梁柱节点处粘钢加固作法研究

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３４卷第２５期　２　０　０　８年９月　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲ【：ＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖ０１．３４　ＮＯ．２５　Ｓｅｐ．２００８　・２７・　文章编号：１００９．６８２５（２００８）２５．００２７．０２　梁柱节点处粘钢加固作法研究　王铃春　易发安　时素红　摘要：介绍了一种新的异型钢板粘钢加固负弯矩区抗弯不足的作法，并对其与规范中作法进行了有限元分析对比，结　　●果表明这种作法可以有效提高被加固梁的承载力，使挠度明显降低，并且有效地抑制了裂缝在构件中的开展，计算证明　此方法有效且可靠。　关键词：梁柱节点，粘钢，加固，有限元　中图分类号：ＴＵ７４６．３　文献标识码：Ａ　１研究背景　粘钢加固技术是利用高强建筑结构胶，将钢板与混凝土或钢　２有限元分析　混凝土是一种非线性材料。在荷载较低的情况下表现出线　结构粘结起来，在两种被粘物之间，依靠结构胶使它们粘结起来　弹性。一般分析混凝土结构时，假设混凝土只是局部进入非线　构成整体联合工作，达到提高承载能力和抗变形能力的目的。通　性，所以可以采用弹性分析。但是随着荷载增大，尤其是混凝土　过粘结胶层使原结构和外粘钢板构成整体传递应力，协调变形。　地下１层，地上２４层，高８７．７　ｍ，主体结构为钢筋混凝土框架一　层，高９１．１０　ｍ，总建筑面积２３　０７９．１６　ｍ２。　开裂以后，混凝土的非线性就比较明显。在对钢筋混凝土结构或　在本文分析中，混凝土梁柱板采用ＡＮＳＹＳ中特有的混凝土　元，有８个节点，每个节点３个自由度，　，Ｙ，ｚ方向的平移，单元　非线性不能忽略。　本工程地处上海市，本工程原建筑是一幢有４楼裙房，主楼　构件的承载力极限分析时，核心筒结构，原建筑基础采用桩筏基础。改扩建后主体结构２５　单元Ｓｏｌｉｄ６５模拟，并使用非线性本构关系，该单元是三维实体单　由于原设计未考虑抗震设计，所以根据国家、上海有关设计　能够发生塑性变形，可以在３个正交方向开裂和压溃；粘贴钢板　规程，此次设计为改扩建及抗震加固设计。本工程设计使用年限　采用弹性壳单元Ｓｈｅｌｌ６３模拟，其应力一应变关系曲线采用理想　为５０年；安全等级为二级。抗震设防烈度为７度，设计基本地震　弹塑性（见图２）。　加速度值为０．１０ｇ，设计地震分组为第一组，抗震设防类别为丙　类；建筑的场地类别为Ⅳ类，设计特征周期值为０．９０　Ｓ。建筑结　构抗震等级框架抗震等级为二级，剪力墙抗震等级为二级。　本工程为综合加固项目，本文主要介绍采用异型钢板粘钢加　固负弯矩区抗弯不足的梁。粘钢加固材料采用Ｑ２３５Ｂ钢板，ＪＧＮ　类粘结胶，及化学螺栓锚固。　￡／Ｅ　图２　混凝土应力一应变关系曲线　对于混凝土材料，ＡＮＳＹＳ要求输入的参数除了弹性模量、泊　松比、单轴受压强度、单轴受拉强度之外，还有剪力传递系数和混　凝土受拉、受压应力一应变曲线。剪力传递系数反映裂缝表面的　情况，取值从０．０变化到１．０。０．０代表光滑的裂缝表面及裂面　彻底丧失了剪力传递的能力；１．０代表完全粗糙的裂缝面及没有　失去剪力传递能力。根据以往的文献表明当取值在０．８～０．９之　间时模拟效果总体上比较好，因此本文分析中取为０．８。　２　０００　—————————————’—，１　０００　２　０００　ｋ—————————Ｊ‘———————————一　分析中假设钢板和混凝土之间粘结良好，无滑移。用有限元　程序进行钢板加固分析中，认为钢板与构件在每一个结束节点完　５　０００　ｂ）　图１　异型钢板作法和直条钢板作法　全固结处理，即认为粘结层无滑移或剥离，为了使钢板的每一个　节点与结构固结，需要把构件和钢板划分成相同的单元尺寸，而　构件的几何尺寸与钢板尺寸存在较大差异，这样给单元划分带来　ＧＢ　５０３６７—２００６混凝土结构加固规范中规定，“支座处虽有障　碍，但梁上有现浇板时，允许绕过柱位，在粱侧４倍板厚范围内，　将钢板粘贴于板上。”在本工程中，板厚１００　１ＴＩＩＴＩ，梁宽４００　１ＴＩＩＴＩ，柱　边长１　０００　１ＴＩＩＴＩ，因此按照规范只能在梁侧粘贴１００　１ＴＩＩＴＩ的钢板，　较大困难。本文单元划分中，将粘钢单元直接覆盖划分在混凝土　单元的表面，并且让粘钢与混凝土之间共用节点，从而保证两者　之间位移协调。　本文分析采用如下几何模型进行计算：柱截面１　０００　１ＴＩＩＴＩ×　本工程采用的异型钢板作法可以在不增加总用钢量的情况下，达　到一定的效果（见图１）。　收稿日期：２００８—０４—３０　作者简介：王铃春（１９７１一），男，工程师，上海绿洲房地产集团有限公司，上海易发安（１９７２一），男，高级工程师，同济大学建筑设计研究院，上海时索红（１９８３．），女，同济大学建筑工程系硕士研究生，上海２０１８００　２０００９２　２０００９２　维普资讯 http://www.cqvip.com

・　　９Ｒ・．　．２第３　０　４卷蒌２５智　０　８　９年　月　　山　西　建　筑‘　两种粘钢加固方法的钢板应力云图也类似，都是在柱角处产　１　０００　ｒｎｉｎ，高３，５　ｍ；梁截面４００　ｒｎｉｎ×１　０００　ｍｍ，长７　ｍ；板厚　１００　ｍｍ。直条钢板采用１０　ｍｍ厚，异型钢板５　ｍｍ厚。钢板弹性　生最大应力，最大分别为３２．９４７　ＭＰａ，３９．８０６　ＭＰａ，表明在构件　模量２．０６×１０　ＭＰａ，？白松比０．２；混凝土３×ｌＯ４　ＭＰａ，泊松比０，３。　破坏时钢板的材料强度均未得到充分发挥。　加载方式为梁上加均布荷载，模型柱底采用固结。模型见图３。　３．２挠度及承载力　对粘钢板前后钢筋混凝土梁进行有限元分析的结果表明：粘　钢板使构件的极限承载力明显提高，挠度明显降低，并且有效地　抑制了裂缝在构件中的开展，破坏时有明显的征兆。根据有限元　计算分析的结果，两种方法的极限承载力相同；异型钢板对挠度　控制效果更明显，可减少２１％。　３．３裂缝开展情况　从裂缝的开展看，在梁柱交接处首先产生一些集中的裂缝；　图３　有限元模型　随着荷载增加，裂缝逐渐向周围扩展、连接并沿纵向发展，随着荷　载进一步增大，混凝土开裂，梁丧失承载力，试件破坏。外粘钢板　能有效地控制钢筋混凝土梁的裂缝开展，这是因为外粘钢板增加　了受拉钢筋的面积，从而分担了受拉钢筋的应有伸长量，达到了　３结果比较　３．１应力分布情况　混凝土应力云图见图４，图５，其极限拉应力值比较接近，分　约束混凝土裂缝宽度的目的。　别为１．７８６　ＭＰａ，１．８１３　ＭＰａ。与混凝土的抗拉强度基本一致，可　４结语　看出在梁柱交接处以及粘钢边缘，有较大的应力集中，两种方法　产生的混凝土应力相差不大，范围也比较一致。反映出该算例采　用的有限元模型较合理，其结果可信。　Ｎ０ＤＡＩ鲫ＩⅡ　ＳⅡ　：１　肥＝６　Ｔ　Ｅ＝．５８　本文在有限元计算的基础上得出的采用新型粘钢作法与规　范作法的对比结果，不仅为具体的粘钢加固方案提供了可靠依　据，而且为以后工程提供了参考。钢筋混凝土梁经外粘钢板加固　后，承载力有明显的提高。外粘钢板对钢筋混凝土梁的变形约束　较为明显，挠度明显降低，并且有效地抑制了裂缝在构件中的开　展，破坏时有明显的征兆。　Ｓ１　（Ａ　）　＝１．０４６　：一１．５４８　：２．２０２　由于外部粘钢加固技术具有良好的经济效益，与常规的加固　方法相比，降低工程造价较多，而且基本不增加构件及结构的荷　载，不改变原设计的结构体系和受力形式；胶粘剂硬化时间快，施　工周期短，工艺简单，施工快捷方便；粘贴钢板所占的空间小，几　乎不增加被加固构件的断面尺寸和重量，不影响房屋的使用净　空，不改变构件的形状。由于这些特殊的优点，在将来加固及改　—１　５４８　—一．７１４　４１３　１．１３１　一．１１８　９６２　．９５２　３３７　１．７８６　２．２０２　扩建工程中，必然会得到更加广泛的应用。　另外，钢筋混凝土结构的非线性有限元分析，随着理论研究　～．２９７　７２５　．５３５　６４９　１．３６９　图４　Ｎ０ＤＡＩ鲫ＳＨ　＝１　肥＝６　Ｔ　Ｅ＝．５８　异型钢板加固混凝土应力云图　的深入和计算机技术的发展，将很有发展前景，但其中存在的问　题仍然很多，这还有待于广大研究人员不断努力，使其向更为方　便实用的方向发展。　参考文献：　ＩⅡ　ＣＮ　Ｓ１　（Ａ　Ｇ）　ＩＩＭＸ＝１．１３４　＝一１．５８　Ⅸ＝２．２３７　［１］ＪＧＪ　１１６—９８，建筑抗震加固技术规程［Ｓ］．　［２］ＧＢ　５０３６７—２００６，混凝土结构加固设计规范［Ｓ］，　［３］ＧＢ　５００１０—２００２，混凝土结构设计规范［Ｓ］，　［４］　张　雷．钢筋混凝土梁采用外粘钢板加固的有限元分析　［Ｊ］．重庆科技学院学报（自然科学版），２００５（６）：２１—２３．　［５］　梁红星．粘钢加固技术的应用［Ｊ］．山西建筑，２００６，３２（２３）：　—１．５８　一．７３１　５１１　一．１１６　７１７　．９６４　９４６　１　８１３　１２９—１３０．　２．２３７　１　１５６　～．姗３９７　．５４０　８３２　１　３８９　图５　直条钢板混凝土应力云图　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄ　ｗｉｔｈ　ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ　ｂｏｎｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ－ｃｏｌｕｍｎ　ｊ　ｏｉｎｔ　ＷＡＮＧ　Ｌｉｎｇ．ｃｈｕｎ　ＹＩ　Ｆａ－ａｎ　ＳＨＩ　Ｓｕ－ｈｏｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ［￣３３Ｄ＿－ｃｏｌｕｌＴｌｎ　ｊｏｉｎｔ　ｗｉｔｈ　ｅｘｔｅｒｎａｌｌｙ　ｂｏｎｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ．Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｉｓ　ｄｏｎｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｅａｍ，　ａｎｄ　ｉｔ　ｃａｎ　ｒｅｓｔｒａｉｎ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｍｅｍｂｅｒ．ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｒｅｓｅｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉＳ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ａｎｄ　ｒｅｌｉａｂｌｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｂｅａｍ－ｃｏｌＵｌＴＩｎ　ｊｏｉｎｔ，ｂｏｎｄｅｄ　ｓｔｅｅｌ　ｐｌａｔｅ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇ，ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ