高性能混凝土加固构件承载力试验与数值模拟

'中图分类号：TU375.3论文编号：2017305109UDC：密级：公开硕士学位论文高性能混凝土加固构件承载力试验与数值模拟作者姓名：王凯学科名称：土木工程研究方向：结构工程学习单位：华北理工大学学制：2.5年提交日期：2017年11月29日申请学位类别：工学硕士导师姓名：李志华副教授单位：华北理工大学建筑工程学院论文评阅人：张玉敏教授单位：华北理工大学建筑工程学院康洪震教授单位：唐山学院论文答辩日期：2018年3月7日答辩委员会主席：陈贵清教授关键词：增大截面加固；二次受力；高性能混凝土；轴心受压；数值模拟唐山华北理工大学2018年3月 BearingCapacityTestandNumericalSimulationofUltra-performanceConcreteReinforcementMemberDissertationSubmittedtoNorthChinaUniversityofScienceandTechnologyinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinEngineeringbyWangKai(CivilEngineering)Supervisor:Ph.DLiZhihuaMarch,2018 独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得华北理工大学以外其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。论文作者签名：日期：年月日关于论文使用授权的说明本人完全了解华北理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以将学位论文的全部或部分内容采用影印、缩印或编入有关数据库进行公开、检索和交流。作者和导师同意论文公开及网上交流的时间：□自授予学位之日起□自年月日起作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日 摘要随着改革开放的深入进行，我国经济增速逐步放缓，新增建筑物数量逐渐下降，而老旧建筑物数量逐渐增多，对建筑物加固改造的研究已成为具有较高的经济意义和社会价值的必要工作。试验设计原柱和单侧50mm、单侧75mm、L型50mm加固的四组七个构件，将构件分为无初始应力与80%初始应力加固后进行试验，对比发现初始应力的存在不利于新、旧混凝土的整体性，降低了新增混凝土强度利用率，影响了承载力的提升。对比不同的加固形式，发现增大截面加固法轴心受压承载力并不是新与旧简单的叠加，在截面积增加的基础上还应考虑外侧加固混凝土对原核心柱的约束作用。在ANSYS中进行数值模拟分析，对比主应力图发现初始应力值的存在影响了新、旧结构的整体性。从结构变形图可以看出新增截面的应变滞后于原核心柱，且承载力提升的数值小于卸荷后的加固构件。对比L型与单侧加固构件弯矩图，发现外侧混凝土对原核心柱有约束作用，这与试验结论相一致。说明采用高性能混凝土进行增大截面加固能有效提升承载力，而初始应力值的存在与加固形式的选取对最终承载力有较大影响。图25幅；表12个；参42篇。关键词：增大截面加固，二次受力，高性能混凝土，轴心受压，数值模拟分类号：TU375.3-I- AbstractWiththedeepeningreformandopeningup,China"seconomicgrowthisslowingdown,thenewbuildingnumberdecreases,thenumberofrelativelyoldbuildingsgraduallyincreases,thestrengtheningofthebuildinghasbecomeanecessarywork,whichhashigheconomicsignificanceandsocialvalue.Inthisexperiment,fourgroupsofsevencomponentsstrengthenedbyoriginalcolumnandsingleside50mm,singleside75mmandL50mmaredesigned.Thecomponentsaredividedintonoinitialstressand80%initialstress.Itisfoundthattheexistenceofinitialstressisnotconducivetotheintegrityandworksynergyofnewandoldconcrete,butalsoreducestheutilizationratioofnewconcretestrengthandaffectsthebearingcapacityimprovement.Comparedwithdifferentreinforcementforms,itisfoundthattheincreasingvalueofaxialcompressionbearingcapacityofreinforcedsectionmethodisnotasimplesuperpositionofnewandoldones.Consideringtheincreaseofarea,weshouldalsoconsidertheconstrainteffectoflateralreinforcementconcreteontheoriginalcorecolumn.ThenumericalsimulationanalysisinANSYSshowsthattheexistenceoftheinitialstressvalueaffectstheintegrityofthenewandoldstructures.Fromthestructuraldeformationdiagram,itcanbeseenthatthestrainofthenewsectionislaggingbehindtheoriginalcorecolumn,andthevalueofbearingcapacityliftingislessthanthatofthereinforcedmemberafterunloading.ThebendingmomentdiagramofLandsinglesidereinforcementmembersarecompared.Itisfoundthatthelateralconcretehasabindingeffectontheoriginalcorecolumn,whichisinaccordancewiththeexperimentalconclusion.Itisindicatedthattheuseofhighperformanceconcretecaneffectivelyincreasethebearingcapacity,andtheinitialstressvalueandthechoiceofreinforcementformhavegreatinfluenceontheultimatebearingcapacity.Figure25;Table12;Reference42Keywords:reinforcementwithenlargedsection,secondaryloading,highperformanceconcrete,axialcompression,numericalsimulationChinesebookscatalog:TU375.3-II- 目次引言.......................................................................................................................1第1章绪论.................................................................................................................31.1研究意义及国内外研究现状.........................................................................31.1.1研究意义...............................................................................................31.1.2国内研究现状.......................................................................................31.1.3国外研究现状.......................................................................................41.3结构加固的基本原理.....................................................................................61.2.1混凝土加固原理...................................................................................61.2.2高性能混凝土的发展与应用...............................................................91.2ANSYS有限元分析软件简介......................................................................101.3.1数值模拟概述.....................................................................................111.3.2ANSYS参数化语言概述....................................................................111.3.3ANSYS模拟的重要性........................................................................12第2章试验设计与试块选取...................................................................................132.1试验构件的设计...........................................................................................132.2试块的选取...................................................................................................152.2.1国内外配制混凝土材料的差异.........................................................152.2.2国内外混凝土强度评定的差异.........................................................172.2.3国内外混凝土弹性模量选取的差异.................................................182.2.4试块的选取.........................................................................................192.3材料实际强度...............................................................................................212.4小结...............................................................................................................22第3章增大截面加固轴心受压理论分析...............................................................233.1破坏荷载理论计算.......................................................................................233.1.1混凝土加固设计规范理论计算.........................................................233.1.2二次受力作用下混凝土结构理论计算.............................................243.2小结...............................................................................................................25第4章增大截面加固构件轴心受压试验...............................................................26-III- 4.1原构件浇筑....................................................................................................264.2加固处理方法................................................................................................264.2.1无初始荷载加固处理..........................................................................264.2.2有初始荷载加固处理..........................................................................274.3增大截面加固构件加载试验........................................................................284.4试验结果及分析............................................................................................294.4.1加固构件受力特性..............................................................................294.4.2混凝土应变..........................................................................................304.4.3钢筋应变..............................................................................................334.4.4初始应力对构件的影响......................................................................364.4.5加固形式对轴心受压承载力的影响..................................................364.5小结................................................................................................................38第5章增大截面加固构件轴心受压数值模拟........................................................395.1ANSYS钢筋混凝土建模方法.......................................................................395.2ANSYS中钢筋混凝土本构模型的选取.......................................................405.3材料相应单元的选择....................................................................................415.3.1混凝土单元的选择..............................................................................415.3.2钢筋单元的选择..................................................................................435.3.3二次受力作用下生死单元的运用......................................................435.4模型的建立....................................................................................................445.5计算结果及分析............................................................................................455.5.1构件在荷载作用下的应力情况..........................................................465.5.2构件在荷载作用下的变形..................................................................485.5.3最终承载力大小..................................................................................495.5.4L型加固的特殊性...............................................................................505.6小结................................................................................................................51结论..........................................................................................................................52参考文献......................................................................................................................53致谢..........................................................................................................................56-IV- 导师简介.....................................................................................................................57作者简介.....................................................................................................................58学位论文数据集.........................................................................................................59-V- 引言中国作为全球最大的发展中国家，在40年的改革开放中我国对基础设施建设始终大力发展。但随着时间推移建筑物老旧、最初的工程设计不合理、施工质量差、后期使用和维护上的不合格、建筑使用功能的变化、火灾、地震等因素造成的建筑物需要进行加固改造的情况不乏其数。同时，土地供给关系紧张导致的新建筑物开发成本上涨，对既有结构的检测、加固和改造已成为结构工程界关注和研究的一个新方向，加固改造方向的技术问题已然成为影响我国经济不断向前发展的重要问题。从发达国家城市化发展的历史进程来看，建筑业的发展包含了三个重要的历史阶段：第一阶段为新兴国家的建设初期，新生经济和技术的快速发展带动了新建建筑面积的较快增加，我国改革开放初期和欧美19世纪后半期就是这一时期的代表；第二阶段为新增与老旧建筑物数量同步增多，我国经历改革开放的快速发展后新建建筑物增长势头逐渐放缓，老建筑的数量逐渐增加，在未来30年间我国建筑行业将处在这个阶段；第三阶段以老旧建筑的维护与加固改造为主，而新建建筑数量将会大规模减少。加固改造也将成为建筑行业资金投入的新重点，目前欧美等发达国家主要处于该阶段。建筑物加固有多种方法，如增大截面加固、置换混凝土加固、预应力碳纤维复合板加固等。一般施工中若采用增大截面法加固柱子时，很少将原柱进行卸荷处理，而是直接进行加固施工。实际上，原柱在加固前因上部荷载作用就已经发生变形，在这种情况下对构件进行增大截面加固处理，新增截面的高性能混凝土强度并没有被完全利用。本试验通过改变原柱初始应力值进行对比试验，证明原核心存在的初始应力值对新加固高性能混凝土和钢筋强度利用率的影响。同时，将单侧加固与L型加固所增加承载力进行对比，发现约束效应导致单侧加固与L型加固在承载力的提升上并不是简单的叠加，说明的增大截面加固提升的不仅仅与加固新增的截面面积有关，还与采取的加固形式有关。通过数值模拟改变原柱所承受的初始应力值、加固使用方法和加固厚度进行对比模拟试验，以此找出构件受压时的应力和变形状态，从而得出新、旧混凝土协同工作的最佳方案。再通过试验论证理论，从而得出对原核心柱卸荷，能有效的提高新、旧混凝土工作协同性。最后通过数据分析，对规范的承载力计算公式提出了一-1- 些见解，为今后加固工程实际应用提供一定的参考价值。-2- 第1章绪论1.1研究意义及国内外研究现状1.1.1研究意义到2017年为止，我国已经建成建筑面积已经超过510亿平方米[1]。随着社会不断向前发展，建设资金的上涨和建设用地的不断减少带来新建建筑数量的下降，使得工程建设的主要方向将会向既有建筑的加固改造转变，这也是许多发达国家目前的现状。当前建筑行业的发展，在努力增加新建建筑物数量和质量同时，要不断提高对老旧建筑物的改造技术，从而让老旧建筑物贡献更多的经济效益。经研究发现，加固改造旧建筑物比新建节约40%的投资，工期也只要新建建筑物的一半，有些厂房的改造所要的时间甚至比新建快3倍。目前，城市房价不断上涨，但城市住房用地的需求量却不降反升，而解决这一矛盾的关键就是对旧房的增层改造，所以对加固技术的研究非常必要。1.1.2国内研究现状我国相比发达国家，对加固系统性的研究起步相对较晚。建国初期，因为经济技术落后，缺乏专业技术人员，往往对建筑物的处理都是治标不治本。1976年唐山地震后，国家才对既有建筑物的加固开始重视，不断投入的资金。十多年后，我国研制出的和易性较好的修补砂浆，在构件局部混凝土补强技术上得到发展。上世纪90年代初期，结构安全成为了普遍重视的问题，全国建筑物鉴定与加固标准技术委员会的成立标志着我国加固行业由原来的经验为主逐渐向标准和系统的方向发展。近些年，我国加固研究的重点逐渐向纤维混凝土加固技术方向迈进。总的来说，经过多年的研究，我国加固技术取得了长足的进步。加固行业的发展推动了技术的提升，技术的提升又为加固行业的发展提供了技术保障和理论支持。目前，我国每年结构加固递增量超过30%，对结构加固方面的研究也在不断深入。黎桉君、鲍安红、王驰、唐迪[2]对剪力墙单面增大截面偏压进行了仿真模拟研究。在实际工程中并不能很好的对建筑剪力墙立面进行两面加固，所以多是以单面的形式进行加固。通过缩尺比例建立未加固、双面加固和单面加固的3组剪力墙模型，用ABAQUS对其进行偏心受压试验，模拟从弹性阶段到最终破坏的过程。结-3- 果表明，加固单截面剪力墙的承载力约为双截面的77%。单面加固正截面承载力提升系数为2.8，双面加固提升系数为3.5。可见单截面加固与双截面加固并不是简单的承载力叠加，为以后剪力墙的加固设计提供了相应的理论依据。郑建岚、吴文达[3]将三个框架在各自的节点处进行加固，因为结构空间较小的原因采用自密实混凝土完成加固。在考虑二次受力的情况下对加固完成后的框架进行了抗震性能的研究。试验中对3个进行加固和一个未加固的框架进行对比试验。通过对比测试构件的破坏过程、新旧钢筋的应变等可以看出两点：第一点是采用自密实加固后新旧混凝土具有良好协同工作的性能，第二点是梁端原荷载初始值对加固节点有较大的影响，原荷载越高，节点加固效果越差。李红、刘胜春[4]对钢筋混凝土构件增大截面加固后偏心受压对承载力的影响进行了研究。通过围套加固和双边加固两种不同的加固形式对不同的截面尺寸进行偏心受压试验并通过ABQUS对加载过程进行模拟试验，发现现行加固规范中对于小偏心的折减系数选取并不安全，建议折减系数应定为0.8。申士军[5]对存在损伤的混凝土结构加固后的性能以及耐久性进行了研究。虽然目前加固技术在不断的进步且运用广泛，但是对加固完成后结构的耐久性却没有进行有效的研究。加固前原构件往往处于恶劣的环境中，加固后构件依旧处于原恶劣环境中，耐久性退化较为严重。通过持续荷载和盐水干湿交替模拟恶劣环境，并改变锈蚀率对加固与未加固的混凝土柱轴压承载力提出计算模型。从理论计算分析加固构件承载力影响参数的分析。1.1.3国外研究现状随着资本主义的兴起和科技革命的到来，社会生产力成倍增长，国外对建筑加固的研究远远早于国内。17世纪初期，欧洲一些国家就对建筑加固提出初步的理论方案，而不是单单依靠经验。在1970年以后，美国国内经济萧条导致新增建筑面积不断下降，而对建筑物加固改造的面积逐年上升，经济效益不断推动着行业技术的发展。当时，美国有些专业技术团体甚至预测，在新世纪加固改造行业将成为一种普遍存在的行业。不仅仅在美国，欧洲许多国家对加固行业的投资也能看出这一行业发展的态势。上世纪80年代以来，瑞典建筑业新建投资和加固改造的投资达到了1:1，而德国加固投资占建筑总投资的比列达到了65%以上。从上世纪70到80年代，仅这十年时间英国对加固行业的投资额就提高了近4倍。对这些发达-4- 国家而言，无论从对环境的影响还是经济适用的角度都会更加青睐于加固改造老旧建筑，所以对加固技术的研究也较为深入。TomNorris，H.Saadatmanesh[6]等将十九条梁用三种不同的碳纤维（CFRP）加固形式进行加固，加固完成后在梁中进行加载直到梁破坏。对在张拉面和腹板上粘贴了碳纤维布的混凝土梁研究发现，粘贴碳纤维布这种加固方法有效提高了梁的抗弯强度和抗剪强度。通过对十九条梁的对比发现，碳纤维粘贴方向的不同是梁失效模式和强度极限提高量的关键。SharonE.Gookin，AdrianM.Nacamuli[7]等用置换法、粘贴碳纤维布、增加外部箍套三种方法对三根严重受损的混凝土柱进行有效加固。加固后对三根柱子再次施加地震荷载，文中对比了不同加固技术在地震作用下的反映，发现置换法加固的柱子在承载力、延性、耗能能力提升优于粘贴碳纤维布。三组构件修复后的初始刚度都比原构件低，但是加载过程中刚度降低的比较缓慢，说明加固有效的增加了构件的延性，对地震耗能的性能有所提升。当地震来临时加固后的结构在抗震方面优于未加固的。VictorGiurgiutiu，KentHarries，MichaelPetrou[8]等通过在钢筋混凝土结构中嵌入压电晶片主动传感器（PWAS）进行原位无损检测（NDE）的能力进行理论探讨，并对聚合物增强纤维加固的结构进行了试验。首先，他们将碳纤维增强聚合物（CFRP）粘贴在梁的张拉面上。然后将梁在疲劳试验中进行加载，进行807415个荷载周期，约50万次的循环。通多观察发现PWAS检测出的数据与损伤程度相一致。表明在加固后通过嵌入压电晶片主动传感器能有效的检测碳纤维增强聚合物加固的结构并对加固后结构可靠度有一定的保障，能较为实际和精确的反映加固对结构的增益影响。日本因为地震多发，对受损建筑物加固处理就较为频繁。所以在建筑加固方面无论是加固材料还是技术都相对比较成熟。M.Miyazaki等人认为在结构下部安装阻尼器来抵消部分地震荷载[9]，使上部结构抗震系数提高从而达到加固的目的，这独到的技术思路对抗震加固的推动起到了巨大的作用。到80年代初期，日本东京大学在欧洲轻微振捣混凝土的基础上进行改进，自行研发了自密实混凝土，并进行了公开试验。不久就将自密实混凝土投入实际工程中应用，对混凝土加固行业的推动时起到至关重要的作用。-5- 1.3结构加固的基本原理对于已经建成的建筑物，常常由于建造时施工技术的限制、使用材料质量的低劣、建筑物功能的改变、遭受火灾地震等结构损伤或建筑设计失误而对建筑物的耐久性和安全性产生影响。对建筑检测鉴定后不满足规定要求的，就需要对现有的建筑物进行加固处理保障使用安全。与新建建筑有所不同的是，进行加固改造设计之前要复合原建筑承载力计算，所以需要对原结构有精确的了解。加固设计在满足承载力要求的情况下还需要考虑新、旧结构在荷载作用下的协同工作，这也是加固设计的基本思路。加固施工不像新建施工一样有整片的较为封闭的施工场所，往往进行加固时建筑物还在使用中或者只能有短暂的施工时间，所以加固施工时间必须快且现场湿作业量应尽量减少。同时需要加固的建筑物有时可能局部已经拆除、损坏等，施工中安全风险较高，必须在加固前做好支撑等安全措施。因为对新、旧材料界面处理要求较高，加上施工现场工作环境的限制，所以结构加固对施工工艺要求较高。近些年，我国正逐渐弥补加固领域的不足，对结构加固方面进行了大量的研究和改进，将研究结果结合实际工作的经验写入了《混凝土结构加固设计规范》中，对实际加固施工起到了规范和指导作用。1.2.1混凝土加固原理加固后的结构与原结构有较大的差异，这种差异主要体现在下列几个方面。首先，原结构已经承受荷载作用，在此荷载下产生了应力、应变，这称为第一次受力，加固完成后的构件再次承受荷载称为二次受力。原结构中不仅存在混凝土因凝结硬化而产生的变形，而且还存在在长期荷载作用下产生的变形。现场加固施工时往往没有卸除这部分荷载，需要上部荷载继续增大，新增部分才会开始提供支撑。加固完成后上部荷载的继续增加，但是新加固部分的应力、应变滞后于原核心结构，原构件在已经变形的基础上再次增加变形量，新、旧结构并不能同时达到应力最高点。原构件往往先被破坏，而新增加部分又不能单独承担上部荷载，造成加固后构件被各个击破，承载力并没有达到应有的理论值，最终加固效果较差。作为一个二次组合结构，加固的关键便是新、旧混凝土能否结合成为一个有机整体进行协同工作。正是这样一种特殊的结构状态，导致加固所涉及的计算不同于新建结构。在涉及新增部分承载力计算时，都会有一个新增部分利用率折减系数，这个折减系数便是影响结构最终承载力计算值大小的关键。-6- 加固计算与传统钢筋混凝土承载力的计算并不相同，不同的加固方法有不同的承载力计算方法，但最终结构的承载力绝对不是新与旧两者的加和。在进行设计计算时，参考现行规范，对加固所涉及的计算做下列假定：（1）不考虑混凝土的抗拉强度;（2）截面在变形时保持平面状态;（3）混凝土受压的应力σ与应变ε的关系如图(a)所示，可以表达为下列回归cc方程：(a)混凝土(b)钢筋图1混凝土与钢筋的应力应变图Fig.1Stressandstraindiagramofconcreteandsteelbar当ε≤ε时ccu2εεccσ=2−f（1）cεεcc0c0当ε≤ε≤ε时c0ccuσ=f（2）cc式中：f—混凝土轴心抗压强度设计值，MPa；cε—混凝土轴心受压极限应变值，ε=0.002；c0c0ε—混凝土弯曲抗压极限应变值，ε=0.0035。cucu（4）钢筋的应力与应变关系如图(b)所示，两者回归方程为：σ=εE（当εE