芳綸纖維加固RC 短柱抗震性能數(shù)值模擬研究

劉麗玲

（黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，福建泉州 362000）

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程加速，高層建筑逐年增加，低層柱由于受荷大，其截面尺寸要求比較大，容易形成剪跨比小的短柱。短柱的破壞一般是脆性破壞，并且短柱由于其抗側(cè)剛度比較大，會(huì)吸收更多的地震力，容易遭受嚴(yán)重的破壞。歷次震害[1-2]結(jié)果調(diào)查表明：短柱容易遭受破壞，引發(fā)結(jié)構(gòu)安全問題。因此，有必要對(duì)結(jié)構(gòu)短柱的問題加以足夠的重視?！督ㄖ拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：剪跨比不大于2 的柱，軸壓比限值應(yīng)降低0.05；剪跨比小于1.5 的柱，軸壓比限值應(yīng)專門研究并采取特殊構(gòu)造措施；并且規(guī)定短柱要全高加密。然而早期建筑的房屋或者橋梁，其抗震構(gòu)造措施無法滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。因此，研究短柱的抗震加固方法尤為重要。而復(fù)合纖維材料（FRP）加固RC短柱方法由于具有易施工、工作面小以及不增加短柱的體積等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞。復(fù)合纖維布可以任意裁剪，施工可操作性強(qiáng)，所以纖維布加固方法被廣泛應(yīng)用于各個(gè)類型結(jié)構(gòu)、各個(gè)形狀結(jié)構(gòu)的各個(gè)部位，對(duì)于隧道、大型筒體等其他加固方法比較難實(shí)施的結(jié)構(gòu)，纖維布加固都能解決。復(fù)合纖維布加固在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)合纖維加固短柱展開研究主要集中在碳纖維加固，對(duì)芳綸纖維加固短柱的研究比較少，而芳綸纖維具有較好的抗剪抗沖擊強(qiáng)度，柔軟易彎折，不會(huì)形成屏蔽等優(yōu)點(diǎn)是碳纖維所無法比擬的[5]；且現(xiàn)有的研究多為試驗(yàn)研究，受試驗(yàn)條件限制，缺乏多參數(shù)作用下短柱加固性能的研究。因此，進(jìn)行多參數(shù)下纖維加固短柱特別是芳綸纖維加固短柱的研究顯得很有必要。本文利用有限元OpenSees 軟件，通過改變參數(shù)，分析芳綸纖維加固短柱的抗震性能，以獲得不同參數(shù)作用下芳綸纖維加固短柱抗震性能方面的特點(diǎn)，給實(shí)際工程應(yīng)用提供參考數(shù)據(jù)。

1 試件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了9 根鋼筋混凝土短柱，分別對(duì)比未加固柱、芳綸纖維（簡(jiǎn)稱AFRP）加固柱在不同軸壓比、不同剪跨比和不同加固量情況下的抗震性能。未加固短柱設(shè)計(jì)為剪切破壞模式，尺寸為300×300mm，縱筋420，方箍配置為ф8，間距為60mm。短柱凈高0.5m（或0.6m），下端固定?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C30，保護(hù)層厚度為25mm。試件的剪跨比分別是1.67 和2.0；軸壓比分別為0.4 和0.5，加固層數(shù)分別為1 層和2 層，采用全高連續(xù)包裹的加固方式。試件幾何尺寸和配筋圖詳見圖1。各個(gè)試件的基本參數(shù)和各種材料性能指標(biāo)見表1 和表2。ф

表1 各試件基本參數(shù)

圖1 試件幾何尺寸和配筋圖

2 數(shù)值模型

本研究采用OpenSees 軟件進(jìn)行模擬。首先需要建立截面單元，分為未加固試件和加固試件截面單元，單元?jiǎng)澐秩鐖D2。未加固試件截面單元?jiǎng)澐譃榭v筋纖維、核芯區(qū)混凝土纖維和保護(hù)層混凝土纖維；芳綸纖維加固試件單元?jiǎng)澐譃榭v筋纖維、保護(hù)層混凝土纖維、核芯區(qū)混凝土纖維和芳綸纖維加固層纖維。本試件模型經(jīng)過多次試算，短柱豎向按高度平均劃分為4 個(gè)單元能得到較好的模擬效果，其中每個(gè)單元的積分點(diǎn)數(shù)為5 個(gè)。

圖2 短柱截面纖維和豎向單元?jiǎng)澐质疽鈭D

經(jīng)過前期試算和對(duì)比，數(shù)值模型中的材料本構(gòu)關(guān)系選擇如下：縱筋纖維選擇OpenSees 軟件提供的Steel02 模型；除縱筋外的其他材料本構(gòu)選擇軟件內(nèi)的ConfinedConcrete01 模型，ConfinedConcrete01 模型是D’Amato M.[6]提出的混凝土約束模型，該模型考慮了截面形狀、箍筋放置方式和外包材料的約束作用，它將混凝土、約束材料和箍筋相關(guān)參數(shù)都集中于一條命令中，保護(hù)層混凝土、外包材料、箍筋的基本參數(shù)體現(xiàn)在ConfinedConcrete01本構(gòu)模型中。利用ConfinedConcrete01 本構(gòu)模型建模時(shí)需要提供未約束混凝土的抗壓強(qiáng)度、混凝土彈性模量、約束混凝土的極限應(yīng)變、箍筋直徑、箍筋間距、箍筋屈服強(qiáng)度、箍筋的放置方式、纖維布的厚度和極限抗拉強(qiáng)度、纖維布的彈性模量等參數(shù)，這些參數(shù)值見表2 材料性能指標(biāo)和圖1 試件幾何尺寸和配筋圖。

表2 材料性能指標(biāo)

本模型采用基于力的非線性梁柱(Nolinear Beam Column)單元模擬加固墩柱的滯回性能。經(jīng)過與文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，采用非線性梁柱(Nolinear Beam Column)單元和ConfinedConcrete01本構(gòu)模型，兩者搭配能得到較為理想的模擬效果。在進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算時(shí)，首先把豎向荷載加到724kN（軸壓比0.4）或904.5kN（軸壓比0.5）,然后采用位移模式進(jìn)行水平向加載，設(shè)置多種迭代算法、采用能量收斂準(zhǔn)則計(jì)算中止條件。

3 結(jié)果及分析

3.1 滯回曲線

各個(gè)試件的滯回曲線圖見圖3。通過對(duì)比分析可以看出，未加固短柱的滯回曲線形狀扁平，加固后短柱的滯回曲線變飽滿，說明芳綸纖維加固短柱能提高其耗能能力；加固兩層纖維布比加固一層纖維布的曲線更飽滿，說明加固量變多，短柱的耗能更強(qiáng)；軸壓比越高且剪跨比越小，短柱的滯回曲線越扁平，說明耗能越差[8]。各個(gè)試件的能量耗散系數(shù)分析見表3。從表3 中可以看出剪跨比1.6、軸壓比0.4 的A0 試件加固后，其耗能系數(shù)提高較多，達(dá)到了35%（一層纖維布加固）和43%（二層纖維布加固）；軸壓比更大的B0 試件以及剪跨比更大的C0 試件加固后，其耗能系數(shù)提高程度沒有A0 試件加固后高，說明芳綸纖維加固低軸壓比和低剪跨比短柱的效果更顯著。

表3 試件耗能能力計(jì)算表

圖3 各試件滯回曲線圖

3.2 骨架曲線

各個(gè)試件的骨架曲線如圖4。從圖表中可以明顯看出，短柱加固后，破壞時(shí)的極限位移增大；并且隨著加固層數(shù)增多，短柱的極限位移有增大趨勢(shì)。編號(hào)為A 的試件以及編號(hào)為C 的短柱試件軸壓比為0.4，剪跨比則分別為1.67 及2.0，編號(hào)為C 的試件軸壓比為0.5，剪跨比為2.0。從骨架曲線中，可以看出剪跨比和軸壓比都會(huì)影響加固短柱的承載力：軸壓比增大，加固短柱的承載力增大；剪跨比增大，加固短柱的承載力變小。

圖4 試件骨架曲線圖

骨架曲線分析結(jié)果列于表4 中。從表中可以看到，短柱加固后其極限承載力也有所提升，但幅度不大；短柱加固后，短柱的延性得到大幅提高；本模型中，短柱經(jīng)過一層芳綸纖維布加固后，其延性系數(shù)提高了50%左右，經(jīng)過兩層芳綸纖維布加固后提高程度達(dá)到90%以上；由此可見，芳綸纖維布加固短柱對(duì)于提高短柱的變形性能效果良好。

表4 試件骨架曲線分析結(jié)果

4 結(jié)論

利用有限元軟件OpenSees 對(duì)芳綸纖維加固短柱進(jìn)行模擬分析，考慮剪跨比、軸壓比和加固量對(duì)短柱的影響，分析芳綸纖維加固短柱抗震性能方面的特點(diǎn)，得到以下結(jié)論：

芳綸纖維加固短柱能有效提高短柱的耗能能力，其中對(duì)低軸壓比和低剪跨比短柱加固效果更好。芳綸纖維加固對(duì)于短柱極限承載能力提高程度有限，本文最大提高程度為5.1%；但芳綸纖維加固能有效提高短柱的延性，且加固短柱的延性隨著加固量增加而增加。本數(shù)值模擬未考慮短柱表面和芳綸纖維布的滑移現(xiàn)象，這個(gè)需要在后續(xù)的研究中考慮。