開孔板加勁型壓型鋼板加固混凝土界面黏結-滑移機理

劉傳奇, 孔凡磊

(1.青島理工大學土木工程學院， 青島 266033； 2.長安大學公路學院， 西安 710064)

鋼板加固混凝土是基于鋼混組合結構提出一種新的加固形式，位于梁底的鋼板可以充分發(fā)揮其抗拉性能，焊接在鋼板上的連接件可以使鋼板和混凝土形成整體，抵抗界面剪力。

壓型鋼板由于其構造特點，波峰和波谷可以作為縱向加勁肋，與普通鋼板相比大大提高了抗彎承載力；組合結構通過剪力連接件產生組合作用，常用的剪力連接件有開孔板(perfobond leiste，PBL)和栓釘?shù)萚1-5]。目前，壓型鋼板加固混凝土技術已展開研究[6]，但相對較少。PBL加勁型壓型鋼板加固混凝土技術具有廣闊的前景。

PBL連接件采用的研究方法有推出試驗和有限元數(shù)值模擬。目前，中外學者已對PBL連接件進行了大量的試驗研究和理論分析。Oguejiofor等[7]通過推出試驗提出了考慮開孔個數(shù)、開孔間距、混凝土強度和橫向鋼筋等參數(shù)，得出了PBL荷載值計算公式。Medberry等[8]通過試驗得出鋼與混凝土之間的黏結摩擦作用可以在一定程度上提高PBL連接件荷載值。Kraus等[9]和Zheng等[10]通過建立的有限元模型對PBL連接件的影響參數(shù)分析與試驗結果對比，認為有限元模型能夠有效模擬PBL連接件的力學性能。楊勇等[11]認為端部承壓可以提高PBL連接件的極限承載力，并給出了考慮端部承壓的PBL連接件極限荷載值計算公式。肖林等[12]通過6組PBL連接件推出試驗，研究了PBL連接件破壞機理和PBL厚度對荷載值和破壞模式的影響，認為PBL厚度對極限荷載值、抗剪剛度和延性均有顯著影響。張清華等[13]根據PBL連接件的受力特點，建立了連接件群變形協(xié)調理論模型，提出了連接件群的荷載-滑移變形協(xié)調計算方法。馮劍平等[14]通過有限元模型與試驗結果和理論公式計算結果的對比，驗證了有限元分析可以作為PBL連接件受力分析的方法。

為研究PBL加勁型壓型鋼板混凝土界面黏結-滑移機理，首先設計3組共9個試驗進行推出試驗，根據試驗結果分析PBL連接件在鋼板中的破壞形態(tài)和極限荷載值。然后采用有限元軟件ANSYS建立有限元模型，根據試驗結果標定模型參數(shù)。最后通過有限元數(shù)值模擬分析了PBL連接件在孔洞直徑大小、混凝土強度、鋼板強度和PBL鋼板厚度等參數(shù)的影響下的受力狀態(tài)，明確PBL加勁型鋼板加固混凝土界面黏結-滑移機理。

1 PBL連接件推出試驗

1.1 試件設計

設計了3組9個試件進行推出試驗，PBL連接件主要參數(shù)如表1所示。試件中壓型鋼底板厚度為6 mm，PBL剪力連接件厚度為14 mm，貫穿鋼筋直徑為16 mm，混凝土強度等級為C50。試件混凝土表面設置間距為100 mm的鋼筋網，鋼筋直徑均為12 mm。PBL連接件的尺寸為513 mm×140 mm，推出試件尺寸為660 mm×366 mm×700 mm，試件具體構造尺寸如圖1所示。

試件制作的過程中，在PBL剪力連接件下端墊長度為5 cm的泡沫板用來消除端部承壓影響。除試件P-B-R-3外，其余試件均在鋼板與混凝土接觸面上涂抹黃油，來消除鋼板與混凝土之間的黏結作用。壓力機操作臺上鋪一層細砂調平。

表1 PBL連接件試件參數(shù)

圖1 試件構造尺寸Fig.1 Structure dimensions of specimens

試件混凝土在標準條件下養(yǎng)護28 d，測得 150 mm 立方體抗壓強度為54.6 MPa。PBL連接件及壓型鋼底板采用Q345鋼材，屈服強度為 410.3 MPa，極限強度為512.4 MPa。貫穿鋼筋及表層鋼筋網均采用HRB400級鋼筋，屈服強度為443.2 MPa，極限強度為600.5 MPa。

1.2 加載裝置

圖2 試件加載裝置圖Fig.2 Load setup of specimens

本次試驗加載裝置采用500 t微機控制的電液伺服壓力機，試件加載布置如圖2所示。試驗加載時采用位移控制加載至破壞，加載速率為 0.2 mm/min。試件的兩側各放置兩個位移傳感器測量壓型鋼板與混凝土之間的相對滑移。加載值和滑移量均通過計算機系統(tǒng)自動采集。整個加載過程大于180 min。

1.3 試驗結果

1.3.1 破壞形態(tài)

圖3為部分試件的裂縫分布圖。從試驗現(xiàn)象可以看出，試件破壞大致經歷了彈性階段、塑性階段和破壞階段3個階段。加載初期，試件無明顯現(xiàn)象，荷載主要由混凝土榫和鋼板共同承擔，此時試件處于彈性階段。鋼板與混凝土有黏結摩擦作用的試件彈性階段的荷載值大于無黏結摩擦作用的試件，這是因為加載初期荷載由鋼板和混凝土之間的黏結力抵抗。當荷載加載至極限荷載的30%左右時，試件底部開始出現(xiàn)裂縫，試件進入塑性階段。塑性階段初期，荷載由混凝土榫抵抗，隨著荷載的增加，混凝土榫逐漸開裂并逐漸失去作用，貫穿鋼筋開始參與受力。此時，異性波折底板與混凝土出現(xiàn)較大的相對滑移，試件裂縫寬度和長度逐漸發(fā)展。破壞階段，試件裂縫迅速發(fā)展，試件底部出現(xiàn)多條裂縫，混凝土有不同程度的剝落。內部貫穿鋼筋出現(xiàn)變形，混凝土榫完全失去作用。試件的破壞階段持續(xù)了近120 min，表現(xiàn)出良好的延性。

1.3.2 極限荷載值

試件的極限荷載值和相應的滑移量如表2所示。由表2可知，試件P-NB-R的極限荷載值平均值比試件P-NB-NR提高了716.5 kN，約73.8%，兩者的區(qū)別在于有無貫穿鋼筋，所以貫穿鋼筋可以有效地提高PBL連接件的極限荷載值。試件P-B-R的極限荷載值平均值比試件P-NB-R提高了 102.9 kN，兩者的區(qū)別在于異性波折鋼板和混凝土之間是否有黏結摩擦作用，所以，黏結摩擦力也可以提高PBL剪力連接件的極限荷載值。但是由于實際結構中影響?zhàn)そY摩擦力因素眾多，工作機理不穩(wěn)定，因此計算時通常不考慮黏結摩擦力，而是作為設計荷載的安全儲備。

圖3 混凝土破壞形態(tài)Fig.3 Failure pattern of concrete

表2 推出試驗結果

對于極限滑移量，有貫穿鋼筋的試件P-NB-R比無貫穿鋼筋的試件P-NB-NR平均值高了 2.84 mm，滑移量越多說明試件的延性越好，所以貫穿鋼筋可以提高試件的延性。試件P-B-R比試件P-NB-R的極限滑移量提高了0.58 mm，說明黏接摩擦作用也可以提高延性，但是效果不明顯。

2 PBL連接件數(shù)值分析

2.1 有限元模型的建立

利用有限元軟件ANSYS對推出試件進行有限元模擬，鋼筋混凝土結構采用整體式模型。有限元模型中混凝土采用Solid65單元，該單元可模擬混凝土開裂壓碎的影響?；炷羻卧獜堥_和閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)分別取值為0.5和0.95。PBL連接件采用Solid185單元；壓型鋼板采用Shell181單元，其積分方法選擇其默認的有沙漏控制的縮減積分，鋼筋采用Solid45單元。有限元模型中材料本構關系，混凝土采用多線性等向強化模型，波形鋼板、剪力連接件、貫穿鋼筋均采用雙線性等向強化(bilinear isotropic hardening，BISO)模型模擬，并采用Mises屈服準則。鋼材與混凝土間的接觸。應用TARGE170單元模擬目標面，TARGA174模擬接觸面，摩擦因數(shù)采用0.2。對于混凝土單元，有限元模型的網格劃分大小對計算結果收斂有較大影響。為了提高計算速度以及避免局部造成應力集中，對模型不同位置劃分不同的單元尺寸，整體單元尺寸取20 mm以盡可能減少計算時間，混凝土榫和貫穿鋼筋附近局部單元尺寸取5 mm以盡可能準確模擬試件的力學行為，網格劃分方法采用多區(qū)域掃描方法。推出試件有限元模型如圖4所示。

圖4 結構有限元模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of structural finite element model

2.2 模型驗證

表3為試驗值與有限元計算值對比，由表3可知，有限元計算得出的荷載值和滑移量都略小于推出試驗得出的數(shù)值，有限元分析結果偏于保守，對結構安全性有利。相應參數(shù)下兩者的誤差均在5%以內，吻合度良好，因此運用ANYSYS對PBL剪力連接件進行有限元分析是可行的。

表3 試驗值與有限元計算值對比

3 PBL連接件承載機理分析

以試驗為基礎建立PBL連接件有限元模型，通過改變PBL孔徑大小、混凝土強度、開孔鋼板強度和PBL厚度等影響參數(shù)，得出有限元PBL連接件的荷載-滑移曲線，分析各個影響參數(shù)對PBL連接件荷載值的影響。

3.1 PBL孔徑大小

初始模型中PBL直徑為50 mm，分別調整PBL直徑為40 mm和60 mm，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與混凝土強度關系曲線如圖5所示。

圖5 不同孔徑的荷載-滑移曲線Fig.5 Load-slip curves in different hole diameters

由圖5可知，相對于開孔直徑為50 mm，開孔直徑為40 mm時PBL連接件極限荷載值降低了12.5%，開孔直徑為60 mm時PBL連接件極限荷載值提高了11.2%，PBL連接件的極限荷載值隨著開孔直徑的增加而增加。

3.2 混凝土強度

初始模型中混凝土強度等級為C50，分別調整混凝土強度等級為C40和C60，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與混凝土強度關系曲線如圖6所示。

圖6 不同混凝土強度的荷載-滑移曲線Fig.6 Load-slip curves in different concrete grades

由圖6可知，相對于混凝土強度等級為C50，混凝土強度等級為C40的PBL連接件極限荷載值降低了9.4%，混凝土強度等級為C60的PBL連接件極限荷載值提高了6.4%，PBL連接件的極限荷載值隨著混凝土強度的提高而增加。

3.3 PBL強度

初始模型中PBL強度等級為Q345，分別調整開孔鋼板強度等級為Q235和Q390，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與PBL強度關系曲線如圖7所示。

圖7 不同鋼板強度的荷載-滑移曲線Fig.7 Load-slip curves in different steel strength

由圖7可知，PBL連接件極限荷載值隨著PBL強度等級的提高基本沒有變化，這是因為PBL連接件主要由孔中混凝土榫和貫穿鋼筋抵抗外部荷載。已有研究表明，PBL即使在強度等級Q235時，達到極限荷載后也基本無變形，因此開孔鋼板強度等級的變化不會改變滑移量和荷載值。

3.4 PBL厚度

初始模型中PBL厚度為14 mm，分別調整開孔鋼厚度為12 mm和16 mm，其余參數(shù)保持不變，得出PBL連接件荷載值與PBL厚度關系曲線如圖8所示。

圖8 不同PBL厚度的荷載-滑移曲線Fig.8 Load-slip curves in different steel thickness

由圖8可知，相對于PBL厚度為14 mm，PBL厚度為12 mm的PBL連接件極限荷載值降低了6.7%，PBL厚度為16 mm的PBL連接件極限荷載值提高了4.2%，PBL連接件的極限荷載值隨著PBL厚度的增加而增加。PBL連接件破壞形式為混凝土剪切破壞，孔中混凝土榫的體積的增加可以提高極限荷載值，PBL厚度的增加可以增加混凝土榫體積。

4 結論

在推出試驗的基礎上，結合有限元數(shù)值模擬，分析了帶PBL加勁型壓型鋼板加固混凝土的破壞形態(tài)和界面黏結-滑移機理，得到以下結論。

(1)推出試驗結果表明，試件的破壞大致經歷彈性階段、塑性階段和破壞階段，破壞時，混凝土出現(xiàn)貫通裂縫，底部混凝土剝落，試件表現(xiàn)出良好的延性。

(2)有限元數(shù)值模擬結果表明，有限元分析和試驗結果吻合度較高，結果與實際相比偏安全，可以運用ANSYS有限元軟件對PBL連接件進行分析模擬。

(3)推出試驗和有限元數(shù)值模擬結果表明，PBL連接件的荷載值隨著開孔直徑、混凝土強度和PBL厚度的增加而增加，貫穿鋼筋是影響PBL極限荷載值的重要參數(shù)，有貫穿鋼筋的試件比無貫穿鋼筋的試件極限荷載值提高了約73.8%，影響最為明顯，PBL厚度對其荷載值影響不顯著，而PBL強度對其荷載值基本無影響。