基于ABAQUS的粘鋼加固鋼筋混凝土柱的研究

張貴文,張　納,任宏洲(．蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州　730050; ．平?jīng)鍪泻杲ńㄔO(shè)工程質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司,甘肅平?jīng)觥?44000)

基于ABAQUS的粘鋼加固鋼筋混凝土柱的研究

張貴文1,張納1,任宏洲2
(1．蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅蘭州730050; 2．平?jīng)鍪泻杲ńㄔO(shè)工程質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司,甘肅平?jīng)?44000)

通過有限元軟件ABAQUS對7根鋼筋混凝土柱(其中6根用粘鋼加固)在水平反復(fù)荷載作用下的模擬研究,比較分析了粘鋼加固前后鋼筋混凝土柱的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線等.結(jié)果表明:粘鋼加固可以有效地提高柱的承載力、延性和變形能力,減緩剛度退化,改善鋼筋混凝土柱的抗震性能;粘鋼加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震性能與損傷程度、軸壓比和加固鋼板厚度等因素有關(guān).

ABAQUS;鋼筋混凝土柱;粘鋼加固;抗震性能

引用格式:Zhang Guiwen,Zhang Na,Ren Hongzhou．Study of the SteelGBonded Reinforced Concrete Column Based on ABAQUS[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):68G71,77．[張貴文,張納,任宏洲．基于ABAQUS的粘鋼加固鋼筋混凝土柱的研究[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2016,28(2):68G71,77．]

在歷次大地震中,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)均受到了嚴重的震害,出現(xiàn)了不同程度的損傷,其中鋼筋混凝土柱損傷是一種主要的損傷形式.2008年汶川大地震的震害調(diào)查表明[1,2],相當(dāng)部分鋼筋混凝土柱處于不同的損傷狀態(tài),可通過加固修復(fù).

既有研究大多針對梁構(gòu)件進行抗震加固[3,4]或其他復(fù)合材料對柱進行抗震加固[5,6],分析其抗震加固后的力學(xué)性能.目前對粘鋼加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震性能研究較少,因此研究利用有限元軟件ABAQUS進行數(shù)值模擬,分析粘鋼加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震性能和影響因素,可為實際工程的加固提供參考.

1　有限元模型的建立

1．1構(gòu)件尺寸、材料參數(shù)的描述

鋼筋混凝土構(gòu)件柱采用對稱配筋截面設(shè)計,尺寸為200 mm×200 mm×1 000 mm,保護層厚度取25 mm,混凝土強度等級為C30,縱筋為412 mm的HRB335鋼筋,箍筋為8 mm的HPB300鋼筋,間距為100 mm,加固鋼板為Q235鋼材,模型構(gòu)件柱截面尺寸和配筋如圖1所示.混凝土和鋼筋的各力學(xué)參數(shù)均取自?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范?GB50010G 2010[7]的標(biāo)準(zhǔn)值(見表1),表1中結(jié)構(gòu)膠的參數(shù)根據(jù)試驗測得的數(shù)據(jù)而定[8],結(jié)構(gòu)膠的厚度取3 mm.

圖1　模型構(gòu)件柱(截面尺寸和配筋)Fig．1　Component column model

表1　模型材料參數(shù)Table 1　Model material parameter

1．2建模中材料的本構(gòu)關(guān)系

混凝土的本構(gòu)關(guān)系選用有限元軟件ABAQUS中提供的混凝土損傷塑性模型,因為該模型可以做靜力、動力分析,在給定合適的參數(shù)時,計算分析的收斂性更好.鋼筋和鋼板的本構(gòu)關(guān)系選用理想化彈塑性模型,鋼墊片和結(jié)構(gòu)膠的本構(gòu)關(guān)系選用線彈性模型.

1．3建模方法和單元選取

采用位移協(xié)調(diào)的分離式模型,假定鋼筋骨架與混凝土、混凝土與結(jié)構(gòu)膠、結(jié)構(gòu)膠與外包鋼板完全咬合.先將混凝土、鋼筋骨架、結(jié)構(gòu)膠和外包鋼板分別建模,采用軟件ABAQUS中的Embedded命令將鋼筋骨架嵌入混凝土中,采用Tie命令將混凝土與結(jié)構(gòu)膠、結(jié)構(gòu)膠與外包鋼板綁定在一起,從而確?；炷僚c結(jié)構(gòu)膠、結(jié)構(gòu)膠與外包鋼板完全咬合、位移協(xié)調(diào),不產(chǎn)生相對滑移.

混凝土和鋼墊片均采用三維實體單元C3D8R來模擬,鋼筋骨架采用兩結(jié)點線性三維桁架單元T3D2來模擬,鋼板和結(jié)構(gòu)膠采用殼單元S4R來模擬.粘鋼加固損傷鋼筋混凝土柱的有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2　有限元模型的網(wǎng)格劃分Fig．2　Mesh generation of finite element model

1．4加載方法

首先在柱頂施加軸力N＝286 k N(軸壓比為0．5),并在模擬過程中保持穩(wěn)定,然后采用位移控制法在柱頂鋼墊片上施加水平反復(fù)荷載.加載制度見表2,循環(huán)加載歷程如圖3所示.

表2　加載制度Table 2　Load system

圖3　循環(huán)加載歷程Fig．3　Cyclic loading course

2　有限元模型的分析

2．1構(gòu)件模型的設(shè)計

共設(shè)計模擬了7根柱,并依據(jù)研究的目的對其中6根柱預(yù)設(shè)了不同的損傷程度、軸壓比和鋼板厚度,具體參數(shù)如表3所列.

2．2數(shù)值模擬分析抗震性能指標(biāo)

(1)滯回曲線模擬各構(gòu)件在加載點的滯回曲線如圖4~圖7所示.粘鋼加固后構(gòu)件柱的滯回曲線形狀與一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的滯回曲線形狀相類似,呈梭形,其飽和程度取決于構(gòu)件的受力類型、材料、配筋和反復(fù)荷載的次數(shù).對比可發(fā)現(xiàn),加固后構(gòu)件的單個滯回環(huán)面積比加固前大,表明粘鋼加固可以提高構(gòu)件的變形能力和耗能能力,使加固后構(gòu)件的剛度衰減變慢.

(2)骨架曲線模擬各構(gòu)件的骨架曲線如圖8所示.對比可發(fā)現(xiàn),加固后構(gòu)件的承載力比加固前大,說明粘鋼加固可以提高構(gòu)件的承載能力和變形能力.

表3　模型構(gòu)件的主要設(shè)計參數(shù)Table 3　The major design parameter of component model

圖4　ZAG1的滯回曲線Fig．4　Hysteretic curve of ZAG1

圖5　ZBG1和ZBG2的滯回曲線Fig．5　Hysteretic curve of ZBG1 and ZBG2

圖6　ZCG1和ZCG2的滯回曲線Fig．6　Hysteretic curve of ZCG1 and ZCG2

圖7　ZDG1和ZDG2的滯回曲線Fig．7　Hysteretic curve of ZDG1 and ZDG2

圖8　骨架曲線Fig．8　Skeleton curve

(3)剛度退化曲線構(gòu)件的剛度可用割線剛度表示,其割線剛度Ki可表示為

其中:±Fi分別為第i次循環(huán)正反加載時對應(yīng)的峰值點荷載;±Δi分別為第i次循環(huán)正反加載時對應(yīng)的峰值點位移.

模擬各構(gòu)件的剛度退化曲線如圖9所示.對比可發(fā)現(xiàn),加固后構(gòu)件的剛度退化比加固前慢,表明粘鋼加固可以減緩構(gòu)件的剛度退化.

圖9　剛度退化曲線Fig．9　Stiffness degradation curve

2．3抗震性能影響參數(shù)分析

對粘鋼加固鋼筋混凝土柱施加水平反復(fù)荷載作用研究加固后構(gòu)件的抗震性能,分析不同影響參數(shù)對粘鋼加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震性能的影響.其中抗震性能影響參數(shù)包括損傷程度、軸壓比、加固鋼板厚度等.

(1)損傷程度的影響由圖4和圖5對比可知,加固后各構(gòu)件柱的滯回特性均得到不同程度的改善.由圖5、圖8和圖9可知,損傷程度對粘鋼加固柱的滯回曲線影響不顯著,但對骨架曲線和剛度退化曲線有顯著影響.隨著損傷程度的增大,當(dāng)出現(xiàn)嚴重損傷時,粘鋼加固后構(gòu)件柱的承載力和變形能力降低,剛度退化的速度較快.

(2)軸壓比的影響由圖4和圖6對比可知,加固后各構(gòu)件柱的滯回特性均得到不同程度的改善.由圖6、圖8和圖9可知,軸壓比對粘鋼加固柱的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線有顯著影響.隨著軸壓比的增大,粘鋼加固后構(gòu)件柱的承載力和變形能力降低,剛度退化的速度較快.

(3)鋼板厚度的影響由圖4和圖7對比可知,加固后各構(gòu)件柱的滯回特性均得到不同程度的改善.由圖7、圖8和圖9可知,鋼板厚度對粘鋼加固柱的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線有顯著影響.隨著鋼板厚度的增大,粘鋼加固后構(gòu)件柱的承載力和變形能力提高,剛度退化的速度較慢.

3　結(jié)論

采用有限元軟件ABAQUS對7根構(gòu)件柱(其中6根加固)在水平反復(fù)荷載作用下的模擬研究,對各個構(gòu)件的滯回曲線、骨架曲線和剛度退化曲線等進行了對比,分析粘鋼加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震性能和影響因素,得到如下結(jié)論:

(1)粘鋼加固后構(gòu)件柱的承載能力、變形能力和剛度退化等均得到了提高,模擬結(jié)果表明粘鋼加固是一種有效地抗震加固方式;

(2)損傷程度對粘鋼加固損傷鋼筋混凝土柱的抗震性能影響不顯著,而軸壓比和加固鋼板厚度對其抗震性能有顯著影響,模擬結(jié)果可為結(jié)構(gòu)加固提供參考.

[1]薛彥濤,黃世敏,姚秋來,等．汶川地震鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)震害及對策[J]．工程抗震與加固改造,2009,31(5):93G100．

[2]王威,薛建陽,章紅梅,等．框架結(jié)構(gòu)在汶川5?12大地震中的震害分析及抗震啟示[J]．世界地震工程,2009,25(4):131G135．

[3]李文盛．粘鋼加固鋼筋混凝土梁的試驗研究與理論分析[D]．武漢:武漢理工大學(xué),2002．

[4]鮑安紅,殷學(xué)綱,吳永．多層粘鋼加固砼梁的有限元仿真[J]．重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2003,26(6):142G145．

[5]朱彥鵬,袁陵,李志斌,等．CFRP加固軸心受壓混凝土方柱的承載力計算[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2009,21(2):99G102．

[6]朱彥鵬,趙丹丹,譚堅貞．二次受力下CFRP加固RC梁的剛度計算方法[J]．甘肅科學(xué)學(xué)報,2008,20(2):60G63．

[7]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部．GB50010G2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]．北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010．

[8]李鵬．粘鋼加固鋼筋混凝土軸心受壓短柱的試驗研究[D]．武漢:武漢大學(xué),2004．

Study of the SteelGBonded Reinforced Concrete Column Based on ABAQUS

Zhang Guiwen1,Zhang Na1,Ren Hongzhou2
(1．School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2．Pingliang City Macro Building Construction Engineering Quality Test Co．,Ltd．,Pingliang 744000,China)

Based on the finite element software ABAQUS,a simulation study is conducted on seven reinG forced concrete columns(among which six of them is steelGbonded reinforcement)under horizontal cyclic loading by comparing hysteretic curve,skeleton curve and stiffness degradation curve etc．of reinforced conG crete column before and after steelGbonded reinforcement．The result indicates that steelGbonded reinforceG ment can effectively enhance the bearing capacity,ductility and deformability of columns,slow down the stiffness degradation,improve the antiGseismic property of reinforced concrete columns．Besides,the damage caused by steelGbonded reinforcement on antiGseismic property of reinforced concrete columns relates to damage injury,axial compression ratio,the thickness of reinforced steel plate and other factors．

ABAQUS;Reinforced concrete columns;SteelGbonded reinforcement;AntiGseismic property

TU746．3

A

1004G0366(2016)02G0068G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．015．

2015G01G13;

2015G01G27．

甘肅省教育廳研究生導(dǎo)師基金項目(1003G05)．

張貴文(1967G),女,甘肅蘭州人,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向為結(jié)構(gòu)加固．EGmail:1404982597＠qq．com．