新型湿式外包钢加固混凝土柱性能分析
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新 型湿 式 外 包 钢 加 固混 凝 土 柱 性 能 分 析
丁 天 成 （ 合肥工业大学 宣城校区 ， 安徽 宣城 ２ ４ ２ ０ ０ ０ ）
摘
要 ：利 用 Ａ Ｂ ＡＱＵＳ有 限元 软 件 对 不 同加 固型 式 下 的钢 筋
混 凝土 作 为一 种准脆 性 材料 ， 它 的破 坏过 程 是各 尺度 微 裂缝 、 微孑 Ｌ 洞 的扩 展演 化 和 累积 的结果 。当作
力、 动 力分 析 和收敛 性较 好 的特点 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ 模型参数
构 件 尺寸 取 ４ ０ ０ ｍ ｍ×４ ０ ０ ｍ ｍ× ２ ０ ０ ０ ｍｍ，纵 筋 布 置形 式为 ８ Ｂ ２ ０ ， 型号 Ｈ Ｒ Ｂ ４ ０ ０ ， 箍 筋为 ８ ＠２ ０ ０ ， 型 号
ＨＰ Ｂ ３ ０ ０ ， 角钢型号 Ｑ ３ ４ ５ ， 截面尺寸 为 ８ ０ ａｍ ×５ ｒ ｍ ｍ，
的弹性 刚度 的退化 ［ ５ １ 。
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． １ ６ ３ ３ ０ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ ７ － ７ ３ ５ ９ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ５ ． １ １ ９
Ｏ 引言
在建 筑施 工 中会 出 现 因设计 不 当 、 施 工 失 误等 因 素造 成 的混 凝 土 构 件开 裂 、 强 度不 达 标 等 问 题 ， 严 重
混凝土选用 Ｃ ４ ０ ， 保护层厚度取 ３ ０ ｍ ｍ 。 缀条竖截面尺
寸为 ５ ０ ｍｍ ｘ ５ ｍｍ， 未加 固的 混凝 土柱 为模 型 Ｉ， 横缀 条加 固形式 的为模 型 Ⅱ， 横 缀 条 间距 为 ３ ０ ０ ａｍ， ｒ 斜缀
条加 固形式 的为 模 型 Ⅲ， 其 间距 根据 模 型 Ⅱ在相 同结 合 点 布置 ， 分 别有 １ ７ ５ ｍｍ、 １ ２ ５ ｍ ｍ、 ２ ２ ５ ｍ ｍ。混 凝 土性
ａ ｎ ｄ Ｆ ｅ ｎ ｖ ｅ ｓ 模 型 为基 础而 建立 的 。该 模 型使用 各 向同 性 弹性 损 伤 结合 各 向 同性 拉 伸 和 压缩 塑性 模 式 来 表 示混凝 土 的非 弹性 行为 。 适 用 于混凝 土在 任意 荷载情 况下 的受 力 ， 包 括单 向加 载 、 循 环加 载 等情况 ， 同时 通 过定 义拉 压 损 伤 因子 以考虑 由于 拉压 塑 性 应 变 导 致
Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ 有 限元软件提供 了弥散裂纹 、脆性开 裂、 塑 性损 伤三 种形 式模 型 ， 包 括 了几何 、 边 界条 件 与 材料 的非线性情况【 ６ Ｊ 。本文采用 由 Ｌ ｕ ｂ ｌ ｉ ｎ ｅ ｒ 等提出 ， Ｌ ｅ ｅ 与Ｆ ｅ ｎ ｖ ｅ ｓ 改进 发展 的塑性 损伤 模 型 ， 具有 适 合静
为整体破坏时， 其 内部材料各成分很多都没有发生屈 服 和塑性 流 动现 象 。 混凝 土既 有塑性 变形 又有 刚 度退 化现 象 的存 在 ， 正 确 的本 构关 系 为既 可 以反映 弹性 损
伤 又能 够反 应塑性 变形 两 种机 制 的弹 塑性 损伤 本 构 。
Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ混 凝 土 损 伤 塑 性 模 型 是 以 Ｌ ｕ ｂ ｌ ｉ ｎ ｅ ｒ和 Ｌ ｅ ｅ
３ 建立 单元
本 文采 用位 移协 调 分离 式模 型 ，分 别建 立 钢筋 、 混凝 土 、 外 包 钢 骨 架模 型 ， 利用 Ｅ ＭＢ Ｅ Ｄ Ｄ Ｅ Ｄ命 令 将 钢 筋嵌 入混凝 土 柱 中 ， 并用 Ｔ Ｉ Ｅ命 令 将外 包钢 和 混凝
理， 型钢与原构件单独受力ｌ ’ Ｉ 整体工作性差口 １ 。湿式加 固法 中型 钢 与构 件 采 用 环 氧 树脂 化 学 灌 浆 等 方 式粘
结， 具 有抗 震性 能好 ， 耐 高 温等 优点 Ｉ ３ １ 。 本算 例 模 拟 湿 式 加 固处 理 的 四肢 外 包 格 构 式 混
能 指标 、 钢筋 与 角钢 材料 参数 如表 １ 、 表２ 所示。
混 凝 土柱 进 行 模 拟 分 析 ， 探 究 新 型 湿 式 外 包构 件 在 轴 向 及 水 平 静 力荷 载作 用下 的极 限承 载 能 力。 结 果 表 明 ： 经 加 固后 的 混 凝
土柱 均能明显提 高承载能 力，斜 缀条加 固柱的抗剪承 载能 力
强， 抗 震 性 能 更好 。
关键 词 ： 湿 式 外 包钢 加 固 柱 ； Ａ Ｂ Ａ Ｑｕｓ ； 极限抗压 承载力 ： 极 限 抗剪承裁 力
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ７ ５ ６ ． ４ １ 文 献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７ — ７ ３ ５ ９（ ２ ０ １ ７ ） ０ ５ — ０ ３ ４ ９ — ０ ３
凝土柱 ， 两肢钢杆 间以单型钢 附件肋条［ ４ １ 、 肋板相接 ， 因格 构柱 与混 凝 土的 组合 作用 ， 结 构 的破 坏 形式 已不 再是传统上的屈曲破坏 ， 且现行规范 中并无斜缀条柱 的承 载 力计 算 条 例 ，现 采 用 Ａ Ｂ ＡＱ Ｕ Ｓ 有 限元 软 件模 拟 分析 构件 在 不 同附件 连接 形式 下 构件 受 力效应 。
影响承载性能与外观 。 传统的混凝土柱加 固方式中有 增大截面法 ， 其通过在原构件外叠 浇新的钢筋混凝土 来 增 大构 件 的截 面面积 ， 达 到提 高 承载 力和 刚 度 的 目 的， 但存在工期较长 、 新 旧混凝土交界处粘结性差等 问题 Ｉ １ Ｉ 。 增 设 体外 预应 力 法 占用更 多空 间 ， 不适 用 于 民 用建筑。 置换 混凝 土 加 固法采 用挖 补 的方 式用 优质 混 凝 土替换原结构中裂损 、 孔洞 等缺 陷部分 ， 但 同样存 在 新 旧面粘结 能力 差 、 损 伤构 件 、 湿 作业 期 长 的缺点 。 粘 结 纤 维 复 合材 料 加 固法 采 用 建筑 黏 结 剂 将 纤 维 布 粘结在建构筑物表面使两者共 同工作 ， 但两种材料如 何 协 调受 力仍 是该 方法 应 用研 究 的难点 。 外 包 型钢 加 固法 ， 分 为 干式 与 湿 式 外包 钢 加 固 ， 均 能大 幅度 提 高 截面 承载力和抗 震能力 ，干式加固法无任何粘结处
丁 天 成 （ 合肥工业大学 宣城校区 ， 安徽 宣城 ２ ４ ２ ０ ０ ０ ）
摘
要 ：利 用 Ａ Ｂ ＡＱＵＳ有 限元 软 件 对 不 同加 固型 式 下 的钢 筋
混 凝土 作 为一 种准脆 性 材料 ， 它 的破 坏过 程 是各 尺度 微 裂缝 、 微孑 Ｌ 洞 的扩 展演 化 和 累积 的结果 。当作
力、 动 力分 析 和收敛 性较 好 的特点 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
２ 模型参数
构 件 尺寸 取 ４ ０ ０ ｍ ｍ×４ ０ ０ ｍ ｍ× ２ ０ ０ ０ ｍｍ，纵 筋 布 置形 式为 ８ Ｂ ２ ０ ， 型号 Ｈ Ｒ Ｂ ４ ０ ０ ， 箍 筋为 ８ ＠２ ０ ０ ， 型 号
ＨＰ Ｂ ３ ０ ０ ， 角钢型号 Ｑ ３ ４ ５ ， 截面尺寸 为 ８ ０ ａｍ ×５ ｒ ｍ ｍ，
的弹性 刚度 的退化 ［ ５ １ 。
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． １ ６ ３ ３ ０ ／ ｊ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ ７ － ７ ３ ５ ９ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ５ ． １ １ ９
Ｏ 引言
在建 筑施 工 中会 出 现 因设计 不 当 、 施 工 失 误等 因 素造 成 的混 凝 土 构 件开 裂 、 强 度不 达 标 等 问 题 ， 严 重
混凝土选用 Ｃ ４ ０ ， 保护层厚度取 ３ ０ ｍ ｍ 。 缀条竖截面尺
寸为 ５ ０ ｍｍ ｘ ５ ｍｍ， 未加 固的 混凝 土柱 为模 型 Ｉ， 横缀 条加 固形式 的为模 型 Ⅱ， 横 缀 条 间距 为 ３ ０ ０ ａｍ， ｒ 斜缀
条加 固形式 的为 模 型 Ⅲ， 其 间距 根据 模 型 Ⅱ在相 同结 合 点 布置 ， 分 别有 １ ７ ５ ｍｍ、 １ ２ ５ ｍ ｍ、 ２ ２ ５ ｍ ｍ。混 凝 土性
ａ ｎ ｄ Ｆ ｅ ｎ ｖ ｅ ｓ 模 型 为基 础而 建立 的 。该 模 型使用 各 向同 性 弹性 损 伤 结合 各 向 同性 拉 伸 和 压缩 塑性 模 式 来 表 示混凝 土 的非 弹性 行为 。 适 用 于混凝 土在 任意 荷载情 况下 的受 力 ， 包 括单 向加 载 、 循 环加 载 等情况 ， 同时 通 过定 义拉 压 损 伤 因子 以考虑 由于 拉压 塑 性 应 变 导 致
Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ 有 限元软件提供 了弥散裂纹 、脆性开 裂、 塑 性损 伤三 种形 式模 型 ， 包 括 了几何 、 边 界条 件 与 材料 的非线性情况【 ６ Ｊ 。本文采用 由 Ｌ ｕ ｂ ｌ ｉ ｎ ｅ ｒ 等提出 ， Ｌ ｅ ｅ 与Ｆ ｅ ｎ ｖ ｅ ｓ 改进 发展 的塑性 损伤 模 型 ， 具有 适 合静
为整体破坏时， 其 内部材料各成分很多都没有发生屈 服 和塑性 流 动现 象 。 混凝 土既 有塑性 变形 又有 刚 度退 化现 象 的存 在 ， 正 确 的本 构关 系 为既 可 以反映 弹性 损
伤 又能 够反 应塑性 变形 两 种机 制 的弹 塑性 损伤 本 构 。
Ａ Ｂ Ａ Ｑ Ｕ Ｓ混 凝 土 损 伤 塑 性 模 型 是 以 Ｌ ｕ ｂ ｌ ｉ ｎ ｅ ｒ和 Ｌ ｅ ｅ
３ 建立 单元
本 文采 用位 移协 调 分离 式模 型 ，分 别建 立 钢筋 、 混凝 土 、 外 包 钢 骨 架模 型 ， 利用 Ｅ ＭＢ Ｅ Ｄ Ｄ Ｅ Ｄ命 令 将 钢 筋嵌 入混凝 土 柱 中 ， 并用 Ｔ Ｉ Ｅ命 令 将外 包钢 和 混凝
理， 型钢与原构件单独受力ｌ ’ Ｉ 整体工作性差口 １ 。湿式加 固法 中型 钢 与构 件 采 用 环 氧 树脂 化 学 灌 浆 等 方 式粘
结， 具 有抗 震性 能好 ， 耐 高 温等 优点 Ｉ ３ １ 。 本算 例 模 拟 湿 式 加 固处 理 的 四肢 外 包 格 构 式 混
能 指标 、 钢筋 与 角钢 材料 参数 如表 １ 、 表２ 所示。
混 凝 土柱 进 行 模 拟 分 析 ， 探 究 新 型 湿 式 外 包构 件 在 轴 向 及 水 平 静 力荷 载作 用下 的极 限承 载 能 力。 结 果 表 明 ： 经 加 固后 的 混 凝
土柱 均能明显提 高承载能 力，斜 缀条加 固柱的抗剪承 载能 力
强， 抗 震 性 能 更好 。
关键 词 ： 湿 式 外 包钢 加 固 柱 ； Ａ Ｂ Ａ Ｑｕｓ ； 极限抗压 承载力 ： 极 限 抗剪承裁 力
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｕ ７ ５ ６ ． ４ １ 文 献标 志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ７ — ７ ３ ５ ９（ ２ ０ １ ７ ） ０ ５ — ０ ３ ４ ９ — ０ ３
凝土柱 ， 两肢钢杆 间以单型钢 附件肋条［ ４ １ 、 肋板相接 ， 因格 构柱 与混 凝 土的 组合 作用 ， 结 构 的破 坏 形式 已不 再是传统上的屈曲破坏 ， 且现行规范 中并无斜缀条柱 的承 载 力计 算 条 例 ，现 采 用 Ａ Ｂ ＡＱ Ｕ Ｓ 有 限元 软 件模 拟 分析 构件 在 不 同附件 连接 形式 下 构件 受 力效应 。
影响承载性能与外观 。 传统的混凝土柱加 固方式中有 增大截面法 ， 其通过在原构件外叠 浇新的钢筋混凝土 来 增 大构 件 的截 面面积 ， 达 到提 高 承载 力和 刚 度 的 目 的， 但存在工期较长 、 新 旧混凝土交界处粘结性差等 问题 Ｉ １ Ｉ 。 增 设 体外 预应 力 法 占用更 多空 间 ， 不适 用 于 民 用建筑。 置换 混凝 土 加 固法采 用挖 补 的方 式用 优质 混 凝 土替换原结构中裂损 、 孔洞 等缺 陷部分 ， 但 同样存 在 新 旧面粘结 能力 差 、 损 伤构 件 、 湿 作业 期 长 的缺点 。 粘 结 纤 维 复 合材 料 加 固法 采 用 建筑 黏 结 剂 将 纤 维 布 粘结在建构筑物表面使两者共 同工作 ， 但两种材料如 何 协 调受 力仍 是该 方法 应 用研 究 的难点 。 外 包 型钢 加 固法 ， 分 为 干式 与 湿 式 外包 钢 加 固 ， 均 能大 幅度 提 高 截面 承载力和抗 震能力 ，干式加固法无任何粘结处