CFRP加固變電站鋼筋混凝土構(gòu)架有限元模擬可靠性研究

劉軍，鐘小東，靳承霖

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司岳陽(yáng)供電分公司，湖南 岳陽(yáng) 414000；2.湖南湘材微著檢測(cè)技術(shù)有限公司，湖南 湘潭 411105；3.湘潭大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南湘潭 411105)

0 引言

湖南電網(wǎng)初期建設(shè)的變電站框架大多為鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)。受到環(huán)境條件、材料屬性、施工質(zhì)量、工藝水平等因素的影響，框架使用了很長(zhǎng)一段時(shí)間后，多存在表面碳化混凝土，混凝土膨脹、開裂、剝落，肉眼可見的裂縫，鋼筋的腐蝕等問題[1]，這些問題的存在將會(huì)嚴(yán)重影響框架的使用可靠性、安全性及壽命，因此對(duì)混凝土框架進(jìn)行加固和維修是有必要的。碳纖維增強(qiáng)材料(CFRP)有著力學(xué)性能好、輕質(zhì)、耐腐蝕且耐久等優(yōu)點(diǎn)，采用外貼纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固框架是一種非常有效的方法。

利用FRP材料修復(fù)加固已破損的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的方法，在國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)多的試驗(yàn)案例。最早于20世紀(jì)80年代末在發(fā)達(dá)國(guó)家興起，歐美、日本等已對(duì)FRP加固技術(shù)進(jìn)行了許多階段的試驗(yàn)研究[2－6]。日本神戶大地震和韓國(guó)的三豐百貨大樓倒塌后，碳纖維被廣泛用于修復(fù)受損的混凝土結(jié)構(gòu)[7]；CFRP于1991年首次用于加固瑞士的伊巴赫大橋。國(guó)內(nèi)對(duì)FRP加固技術(shù)的研究開展較晚，于20世紀(jì)90年代，東南大學(xué)、清華大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)逐漸開始研究使用FRP加固混凝土結(jié)構(gòu)[8－11]，并取得許多成果，形成了成熟的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。

本文運(yùn)用ANSYS有限元模擬，對(duì)于采用外貼碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)加固變電站混凝土框架的方法進(jìn)行模擬計(jì)算，依據(jù)計(jì)算得出的結(jié)果，總結(jié)加固方法及加固工藝。

1 有限元模型的建立

1.1 模型創(chuàng)建

由于實(shí)地測(cè)量的困難與誤差較大，同時(shí)客觀要求減少試驗(yàn)次數(shù)，縮短試驗(yàn)周期，節(jié)省開支，通過使用模擬分析工具ANSYS，可以提高效率，削減生產(chǎn)成本。以實(shí)際變電站A型柱結(jié)構(gòu)的尺寸為參考，使用三維建模軟件建立的模型如圖1所示，A型柱的鋼筋骨架模型、A型柱的原始模型及使用CFRP包裹修復(fù)的計(jì)算模型分別如圖1(a)、(b)、(c)所示。在有限元模型中，鋼筋和混凝土相互作用通常被定義為:離散模型、整體模型和組合模型。本文所研究的混凝土構(gòu)架中混凝土與鋼筋的力學(xué)性能差異較大，使用離散模型較為符合實(shí)際情況[12]。在鋼筋與混凝土的結(jié)構(gòu)中，鋼筋與混凝土之間有良好的固結(jié)作用，不考慮鋼筋與混凝土之間的粘連和滑移，鋼和混凝土完全凝固，鋼筋嵌入整個(gè)模型中。在建立CFRP修復(fù)模型時(shí)，將CFRP布與混凝土梁通過節(jié)點(diǎn)耦合的方式進(jìn)行模擬。

圖1 計(jì)算結(jié)構(gòu)模型圖

1.2 材料本構(gòu)模型

在有限元模型中，混凝土的單軸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系可分為三個(gè)階段:彈性階段、屈服強(qiáng)化階段和軟化階段。拉伸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系中，在峰值應(yīng)變前假設(shè)為線彈性，隨后發(fā)生開裂，裂縫不斷展開，導(dǎo)致混凝土軟化。根據(jù)GB 50010—2010?混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(2015年版)》[13]，分別按照式(1)和式(2)計(jì)算得到混凝土的單軸拉伸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系和壓縮應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系；混凝土材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系如圖2所示；其余需要輸入的參數(shù)見表1。

表1 混凝土的材料屬性參數(shù)

圖2 混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系

式中，dt和dc分別為混凝土單軸受拉和受壓損傷演化參數(shù)；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；Ec為混凝土彈性模量。

鋼筋是金屬材料，通常使用理想的彈塑性模型[14]，在ANSYS程序中，鋼筋的屈服準(zhǔn)則采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料BKIN[14]，鋼筋需要輸入的參數(shù)見表2，應(yīng)力－應(yīng)變公式如下:

表2 鋼筋的材料屬性參數(shù)

式中，σs為鋼筋的應(yīng)力；εs為鋼筋的應(yīng)變；εy為鋼筋的屈服應(yīng)變；Es為彈性模量；σy為屈服強(qiáng)度。

將CFRP視作各向同性材料[15]。泊松比ν＝0.3，其拉伸強(qiáng)度是普通鋼筋的10倍以上，因此可以認(rèn)為是只考慮極限強(qiáng)度而非屈服強(qiáng)度的理想彈性材料，當(dāng)纖維超過其拉伸強(qiáng)度，纖維斷裂，計(jì)算即會(huì)停止。為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定CFRP與混凝土之間存在理想的粘結(jié)情況，兩者不會(huì)發(fā)生剝離，與混凝土協(xié)調(diào)變形[16]。對(duì)應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 CFRP本構(gòu)關(guān)系

其余需要輸入的參數(shù)見表3。

表3 FRP布的材料屬性參數(shù)

2 變電站A型柱的加載與分析

2.1 加載方式和邊界條件

變電站構(gòu)架實(shí)際主要受導(dǎo)線、避雷線及變電站自身的通風(fēng)負(fù)荷和垂直載荷；其次，當(dāng)導(dǎo)線被冰覆蓋時(shí)，相應(yīng)的風(fēng)載荷及垂直方向的載荷；導(dǎo)線的張力(拉力)會(huì)對(duì)變電站產(chǎn)生較大的扭力矩和剪力；并且考慮在安裝導(dǎo)線過程中，所施加在變電站構(gòu)架上的力。荷載組合是變電站構(gòu)架運(yùn)行中常遇到的情況，而非重大極端載荷，合理的組合以上各種外部的載荷，選擇對(duì)變電站產(chǎn)生最大的力，從而確定適當(dāng)?shù)募虞d方式[17]。

混凝土構(gòu)件和CFRP受到均勻載荷，在運(yùn)算處理中，各載荷增量對(duì)應(yīng)于各個(gè)應(yīng)力狀態(tài)。在具體混凝土的部件模型中，底部施加固定約束，以模擬A型柱根部節(jié)點(diǎn)，保證底部沒有位移或者偏轉(zhuǎn)；將頂部進(jìn)行約束，使其只可以在同一平面內(nèi)的同一水平線上前后往復(fù)移動(dòng)[15]。

模型中荷載沿A型柱頂端中心加載，荷載方向沿水平方向，按分級(jí)加載的方式施加水平載荷，直至破壞[18]。

2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)變電站A型柱的原始模型與用CFRP布包裹修復(fù)的模型進(jìn)行對(duì)比分析。對(duì)單元定義實(shí)常數(shù)和材料特性，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置分析類型與分析選項(xiàng)，并施加約束及荷載，運(yùn)用載荷步施加載荷的方法，進(jìn)行求解。檢查分析結(jié)果，輸出所需的數(shù)據(jù)與圖形結(jié)果。圖4為變電站A型柱原始模型達(dá)到極限荷載時(shí)的應(yīng)力云圖。

如圖4所示，結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載時(shí)，鋼筋及混凝土的最大應(yīng)力都出現(xiàn)在整個(gè)結(jié)構(gòu)上部位置，梁柱節(jié)點(diǎn)是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的薄弱位置，重點(diǎn)要加固梁柱節(jié)點(diǎn)位置；從圖5應(yīng)力－位移曲線可以看出，原混凝土A柱框架的極限所受應(yīng)力為461.1 MPa，圖5中，位移為A柱框架的整體最大位移，極限位移為270.63 mm。

圖4 原始結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載時(shí)的應(yīng)力云圖

圖5 原始結(jié)構(gòu)模型應(yīng)力－位移曲線

圖6為CFRP修復(fù)模型達(dá)到極限荷載時(shí)的應(yīng)力云圖，圖6(a)、(b)、(c)分別為CFRP修復(fù)模型的鋼筋模型云圖、修復(fù)模型混凝土模型云圖及CFRP布模型云圖。

圖6 CFRP修復(fù)模型達(dá)到極限荷載時(shí)的應(yīng)力云圖

如圖6(a)所示，CFRP布加固A型柱在受力過程中，出現(xiàn)上端鋼筋先屈服，此時(shí)整個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服狀態(tài)；結(jié)構(gòu)達(dá)到極限荷載時(shí)，如圖6(b)所示，混凝土的最大應(yīng)力出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)上部的梁柱節(jié)點(diǎn)位置。從圖7應(yīng)力－位移曲線可以看出用CFRP加固混凝土A形柱框架的極限所受應(yīng)力為461.1 MPa；且加固后的A形柱的極限位移為328.16 mm。

圖7 CFRP布加固模型應(yīng)力－位移云圖

通過上述計(jì)算，最終得到數(shù)值見表4。

表4 變電站混凝土原始結(jié)構(gòu)與加固結(jié)構(gòu)對(duì)比

由表4分析可知，在施加相同的水平荷載作用下，用CFRP布修復(fù)變電站混凝土構(gòu)架與原始結(jié)構(gòu)相比，所受最大應(yīng)力增加大約39%；且加固后的A形柱的極限位移為328.16 mm，比原始結(jié)構(gòu)的極限位移提高了21%，表明CFRP布加固后，混凝土框架的延性增強(qiáng)。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)變電站混凝土框架利用CFRP加固的構(gòu)架進(jìn)行模擬仿真，由結(jié)果分析可知:

1)在施加相同的水平荷載作用下，使用CFRP包裹加固的變電站混凝土框架，極限所受應(yīng)力得到有效地提高，提高了39%；極限位移也被提高了21%，混凝土構(gòu)架的延性增加；

2)發(fā)現(xiàn)A型柱混凝土結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)在于梁和傾斜柱之間的節(jié)點(diǎn)，具體表現(xiàn)為形式混凝土開裂和剝落，之后的強(qiáng)化需要集中在這個(gè)位置。為了達(dá)到約束效應(yīng)，在節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)該保證有足夠的CFRP布加固量；

3)完善成熟的有限元分析軟件可以相對(duì)準(zhǔn)確有效地對(duì)試驗(yàn)提供指導(dǎo)，能全面地模擬分析構(gòu)件的受力情況，有助于科學(xué)研究全面展開。