, FU Su-juan1,3

(1.Hebei Academy of Building Research, Shijiazhuang 050021; 2. Hebei Building Research Technology Co. Ltd, Shijiazhuang 050021, China; 3. The Engineering Technical Research Center of Comprehersive Reconstruction Existing Building of Hebei Province Shijiazhuang 050021, China)

The main advantage of steel beam with steel-bonded reinforcement is to avoid the deformation and stress induced by welding, and it is easy to achieve under load. The I shape steel beam strengthened by bond steel is simulated and analyzed by ABAQUS. The results show that: the simulation results are consistent with the experimental results, and the model is reliable. As the steel plate thickness is less than 5 cm, bearing capacity and stiffness are improved with the increase of the thickness of steel, and when the steel plate is more than 5 cm, the increase of the thickness of the steel bearing capacity is not obvious; there will little influence on the bearing capacity of steel beams and stiffness with the change of the paste steel.

steel-bonded; steel beam; strengthening; finite element analysis

2016-09-26

河北省省屬科研院所獎勵性后補助項目“既有建筑物改造加固關(guān)鍵技術(shù)”(16255411H)

趙士永(1974—)，男，河北定州人，正高級工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)檢測加固等工作．E-mail：zhaoshiyongaa@163.com

P315.922

A

1003-1375(2017)02-0015-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.02.003

趙士永，褚少輝，付素娟．粘鋼加固鋼梁的有限元分析[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(2):15-20.