摘要：由于各種原因，某些異形柱結(jié)構(gòu)體系的建筑物需要加固與維修。針對這些問題，本文對外包鋼法加固異形柱問題進行了分析，在已有的試驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，運用ANSYS軟件建立合理的有限元模型并進行計算分析，并和試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證有限元模擬異形截面柱的正確性和合理性。
關(guān)鍵詞：異形柱加固，外包鋼法，有限元
1 用于有限元分析的構(gòu)件設(shè)計
本文選取四組異形柱構(gòu)件進行有限元分析。每組中有三根異形柱構(gòu)件。這三根異形柱的截面尺寸、材料強度、配筋情況和加載點坐標完全一致。分別為未加固柱（注：此柱有試驗數(shù)據(jù)，詳見葛成元《鋼筋混凝土異形柱偏心受壓試驗及承載力計算研究》[1]）、外包鋼加固的異形柱加固的異形柱。其中外包鋼加固的異形柱加固的異形柱加固用的角鋼均為6 根Q235等肢角鋼L45×5。外包鋼法加固異形柱后的截面如圖1－1：
未加固的異形柱試件具體情況見表1－1：
表1－1 中所有構(gòu)件長度均為1200mm，箍筋為φ4@100通長布置，腹筋為4φ6，保護層厚度
為20mm。
異形柱截面示意圖如圖1-2：
外包鋼法加固后的異形柱在上述構(gòu)件編號后面分別加上W。以AⅠ試件為例，外包鋼法加固后的異形柱編號為AⅠW。
2 有限元分析模型的建立
2.1 單元的選取
本次分析在ANSYS單元庫中選取了三個單元：Link8、Solid45 和Solid65 單元[2] [3]。
1、分離式鋼筋采用Link8 三維桿單元進行模擬，Link8 為可以承受單軸拉壓應力的三維空間桿單元?？梢詫崿F(xiàn)鋼筋的彈塑性階段分析。此單元為兩節(jié)點線單元，每個節(jié)點具有X、Y、Z 三個方向的節(jié)點位移u、v、w，如圖所示，以線單元的中點作為單元局部坐標原點，建立關(guān)于以沿單元長度方向離原點距離為s 的形函數(shù)：
所以Link8 單元中任意點的位移值可用形函數(shù)表示為：
2、模型中的加載墊塊、角鋼皆采用Solid45 單元模擬，此單元為三維結(jié)構(gòu)實體單元，該單元由八節(jié)點定義，每個節(jié)點有三個自由度。以實體單元的中心作為單元的局部坐標原點，利用平面方程，建立關(guān)于以沿坐標軸方向離原點的距離s，t，r 的形函數(shù)。
3、Slid65 為八節(jié)點六面體單元，是ANSYS 中專門用于模擬三維有鋼筋或無鋼筋的混凝土單元，能夠計算混凝土的拉裂和壓碎。利用Solid65 單元及Concrete 材料可以在一定范圍內(nèi)較好地進行鋼筋混凝土的非線性結(jié)構(gòu)分析。Solid65 單元為8 節(jié)點3D 實體單元，每個節(jié)點具有X,Y,Z 三個方向的節(jié)點位移u，v，w，其形函數(shù)同Solid45 單元相同。
2.2 模型的建立及單元劃分
為了最準確地反映結(jié)構(gòu)的受力情況，本文采用細化的空間模型，并盡量使模擬的條件與實驗相接近。根據(jù)實驗試件建立有限元計算的模型圖如下：
混凝土加固異形柱有限元單元劃分尺寸，橫向為20mm×20mm，縱向為50mm，具體模型如圖2－1 在以后的說明中如無特別說明，皆采用圖中的坐標軸方向。在柱端部是墊板，異形柱的各個角部和凹槽部位是角鋼。
2.3 同一柱中不同位置外包角鋼應力對比
對同一根異形柱中不同位置的角鋼進行應力分析和比較，可以更清楚了解各個角鋼在加固異形柱中所發(fā)揮的作用。從而可以更有效的利用角鋼，并節(jié)省資源。 圖2-2 角鋼的位置分布示意圖。
1、外包鋼法加固異形柱的角鋼應力分析
外包鋼法加固AⅠ、AⅡ、AⅢ、AⅣ、AⅤ試件后，外包角鋼的應力－荷載曲線圖見圖2-3 到圖2-6，試件均在80％極限荷載狀態(tài)下進行外包鋼法加固。
從以上這些角鋼荷載應力曲線圖可以看出，同一異形柱中的不同部位的角鋼應力都各不相同，這是偏心荷載和不規(guī)則的異形截面造成的。在同一柱子中，有的角鋼應力很大，有些角鋼應力偏小，有些角鋼應力甚至接近為零。這是因為有的角鋼離中和軸較遠，當異形柱二次受力時，這些離中和軸較遠位置的角鋼應變發(fā)展快，當異形柱破壞時，角鋼基本能夠達到屈服強度，充分發(fā)揮了角鋼的作用。有些角鋼離中和軸近，這些角鋼的應變發(fā)展較慢，最后角鋼只能發(fā)揮出部分強度。而有些角鋼恰好就處于中和軸上，如AⅠ構(gòu)件中的角鋼2 和角鋼6，直至異形柱破壞時，角鋼應力仍接近零，這些角鋼在異形柱加固中只發(fā)揮了少量作用。
2.4 各個試件荷載位移曲線與試驗值對比
2.4.1 未加固異形柱的有限元模擬
由于目前還未有人對外包鋼法加固異形柱做過試驗研究，還無法用ANSYS 計算的數(shù)據(jù)與試驗相比較。但我們可以先比較未加固異形柱有限元分析的準確性來得知ANSYS 分析異形截面的仿真程度。從前面幾點分析可知，有限元分析的異形柱破壞過程可以完全與試驗相吻合。下面來比較兩者的極限承載力。
經(jīng)過計算并統(tǒng)計結(jié)果后得到的結(jié)果如表2-1 所示。程序計算結(jié)果與試驗結(jié)果誤差在0.9548%。從而驗證本次有限元模擬是準確的，ANSYS 分析模擬L 形截面柱的情況是可行的，這為異形柱加固后的計算分析提供了前提和基礎(chǔ)。
3 結(jié)束語
本文中主要就ANSYS 中多個非線性計算選項和材料參數(shù)等做出詳細說明。同時使用ANSYS 程序?qū)ξ醇庸坍愋沃⑼獍摲庸痰漠愋沃M行模擬。并就未加固異形柱的模擬結(jié)果和試驗結(jié)果進行了比較，驗證了建模的可靠性。結(jié)果表明：利用有限元來模擬試驗異形柱加固是可行的，計算結(jié)果具有較良好的精度和準確性，可以對異形柱及加固后異形柱的受力特點進行全面了解。
參考文獻
[1]葛成元. 鋼筋混凝土異形柱偏心受壓試驗及承載能力計算研究. 華南理工大學碩士學位論文, 1989.11
[2]ANSYS 使用手冊. 美國ANSYS 公司駐廣州辦事處
[3]郝文化等. ANSYS 土木工程應用實例. 中國水利水電出版社，2004
