CFRP加固锈蚀混凝土柱抗震性能数值模拟研究

张鹏飞，冷玲倻

（江西科技学院 土木工程学院，江西 南昌 330098）

CFRP加固锈蚀混凝土柱抗震性能数值模拟研究

张鹏飞，冷玲倻

（江西科技学院 土木工程学院，江西 南昌 330098）

近些年，CFRP在国内外被广泛的应用，关于CFRP加固锈蚀混凝土柱的研究，试验多于数值模拟。采用OpenSEES，对CFRP加固锈蚀混凝土柱的抗震性能进行非线性分析，并与试验结果进行了比较，分析结果表明，考虑锈蚀钢筋粘结滑移并选择合理的材料，可以很好的预测纤维加固锈蚀混凝土的柱抗震力学性能。

OpenSEES；CFRP加固；锈蚀钢筋混凝土柱；抗震性能；水平往复荷载；滞回性能

0 引言

CFRP加固混凝土柱抗震性能的研究是加固结构抗震研究的基础。为了能够更好的、更加全面的研究其抗震性能，则需要对多组柱子在往复荷载下进行抗震性能的试验研究。但对于CFRP加固锈蚀混凝土柱的试验研究有一定的局限性，如试件的制作周期长、工序较复杂等等；目前，多数研究是基于试验数据的分析，采用数值方法模拟其抗震性能的研究还很少。因此，基于上述两点原因，很有必要选择一款实用的有限元软件，对CFRP加固锈蚀混凝土柱抗震性能进行快速的预测。

1 试验概况

1.1 试验数据

试验数据来源于河北联合大学，本次试验的柱子共分为3组共六根。其中，四根通过一定的方法进行加速锈蚀处理，再把其中锈蚀的两根柱子做加固处理。实测混凝土强度为36Mpa。所有的柱子均采用HRB400的变形钢筋，直径为12mm，屈服强度429 N/mm2，箍筋采用HPB235，直径为6mm，屈服强度320 N/mm2，双肢箍，间距加密区50mm，非加密区100mm，截面配筋率为2.01%。柱子高度1100mm，截面尺寸为150mm×150mm。混凝土保护层厚度为15mm。试件截面及配筋具体如图1所示。

图1 未锈蚀钢筋混凝土柱的尺寸

1.2 CFRP加固锈蚀混凝土试件的制作

试件锈蚀完成后进行纵向钢筋的除锈工作，由于混凝土表面出现了沿纵向钢筋的顺筋裂缝，所以需要剔除裂缝处的混凝土保护层，用钢丝刷除去纵向钢筋表面的锈。除锈完成后，并用聚合物砂浆修复混凝土保护层，最后进行CFRP加固。碳纤维布的力学性能如表1所示。

表1 碳纤维布的主要力学性能指标

2 OpenSees数值模拟

2.1 混凝土本构模型

钢筋锈蚀后，钢筋与混凝土之间的粘结力会下降，为了考虑钢筋粘性退化的影响，需要在杆件单元的端部增加一个零长度截面单元。这使得杆件单元的钢筋本构和零长度截面单元的钢筋本构不尽相同。在加载的过程中，为了使这两种钢筋协同工作，混凝土的本构模型采用的是Concrete01材料，本构模型采用的是Mander模型[1]，如图2所示。

图2 Concrete01材料的参数

式中：fcc'，εcc—分别为约束混凝土极限应力和应变；

fco'、εco—分别为无约束混凝土峰值应力和应变；

Ass、s—箍筋的截面面积、箍筋的间距；

fl'—箍筋提供的侧向约束应力，fsy—箍筋屈服强度。

2.2 钢筋本构

钢筋采用的模型为：这个材料模型的本构是由Menegotto和Pinto(1973)[2]提出的，采用的表达式为应变的显函数，可以很好的反应Bauschinger效应，且计算效率很高。模型的表达式如下所示：

Steel02本构关系的数学表达式为：

公式中的（σ0，ε0）和（σr，εr）的含义具体见图3，b为应变硬化率，R是影响过度曲线形状的参数，它反映了Bauschinger效应。

该模型在进行参数输入时，对模拟结果起决定性作用的两个参数是屈服强度fy和钢筋的硬化率α。R0、CR1、CR2为控制钢筋从弹性阶段向硬化阶段过渡的三个参数，取 R0=16、CR1=0.925、CR2=0.15，另外为了便于考虑材料各向同性硬化，α1和α3取值为1.0，α2和 α4取值为 0。

图3 Steel02材料的参数

2.3 钢筋锈蚀后粘结滑移的本构

处理粘结滑移用的材料单元为：Bond_SP01[3]。这个命令是用于构造一个单轴材料对象用于捕获在柱脚的节点处应变渗透效应。Bond_SP01的单调加载的本构关系如图4所示，σ¯是标准的钢筋应力；S¯是标准的钢筋滑移；b是刚度折减系数，代表最初的曲线部分开始屈服的初始斜率；fy和fu代表的是钢筋的屈服强度和极限强度；Sy和Su是钢筋在加载部位分别对应达到钢筋屈服强度和极限强度的滑移。考虑粘结滑移最关键的为屈服滑移量的确定，其公式如式（7）所示。

图4 Steel02材料粘结滑移本构

式中，α为局部粘结滑移系数，在本文的研究根据CEB-FIP Model90规范，取α为0.4；刚度折减系数b以及钢筋直径同样也是决定钢筋和混凝土粘结滑移性能的参数。然而，现在却没有足够的试验数据用来进行线性回归去建立这个函数。本文只能根据赵健的建议取Su=30～40Sy，b=0.3～0.5。

2.4 建立模型

本文采用的为二维坐标下三个自由度的建模方法，节点的编号、零长度单元的位置和单元划分如图5所示。

图5 节点编号及单元划分

分析计算时采用细化的纤维模型—Fiber Section。采用纤维模型分析时，对构件的横截面进行了分区，混凝土根据所受约束的情况分为约束混凝土部分和非约束混凝土部分；钢筋按照其与混凝土的位置划分为不同的纤维，具体划分如图5中SectionAA所示。横截面纤维划分的密度决定数值计算的精度，经过大量的模拟计算发现，对于矩形截面，纤维数目达到40左右即可取得足够的计算精度[4]。对于整个构件，计算构件的柔度矩阵采用的是Newton积分法，每个积分点位置处的截面都采用纤维模型模拟，积分点的数目通常为4到5个。

建立模型采用的各个参数均是由材料的本构关系计算得出的，具体的数值见表2～4。

表2 混凝土材料控制点参数

表3 钢筋本构关系控制点输入

表4 钢筋粘结滑移本构关系控制点输入

3 结果分析

图6为箍筋约束混凝土的柱顶位移与柱底剪力的关系曲线，其中Z7-F-考虑了粘结滑移的影响，Z7-U-不考虑粘结滑移的影响。图 6（a）和图 6（b）为考虑粘结滑移时，模拟结果和试验结果的对比图，通过对比分析可知：考虑粘结滑移的建模方法可以很好的模拟箍筋约束混凝土柱的力学性能。图6（c）和图26（d）为考虑粘结滑移与不考虑的结果对比，从对比中可以看出，考虑粘结滑移后，柱的刚度相对于不考虑粘结滑移情况的有所减弱，柱的柔度相对增加，其抗震性能相对有所增强。

图6 箍筋约束混凝土柱顶位移与柱底剪力关系

图7为Z7和Z8柱顶位移和柱底剪力的关系曲线图，从图可以分析得到：无论是否考虑纵筋粘结滑移，所得的计算值和试验值的极限强度相差不大，在破坏时所承受的极限力基本相同；但考虑粘结滑移的情况和试验结果更加吻合，这是因为不考虑粘结滑移时，柱的刚度较大，较小的变形下，力的增长速度较快。所以，在上升段不考虑粘结滑移情况的柱顶的位移小于考虑粘结滑移的。

图7 箍筋约束混凝土柱顶位移与柱底剪力关系

4 结论与展望

钢筋锈蚀后，其本身截面和力学性能都会发生一定的变化，通过考虑锈蚀钢筋通过选择合理的混凝土和钢筋的材料本构，用零长度截面单元将纤维单元组合成构件单元的方法，可以较好的模拟CFRP加固锈蚀混凝土柱的抗震性能。

[1]Mander J R,Priestley M J N,Park R.Theoretical Stress-strain Model for Concrete [J].Journal of Structural Engineering.1988,114(8)：1804-1826.

[2]MAZZONI S,MCKENNA F,SCOTT M H,et al.OpenSees users manual [R].Berkeley：Univ.of California,2006.

[3]Jian Zhao, SriSritharan. Modeling of Strain Penetration Effectsin Fiber-Based Analysisof Reinforced Concrete Structure[J].ACI Structural,2007,104-S14：133-141.

[4]陈滔.基于有限单元柔度法的钢筋混凝土框架三维非弹性地震反应分析[D].重庆大学博士学位论文.2003.

（责任编辑：陈 辉）

Simulation Research on CFRP Strengthening Corroded Reinforced Concrete Columns in Seismic Performance

ZHANG Peng-fei LENG Ling-ye
(The Civil Engineering Department of Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

In recent years,CFRP is widely used both at home and abroad.The numbers of experiments about the research on CFRP reinforcing corrosion concrete are more than numerical simulation.In this paper,OpenSEES has been used to make the numerical simulation on nonlinear analysis of the CFRP reinforcement corrosion concrete column seismic behavior.And they were compared with the results of the experiments.The results of analysis show that we can well predict seismic performance of CFRP strengthening corrosion concrete by choosing reasonable material bondslip constitutive.

OpenSEES；CFRP reinforcement；corroded reinforced concrete column；seismic performance；horizontal reciprocating load

TU377

A

123（2014）01-0050-04

2013-11-19

张鹏飞（1986-），男，河北鹿泉人，江西科技学院，硕士。

研究方向：结构工程和防震减灾。

河北省科技支撑计划项目资助（11276912D）。