摘要：由于各种原因，某些异形柱结构体系的建筑物需要加固与维修。针对这些问题，本文对外包钢法加固异形柱问题进行了分析，在已有的试验数据基础上，运用ANSYS软件建立合理的有限元模型并进行计算分析，并和试验数据进行对比，验证有限元模拟异形截面柱的正确性和合理性。
关键词：异形柱加固，外包钢法，有限元
1 用于有限元分析的构件设计
本文选取四组异形柱构件进行有限元分析。每组中有三根异形柱构件。这三根异形柱的截面尺寸、材料强度、配筋情况和加载点坐标完全一致。分别为未加固柱（注：此柱有试验数据，详见葛成元《钢筋混凝土异形柱偏心受压试验及承载力计算研究》[1]）、外包钢加固的异形柱加固的异形柱。其中外包钢加固的异形柱加固的异形柱加固用的角钢均为6 根Q235等肢角钢L45×5。外包钢法加固异形柱后的截面如图1－1：
未加固的异形柱试件具体情况见表1－1：
表1－1 中所有构件长度均为1200mm，箍筋为φ4@100通长布置，腹筋为4φ6，保护层厚度
为20mm。
异形柱截面示意图如图1-2：
外包钢法加固后的异形柱在上述构件编号后面分别加上W。以AⅠ试件为例，外包钢法加固后的异形柱编号为AⅠW。
2 有限元分析模型的建立
2.1 单元的选取
本次分析在ANSYS单元库中选取了三个单元：Link8、Solid45 和Solid65 单元[2] [3]。
1、分离式钢筋采用Link8 三维杆单元进行模拟，Link8 为可以承受单轴拉压应力的三维空间杆单元。可以实现钢筋的弹塑性阶段分析。此单元为两节点线单元，每个节点具有X、Y、Z 三个方向的节点位移u、v、w，如图所示，以线单元的中点作为单元局部坐标原点，建立关于以沿单元长度方向离原点距离为s 的形函数：
所以Link8 单元中任意点的位移值可用形函数表示为：
2、模型中的加载垫块、角钢皆采用Solid45 单元模拟，此单元为三维结构实体单元，该单元由八节点定义，每个节点有三个自由度。以实体单元的中心作为单元的局部坐标原点，利用平面方程，建立关于以沿坐标轴方向离原点的距离s，t，r 的形函数。
3、Slid65 为八节点六面体单元，是ANSYS 中专门用于模拟三维有钢筋或无钢筋的混凝土单元，能够计算混凝土的拉裂和压碎。利用Solid65 单元及Concrete 材料可以在一定范围内较好地进行钢筋混凝土的非线性结构分析。Solid65 单元为8 节点3D 实体单元，每个节点具有X,Y,Z 三个方向的节点位移u，v，w，其形函数同Solid45 单元相同。
2.2 模型的建立及单元划分
为了最准确地反映结构的受力情况，本文采用细化的空间模型，并尽量使模拟的条件与实验相接近。根据实验试件建立有限元计算的模型图如下：
混凝土加固异形柱有限元单元划分尺寸，横向为20mm×20mm，纵向为50mm，具体模型如图2－1 在以后的说明中如无特别说明，皆采用图中的坐标轴方向。在柱端部是垫板，异形柱的各个角部和凹槽部位是角钢。
2.3 同一柱中不同位置外包角钢应力对比
对同一根异形柱中不同位置的角钢进行应力分析和比较，可以更清楚了解各个角钢在加固异形柱中所发挥的作用。从而可以更有效的利用角钢，并节省资源。 图2-2 角钢的位置分布示意图。
1、外包钢法加固异形柱的角钢应力分析
外包钢法加固AⅠ、AⅡ、AⅢ、AⅣ、AⅤ试件后，外包角钢的应力－荷载曲线图见图2-3 到图2-6，试件均在80％极限荷载状态下进行外包钢法加固。
从以上这些角钢荷载应力曲线图可以看出，同一异形柱中的不同部位的角钢应力都各不相同，这是偏心荷载和不规则的异形截面造成的。在同一柱子中，有的角钢应力很大，有些角钢应力偏小，有些角钢应力甚至接近为零。这是因为有的角钢离中和轴较远，当异形柱二次受力时，这些离中和轴较远位置的角钢应变发展快，当异形柱破坏时，角钢基本能够达到屈服强度，充分发挥了角钢的作用。有些角钢离中和轴近，这些角钢的应变发展较慢，最后角钢只能发挥出部分强度。而有些角钢恰好就处于中和轴上，如AⅠ构件中的角钢2 和角钢6，直至异形柱破坏时，角钢应力仍接近零，这些角钢在异形柱加固中只发挥了少量作用。
2.4 各个试件荷载位移曲线与试验值对比
2.4.1 未加固异形柱的有限元模拟
由于目前还未有人对外包钢法加固异形柱做过试验研究，还无法用ANSYS 计算的数据与试验相比较。但我们可以先比较未加固异形柱有限元分析的准确性来得知ANSYS 分析异形截面的仿真程度。从前面几点分析可知，有限元分析的异形柱破坏过程可以完全与试验相吻合。下面来比较两者的极限承载力。
经过计算并统计结果后得到的结果如表2-1 所示。程序计算结果与试验结果误差在0.9548%。从而验证本次有限元模拟是准确的，ANSYS 分析模拟L 形截面柱的情况是可行的，这为异形柱加固后的计算分析提供了前提和基础。
3 结束语
本文中主要就ANSYS 中多个非线性计算选项和材料参数等做出详细说明。同时使用ANSYS 程序对未加固异形柱、外包钢法加固的异形柱进行模拟。并就未加固异形柱的模拟结果和试验结果进行了比较，验证了建模的可靠性。结果表明：利用有限元来模拟试验异形柱加固是可行的，计算结果具有较良好的精度和准确性，可以对异形柱及加固后异形柱的受力特点进行全面了解。
参考文献
[1]葛成元. 钢筋混凝土异形柱偏心受压试验及承载能力计算研究. 华南理工大学硕士学位论文, 1989.11
[2]ANSYS 使用手册. 美国ANSYS 公司驻广州办事处
[3]郝文化等. ANSYS 土木工程应用实例. 中国水利水电出版社，2004
