布粘貼層數(shù)對CFRP布加固鋼筋混凝土L形柱力學(xué)性能的影響

張云峰，梅寶瑞，鄔亞濱

（1東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江，大慶 163318；2浙江省臺州市仙居縣職業(yè)技術(shù)學(xué)校，浙江，臺州 317300）

異形柱是異形截面柱的簡稱，其主要代表性的截面有T形、L形、十字形等截面形式[1]。該截面形式的柱子可以減少室內(nèi)的棱角、增大室內(nèi)使用面積。近年來，大量學(xué)者對其進(jìn)行了研究[2-7]，《混凝土異形柱結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》的頒布實施表明混凝土異形柱結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)趨于成熟。

由于異形柱結(jié)構(gòu)興起的時間還不算長，大多數(shù)異形柱建筑還未到加固修復(fù)的階段，然而隨著時間的推移，異形柱必將要進(jìn)行不同程度的加固修復(fù)處理，因此，異形柱的加固研究顯得尤為重要。目前，粘貼纖維復(fù)合材加固法較常用于異形柱結(jié)構(gòu)加固，尤其是通過粘貼CFRP布來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固[8-10]。CFRP相對于鋼材等其他材料不僅具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕的特點，更重要的是CFRP易于成型，能夠很好的與異型截面進(jìn)行結(jié)合。本文研究CFRP布加固鋼筋混凝土L形柱的力學(xué)性能，并利用有限元理論對CFRP布加固鋼筋混凝土L形柱進(jìn)行模擬實驗，主要分析CFRP粘貼層數(shù)對該柱的力學(xué)性能影響，從而為此類構(gòu)件設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，縱向受力鋼筋根數(shù)取為20根，模擬構(gòu)件肢厚取值為300 mm。L形截面柱的2條柱肢總長度取值為1800 mm，本文異形柱的柱高皆取3300 mm。模擬試件具體參數(shù)如表1所示，其截面形式及加載圖如圖1所示。

表1 不同CFRP布粘貼層數(shù)下試件設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters of different CFRP sheets

圖1 L形截面柱及加載圖Fig.1 L-shaped cross-section column and loading diagram

1.2 材料參數(shù)

混凝土強(qiáng)度等級取為C30，鋼筋材料取為HRB335。加固CFRP布采用厚度為0.167 mm，CFRP具體參數(shù)如下：理論厚度為0.167 mm，彈性模量為2.4×105N/mm2，面密度為 300 g/mm2，泊松比為 0.17。

1.3 模型簡化

根據(jù)參考試驗的力學(xué)模型[11]，對該試驗的力學(xué)模型進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，故取柱體總高一半，兩端鉸接簡化為一端固定一端鉸接。具體如圖2所示。

圖2 簡化力學(xué)模型Fig.2 Simplified mechanical model

1.4 本構(gòu)關(guān)系

CFRP布的本構(gòu)模型是達(dá)到材料的極限拉應(yīng)變εf前假定該種材料為理想的純彈性體，當(dāng)達(dá)到CFRP布的極限拉應(yīng)變εf時，材料發(fā)生斷裂失去承載能力，其表達(dá)式如下：

根據(jù)簡化計算需要，鋼材采用的是理想彈-塑性本構(gòu)模型，屈服準(zhǔn)則采用Mises屈服準(zhǔn)則[12-13]?；炷敛捎脫p傷塑性模型[14-16]模擬。

1.5 荷載的定義和邊界條件

荷載的定義和邊界條件如圖3所示。采用位移加載方式，荷載施加在混凝土柱端頭處的參考點處。混凝土柱底面進(jìn)行6個自由度的約束。

圖3 荷載的定義和邊界條件圖Fig.3 Definition of load and boundary condition diagram

1.6 劃分網(wǎng)格

鋼筋混凝土異形柱以及CFRP布的網(wǎng)格劃分，設(shè)置全局單元尺寸為0.02，剛性端頭設(shè)置全局單元尺寸為1，單元類型選擇六面體單元C3D8R六面體單元，鋼筋籠采用T3D2三維桁架單元。異形柱各個部件的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 異形柱網(wǎng)格劃分Fig.4 Grid division of irregular columns

1.7 驗證結(jié)果分析

將參考文獻(xiàn)試驗數(shù)據(jù)[11]與所得模擬試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證，2個柱的有限元模擬的結(jié)果和試驗結(jié)果極限承載力的誤差值介于10%左右，表明本文所建立的有限元模型較合理。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 不同CFRP布粘貼層數(shù)作用下構(gòu)件的等效應(yīng)力云圖分析

以A為代表的CFRP布加固前后的的應(yīng)力云圖變化趨勢如圖5所示。

由圖5可知：CFRP布粘貼層數(shù)對試件承載力具有一定的影響，即隨著CFRP布粘貼層數(shù)的增多，異形柱達(dá)到極限承載力的過程變得緩慢。

2.2 不同CFRP布粘貼層數(shù)作用下構(gòu)件的荷載-撓度曲線分析

荷載-撓度曲線如圖6所示，由圖6可見：隨著CFRP布粘貼層數(shù)的增多，試件的極限承載力提高，試件的最大變形增加，CFRP布粘貼層數(shù)的增加提高了混凝土異形柱延性。

圖6 荷載-撓度曲線Fig.6 Load-deflection curve

2.3 不同CFRP布粘貼層數(shù)作用下構(gòu)件的承載力分析

不同CFRP布粘貼層數(shù)試件的承載力結(jié)果見表2。

表2 不同CFRP布粘貼層數(shù)試件的承載力Tab.3 The bearing capacity of the test piece with different CFRP cloth layers

從表2可知：

（1）對于等肢異形柱，當(dāng)CFRP布粘貼層數(shù)分別是1層、2層和3層時，試件的極限承載能力分別提高10%、19%和28%；對于B組試件不等肢異形柱，當(dāng)CFRP布粘貼層數(shù)分別是1層、2層和3層時，試件的極限承載能力分別提高12%、22%和36%；對于C組試件，當(dāng)CFRP布粘貼層數(shù)分別是1層、2層和3層時，試件的極限承載能力分別提高14%、24%和41%。

CFRP布加固后試件的極限承載力有明顯的提高，原因是CFRP布在受拉區(qū)的粘貼，提高了構(gòu)件受拉區(qū)的抗拉能力，延緩了受拉區(qū)鋼筋發(fā)生過早的發(fā)生屈服，從而引起整個試件破壞，充分發(fā)揮了混凝土抗壓能力。

（2）對于等肢異形柱，粘貼CFRP布層數(shù)與極限承載力的提高幅度近似呈現(xiàn)線性關(guān)系，CFRP布增加1層、2層和3層時，極限承載力提高幅度分別為0.10、0.19和0.28；對于不等肢異形柱，粘貼CFRP布層數(shù)與試件極限承載力提高幅度呈非線性關(guān)系，對比等肢異形柱，其極限承載力提高幅度和提高幅度的增長速度較大。

究其原因是：肢長比越大，其受拉區(qū)CFRP布、鋼筋兩者的抗拉特性發(fā)揮的越充分，CFRP布對承載力提高的幅度越大，所以CFRP布對肢長比較大的鋼筋混凝土L形柱的加固效果較為明顯。

3 結(jié)論

本文利用有限元理論分析了CFRP布粘貼層數(shù)對CFRP布加固鋼筋混凝土L形柱力學(xué)性能影響，得到了以下規(guī)律：

（1）CFRP布粘貼層數(shù)對提高試件承載力具有一定的影響，CFRP布粘貼層數(shù)越多，異形柱達(dá)到極限承載力的過程變得越緩慢。

（2）隨著CFRP布粘貼層數(shù)的增多，試件的極限承載力提高，試件的最大變形增加，即CFRP布粘貼層數(shù)的增加提高了混凝土異形柱延性。

（3）對于等肢異形柱，粘貼CFRP布層數(shù)與極限承載力的提高幅度近似呈現(xiàn)線性關(guān)系；對于不等肢異形柱，粘貼CFRP布層數(shù)與試件極限承載力提高幅度呈非線性關(guān)系，且其極限承載力提高幅度的增長速度較快。

（4）在受拉區(qū)CFRP布粘貼能提高構(gòu)件受拉區(qū)的抗拉能力，延緩受拉區(qū)鋼筋過早發(fā)生屈服而引起整個試件破壞，從而充分發(fā)揮混凝土抗壓能力。