有粘结体外预应力加固简支梁有限元数值分析周为华

有粘结体外预应力加固简支梁有限元数值分析周为华

周为华

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中国能源建设集团辽宁电力勘测设计院有限公司辽宁省沈阳市110179

摘要：本文利用ANSYS有限元分析软件建立三维有限元模型，研究有粘结体外预应力加固简支梁从加载到破坏的全过程力学特性，同时结合试验数据对比分析加固效果。并通过有、无粘结加固模型的对比分析，验证了有粘结体外预应力加固体系的优越性。

关键字：有粘结体外预应力、ANSYS、非线性、加固

1.有粘结体外预应力加固简支梁构造

类似于常见的在结构受拉区域粘贴钢板和钢结构支撑方法，有粘结体外预应力加固体系，属于结构性加固的范畴，但又不同于直接粘贴高强复合纤维的被动加固，是一种主动加固措施。有粘结体外预应力加固是通过梁底纵向张拉预应力筋、然后喷注高性能抗拉复合砂浆，达到加固效果的一种体外加固体系。外加预应力钢筋为低松弛钢绞线（1×3标准型），采用预埋锚固钢板的方法进行锚固，张拉后在梁底人工抹制45～50mm厚的高性能抗拉复合砂浆将预应力钢筋与被加固梁体粘结为一体，从而构成有粘结体外预应力加固体系。如图1.1所示[1]。

Fig1.1Generalgraphofretangulartestbeams

2.有粘结体外预应力加固简支梁受力特性

有粘结体外预应力加固体系属于梁体的带载加固，原梁体的结构自重及其前期的恒荷载所产生的内力由原梁体结构自身承担；加固体系的恒荷载及活荷载有加固后的组合截面所承担。整个加固受力过程必须按分阶段受力状态考虑。有粘结体外预应力加固体系事实上是由体外预应力加固体系和有粘结体外加固两部分组成。在锚固、张拉、施加预应力阶段属于体外预应力加固；而在体外预应力张拉完成之后的抹制高性能复合砂浆阶段，属于有粘结加固范畴，通过砂浆的粘结力使结构形成有粘结的预应力加固体系[2]。

3.有粘结体外预应力加固简支梁有限元模型建立

本文采用间接法建立简支梁的有限元模型，自下而上建模。本模型的建立步骤是先建立矩形截面简支梁体，用工作平面切割体，形成保护层位置截面、方便划分网格，把用工作平面切割的体与体之间的线划分为纵向钢筋模型，对于比较复杂的箍筋则是采取直接建立的形式，最终合并钢筋和混凝土重合的节点，使钢筋和混凝土拥有共同的节点，使其能够共同受力。在此基础上添加粘结层部分矩形结构体，再将粘结体与原梁通过布尔操作进行粘结。仍然采用工作平面切割的方式对模型进行拆分，以确定粘结层及体外预应力钢筋位置。设置适当的网格尺寸，进行网格划分。再利用生成的节点确定体外预应力钢筋锚固点位置，连接为线，对改线进行网格划分时应注意与粘结体网格保持一致，并采取节点耦合技术确保体外预应力钢筋能与粘结层共同受力。图3.1，3.2为有限元实体模型。

在有粘结体外预应力加固体系中主要用到了三种材料，即混凝土，钢绞线和高性能复合砂浆，在用ANSYS对预应力钢筋混凝土做有限元分析时，混凝土单元不需要定义破坏准则和本构关系。ANSYS中CONCRETE材料采用的是Willam-Warnke五参数破坏准则的本构模型，该模型能很好地模拟SOLID65材料单元。对与有粘结体外预应力加固简支梁的非线性模拟，为了更好的模拟非线性，并能够使ANSYS模拟非线性与实验值更加接近且较好的收敛，钢筋的LINK8单元采用双折线型本构关系和经典的双线性随动强化准则（BKIN），对预应力高强钢筋或钢铰线，其应力——应变关系曲线采用双直线模型[3-5]。

4.有粘结体外预应力加固简支梁受力特性数值分析

图4.1为对比梁与加固梁承载极限状态下的跨中挠度位移曲线，由图中可以直观地看出经过有粘结体外预应力加固的简支梁承载能力有大幅度的提高。表4.1为对比梁与加固梁极限承载力对比值，从表中可以看出梁体极限承载力由原来的174kN，提载到现在的231.2kN，提载效果高达32.87%，取得了比较理想的加固效果。

图4.2为有、无粘结体外预应力加固简支梁极限承载能力下的跨中荷载——位移曲线。从图中可以看出，对于有、无粘结体外预应力加固简支梁的荷载挠度曲线在弹性上升阶段差异性不大。主要区别在于进入弹塑性阶段之后，无粘结体外预应力加固梁的挠度增长迅速，并且极限承载力为216.95kN，相对于有粘结体外预应力加固来说提载效果较差，仅为24.68%，相差8.19%。

3.结论

有粘结体外预应力加固简支梁从加载到破坏的全过程经历了混凝土开裂之前的弹性工作阶段、混凝土开裂之后的弹性工作阶段及非线性阶段，从数值模拟的结果可以看出，有粘结体外预应力加固体系体提载效果显著，验证了这一加固措施的可行性。对比与无粘结体外加固形式，有粘结体外预应力加固体系具有其优越性。外喷高强度混合砂浆不仅起到了保护层的作用，延缓了体外预应力钢筋的锈蚀，而且增大了截面的有效高度，并且复合砂浆的高粘结强使得体外预应力钢绞线与被加固梁体有效地粘结为一体，保证两者共同工作，具有更高的承载能力和更小的跨中挠度。