預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土圓柱抗震性能分析

梁栩華

(桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院, 廣西 桂林 541004)

現(xiàn)澆混凝土柱作為重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件,對(duì)建筑物整體的抗震性能起到至關(guān)重要的作用[1-2]。因此提高框架柱在地震作用下的位移延性和耗能能力具有十分重要的意義。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(fiber reinforced polymer,FRP)具有高強(qiáng)度、輕質(zhì)、高彈模等優(yōu)點(diǎn),已被廣泛用于結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域。CFRP片材粘貼加固混凝土柱,可有效改善框架柱的位移延性和耗能能力[3-4]。但已有試驗(yàn)研究表明CFRP粘貼包裹加固存在應(yīng)力應(yīng)變滯后效應(yīng),即在混凝土受力產(chǎn)生破壞后CFRP才對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生約束,未能充分發(fā)揮CFRP的優(yōu)異特性[5]。為有效地改善應(yīng)力應(yīng)變滯后效應(yīng),預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)被提出[6-7],該技術(shù)還可以施加不同預(yù)應(yīng)力度和不同層數(shù)的加固。Cheng等[8]等對(duì)碳纖維布加固混凝土圓柱和方柱的抗壓強(qiáng)度影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究,結(jié)果表明,兩層預(yù)應(yīng)力CFRP約束混凝土圓柱與未加固混凝土柱相比,預(yù)應(yīng)力為600 MPa時(shí),承載力最高可提高170%。周長(zhǎng)東等[9]研究了單層預(yù)應(yīng)力CFRP加固對(duì)圓柱殘余承載力和延性的影響,對(duì)45個(gè)圓柱試樣進(jìn)行了同心和偏心、單次和循環(huán)的加載。結(jié)果表明,在預(yù)應(yīng)力為7%碳纖維布極限應(yīng)變約束下的圓柱試件較未受約束試件軸壓承載力平均提高360%,位移延性提高了10倍。為研究單層不同預(yù)應(yīng)力度的碳纖維布加固和高軸壓比下混凝土圓柱的抗震性能,王強(qiáng)等[10]對(duì)混凝土圓柱進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn)。結(jié)果表明,高軸壓比下,較之未加固柱,預(yù)應(yīng)力度0.2的單層CFRP主動(dòng)約束混凝土加固柱側(cè)向承載力提高了50%,極限位移提高了3.75倍。在地震中柱底塑性鉸的開展對(duì)于結(jié)構(gòu)整體的抗震性能有著重要的影響,在不同的預(yù)應(yīng)力加固高度下,塑性鉸的開展情況會(huì)出現(xiàn)變化,影響構(gòu)件的承載力和位移延性能力。所以不同的加固高度和層數(shù),對(duì)加固效率和經(jīng)濟(jì)效益也有著重要的影響。

本文對(duì)4根現(xiàn)澆混凝土圓柱進(jìn)行了低周往復(fù)荷載試驗(yàn),從位移延性、耗能能力、破壞形態(tài)和承載力等方面,分析在不同軸壓比下預(yù)應(yīng)力CFRP加固對(duì)現(xiàn)澆混凝土試件的抗震性能的影響,并利用Abaqus進(jìn)行了不同CFRP高度和不同層數(shù)加固的有限元分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)了4根混凝土圓柱,其中2根采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固,2根為未加固柱,試件參數(shù)見表1。圓柱截面直徑為300 mm。柱高為1 225 mm,所有柱的剪跨比為4.0,保護(hù)層厚度為25 mm,8根直徑為12 mm的縱筋。箍筋直徑為8 mm,間距100 mm,試件具體尺寸如圖1所示。RC代表現(xiàn)澆混凝土圓柱,S代表預(yù)應(yīng)力加固,24與48分別對(duì)應(yīng)0.24與0.48的軸壓比。加固試件的預(yù)應(yīng)力度均為0.3,代表0.3倍的碳纖維布極限應(yīng)變,用于表征預(yù)應(yīng)力的大小。

表1 試件參數(shù)表

(a)試件加固

1.2 材料力學(xué)性能

各試件均采用C35等級(jí)強(qiáng)度混凝土,并在澆筑的同時(shí)制作試塊,測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度為43.65 MPa,棱柱體抗壓強(qiáng)度為36.85 MPa,混凝土極限應(yīng)變?yōu)?.003。各試件縱筋均采用HRB400級(jí)鋼筋,箍筋選用HPB300級(jí)鋼筋。CFRP選用單向碳纖維布,寬度為150 mm,厚度為0.167 mm。各材料具體性能參數(shù)見表2。

表2 材料性能表

1.3 測(cè)試設(shè)置

在低周往復(fù)荷載試驗(yàn)中,伺服作動(dòng)器施加水平承載力,豎向力由液壓千斤頂施加,水平加載制度采用位移控制。在最初的4個(gè)位移角中(位移角從0.1%增加到0.33%),每級(jí)以單次循環(huán)加載,之后每級(jí)位移角以3次循環(huán)加載。當(dāng)試件橫向承載力下降至85%以下,試件破壞,試驗(yàn)結(jié)束。加載制度如圖2所示。

圖2 加載制度

1.4 錨具介紹

預(yù)應(yīng)力由圖3中的錨具施加。預(yù)應(yīng)力錨具[11]由楔片、錨固端、楔片端和高強(qiáng)螺栓組成。錨頭中縫邊緣采用倒圓角設(shè)計(jì),以減少應(yīng)力集中,防止其割壞CFRP布材。該錨具可根據(jù)建筑物受損情況,依需調(diào)整不同的預(yù)應(yīng)力度和加固層數(shù),快速完成受損結(jié)構(gòu)的修復(fù)。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨具

1.5 試驗(yàn)結(jié)果

如圖4所示,試件RC-24試驗(yàn)現(xiàn)象:位移角至0.8%時(shí),距柱底200 mm范圍內(nèi)出現(xiàn)多條水平裂縫;位移角至1.1%時(shí),縱筋屈服,裂縫沿柱表面貫通;最終位移角至2.7%時(shí),柱根部混凝土出現(xiàn)少量脫落,試件水平荷載下降至峰值荷載的85%以下,試驗(yàn)結(jié)束。RC-24的破壞形態(tài)為彎曲破壞。隨著軸壓比增加,試件RC-48的柱根部混凝土壓碎脫落,裂縫發(fā)展充分,底部混凝土脫落較為嚴(yán)重,破壞形態(tài)為彎剪破壞。

(a)RC-24

RCS-24現(xiàn)象:當(dāng)位移角至1.1%時(shí),試件屈服,隨著位移的增大,裂縫呈現(xiàn)多而密的趨勢(shì);位移角至2.8%時(shí),水平承載力達(dá)到峰值,底部水平裂縫不斷開展貫通,混凝土表面起皮加劇,首層碳纖維布出現(xiàn)多處斷絲;最后位移角加載到4.4%時(shí),受壓側(cè)柱根部混凝土有少量壓碎,并伴隨有碳纖維布持續(xù)的斷絲,承載力下降至峰值荷載的85%以下,試驗(yàn)結(jié)束。RCS-24的破壞形態(tài)為彎曲破壞。試件RCS-48的破壞過(guò)程與試件RCS-24大致相同,但有所區(qū)別,軸力的增大延遲了試件水平裂縫的形成與發(fā)展,斜裂縫的開展速度和裂縫寬度明顯增大,柱底表層混凝土剝落和碳纖維布斷絲更加嚴(yán)重。

1.6 滯回曲線

如圖5所示,試件加固后滯回曲線形狀飽滿,剛度退化速率降低,位移循環(huán)次數(shù)與極限位移顯著增加。破壞過(guò)程較緩慢,表現(xiàn)出較好的抗震性能,尤其是試件加固后的塑性變形和耗能提高幅度明顯。隨著軸壓比的提高,加固柱與未加固柱都表現(xiàn)出滯回曲線的飽滿程度下降的趨勢(shì),試件滯回環(huán)所包圍的面積和殘余變形出現(xiàn)明顯的減小。峰值荷載后試件的承載力退化速率加快,滯回環(huán)循環(huán)數(shù)量減少,且未加固柱隨軸壓比的改變對(duì)各抗震特征值的影響較大,而軸壓比對(duì)加固柱的影響趨于減弱。

(a)RC-24

1.7 骨架曲線

從圖6骨架曲線中發(fā)現(xiàn),混凝土圓柱經(jīng)CFRP預(yù)應(yīng)力加固后,其初始抗側(cè)剛度未出現(xiàn)增大,但屈服荷載有明顯的提高,試件屈服后塑性階段的位移明顯增大,其變形能力增強(qiáng)。對(duì)于加固后的高軸壓比試件該特點(diǎn)表現(xiàn)得尤為明顯,加固后峰值荷載也有一定程度提高。隨著軸壓比增大,未加固柱與加固柱都表現(xiàn)為彈塑性階段抗側(cè)剛度有所提高,屈服荷載與峰值荷載有不同程度增加,但未加固試件在峰值荷載后,骨架曲線的下降段較短較陡。這是因?yàn)檩S壓比的提高雖限制了早期裂縫的開展,增加了混凝土受壓區(qū)高度,加快了剛度和強(qiáng)度退化速率;較為不同的是,隨著軸壓比的增大加固柱的變形和耗能能力依然具有良好的表現(xiàn)。

圖6 試驗(yàn)骨架曲線

1.8 延性

采用位移延性系數(shù)表征是試件的延性性能按公式(1)計(jì)算

μ=Δu/Δy。

(1)

式(1)中:Δu是試件達(dá)到極限荷載時(shí)的柱頂平均水平位移,Δy是試件屈服時(shí)的柱頂平均水平位移。對(duì)比表3中的各組試件的延性系數(shù)和位移角后可知,試件加固后位移延性得到了較大幅度的提升。但未加固柱與加固柱的位移延性系數(shù)與極限位移角都隨著軸壓比的增加有所減小。主要由于軸力的增大,加速了混凝土斜裂縫的開展和損傷,減弱了縱筋的塑性變形能力。試件RC-48比RC-24的延性系數(shù)降低了16.3%,RCS-48比RCS-24則降低了18.6%。試件經(jīng)加固后隨著軸壓比的增加延性系數(shù)下降程度減小,表明預(yù)應(yīng)力CFRP有利于提高高軸壓比柱的延性。

表3 試件試驗(yàn)結(jié)果

1.9 耗能

各試件累計(jì)耗能如表3所示。對(duì)比各試件耗能值發(fā)現(xiàn),采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固可大幅改善試件的耗能水平。預(yù)應(yīng)力CFRP加固對(duì)提試件的耗能能力效果顯著。加固柱與未加固柱的耗能能力伴隨著軸壓比的增大出現(xiàn)下降趨勢(shì),其中試件RC-48較RC-24的耗能降低了39.5%,而RCS-48較RCS-24則降低了13.2%,即加固后柱的耗能水平隨軸壓比增加降低幅度減弱。表明采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固有利于抑制高軸壓比對(duì)試件的損傷。

2 數(shù)值分析

采用SIMULIA公司開發(fā)的Abaqus軟件,進(jìn)行不同CFRP高度和不同層數(shù)加固下預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土圓柱的數(shù)值仿真模擬。

2.1 本構(gòu)關(guān)系及材料性能

各材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7所示。混凝土采用塑性損傷模型本構(gòu),其單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線[12]見圖7(a),縱筋和箍筋采用雙折線硬化彈塑性模型[9]。CFRP是各向異性材料,對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用理想的線彈性模型[13]。

(a)混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線

(a)模型正視圖

混凝土單軸受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系由(2)-(6)確定:

σ=(1-dc)Ecε,

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(2)～(6)中,σ為單軸應(yīng)力值;dc為混凝土單軸受壓損傷參數(shù);αd為受壓應(yīng)力-應(yīng)變下降段參數(shù);fc.r為混凝土抗壓強(qiáng)度代表值;εc.r為混凝土單軸受壓峰值應(yīng)壓變。

混凝土受拉本構(gòu)模型的單軸受拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線,由(7)～(10) 確定:

σ=(1-dt)Ecε,

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)～(10)中,αt為混凝土受拉下降段參數(shù);ft.r為受拉混凝土強(qiáng)度代表值;εt.r為受拉混凝土峰值應(yīng)變;dt為受拉混凝土損傷參數(shù)。

2.2 模型各材料參數(shù)的選定

混凝土模擬參數(shù)參考文獻(xiàn)[14]設(shè)置,見表4。鋼筋的材料參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值選取,見表5。CFRP的各項(xiàng)材料參數(shù)取自文獻(xiàn)[15-16],如表6所示。

表4 CDP型材料參數(shù)

表5 鋼筋材料參數(shù)

表6 CFRP布的材料參數(shù)

2.3 邊界條件及加載制度

有限元模型的邊界條件依據(jù)試驗(yàn)設(shè)置。柱底約束X、Y、Z方向的平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的自由度。耦合點(diǎn)RP位于柱頂部,設(shè)置軸向荷載和位移控制循環(huán)加載。模型加載制度與試驗(yàn)相同。

2.4 模型建立

模型依照試驗(yàn)試件設(shè)置。混凝土采用實(shí)體單元(C3D8R),縱筋與箍筋均采用桁架單元(T3D2)[11]。普通鋼筋通過(guò)Embedded命令嵌入到混凝土柱當(dāng)中,鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)為理想條件。CFRP的初始預(yù)應(yīng)力采用“等效溫度法”施加[17]。

2.5 模型有效性對(duì)比

圖9為試驗(yàn)滯回曲線與模擬滯回曲線的對(duì)比。圖10為試件的模擬損傷破壞云圖。由于有限單元和材料本構(gòu)模型在模擬往復(fù)加載過(guò)程中損傷累積等方面的缺陷,以及在理想接觸條件下粘結(jié)劣化對(duì)于試件滯回性能影響較大,但對(duì)強(qiáng)度影響較小。這使得荷載變形曲線的初始剛度較大,同時(shí)在加載后期試件的強(qiáng)度下降不明顯,但總的來(lái)說(shuō)數(shù)值模型曲線與試驗(yàn)曲線吻合較好。損傷云圖與試驗(yàn)破壞情況相似。未加固試件的柱角破壞嚴(yán)重。加固試件在CFRP的約束下,能量被均勻地耗散。

(a)RC-24

(a)RC-24

3 參數(shù)拓展

由于試驗(yàn)試件數(shù)量有限,未能對(duì)預(yù)應(yīng)力CFRP加固高度、加固層數(shù)等展開研究,為更大效度地利用CFRP材料的優(yōu)異性能,充分發(fā)揮碳纖維布對(duì)混凝土柱抗震性能的提升,在模擬中將CFRP高度和加固層數(shù)作為參數(shù)在原有試件的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展。

3.1 CFRP加固高度

從圖11可以看出,隨著CFRP加固高度的降低,試件的承載能力和延性性能有所下降,但是1/2加固與全加固相比,承載力和位移延性降低并不明顯。1/2加固較全高度加固位移延性下降了5.6%,1/3高度加固較1/2加固位移延性下降了28.4%。結(jié)果表明,在柱1/2處加固即可取得良好的加固效果。在柱底1/2處加固,可以有效地提高加固效率和節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本。

圖11 不同加固高度的骨架曲線

3.2 CFRP層數(shù)

不同層數(shù)下預(yù)應(yīng)力CFRP加固混凝土圓柱的模擬骨架曲線如圖12所示。在全包裹加密下,分別模擬了兩層、三層、四層、六層預(yù)應(yīng)力CFRP包裹的混凝土圓柱的抗震性能。從對(duì)比結(jié)果可知,CFRP層數(shù)對(duì)試件承載力有重要的影響。多層預(yù)應(yīng)力CFRP加固可以顯著提升試件的初始剛度和承載力。六層CFRP加固較四層加固峰值承載力提升了5%,四層CFRP加固較三層加固峰值承載力提高了17.5%。結(jié)果表明,隨著加固層數(shù)的提高,加固的提升效果逐漸下降。主要表現(xiàn)為在四層加固以后,試件的承載力提升不明顯,且位移延性并未出現(xiàn)明顯的提高。因此在實(shí)際工程中,二至四層的預(yù)應(yīng)力CFRP加固即可滿足使用要求。

圖12 不同CFRP加固層數(shù)的骨架曲線

4 結(jié)論

(1)預(yù)應(yīng)力CFRP約束下的RC柱抗震性能得到極大改善,其滯回曲線形狀飽滿,延性、耗能均得到較大程度的提升,位移延性系數(shù)最高提升達(dá)到53%。

(2)未加固柱與加固柱隨著軸壓比的提升,延性與耗能都有所降低,水平承載力出現(xiàn)提高。軸壓比的改變對(duì)未加固柱各抗震特征值的影響要大于對(duì)加固柱的影響。采用預(yù)應(yīng)力CFRP加固改變了高軸壓比試件的破壞形態(tài),轉(zhuǎn)變?yōu)檠有愿玫膹澢茐?即加固柱在高軸壓比下也能具有較強(qiáng)的變形與耗能能力。

(3)隨著CFRP加固高度的下降,試件的位移延性和承載力出現(xiàn)降低,但是1/2加固與全加固相比,各項(xiàng)抗震指標(biāo)的下降并未出現(xiàn)太大差異,表明在1/2處加固可以達(dá)到與全高度加固同等的抗震效果。

(4)CFRP層數(shù)的增大對(duì)加固柱抗震性能有明顯的提升作用,但層數(shù)的過(guò)多增加,也出現(xiàn)提升效果不明顯的現(xiàn)象,故預(yù)應(yīng)力CFRP在二至四層即可極大提高試件的抗震加固效果。