玄武岩纤维布(BFRP)加固钢筋混凝土方形截面柱力学性能的分析*

姜　浩　赵　拓

(吉林建筑大学土木工程学院,长春　130118)



玄武岩纤维布(BFRP)加固钢筋混凝土方形截面柱力学性能的分析*

姜浩赵拓

(吉林建筑大学土木工程学院,长春130118)

摘要：本文借助大型有限元分析软件ABAQUS对混凝土方形截面柱进行轴心受压仿真模拟，观察未加固方柱和加固后的方柱极限承载力变化情况和破坏形态，分析比较加固后的效果，发现加固后的方柱极限承载力明显高于未加固方柱，并随着加固层数的增加，方柱的极限承载力也明显提高，但提高幅度先大后小，最后趋于固定值.从加固结果可知，加固三层时方柱极限承载力提高幅度最大，此时的玄武岩纤维布利用率最高.

关键词：ABAQUS；极限承载力；玄武岩纤维布；破坏状态

作为一种新型的增强材料，玄武岩纤维增强复合材料正在我国广泛的开发应用，虽然极限抗拉强度不及碳纤维复合材料，但其在耐腐蚀、耐高低温等方面高于碳纤维，并且有非常好的延性性能.国内外对玄武岩纤维的研究还处于初步认识阶段，尤其是玄武岩纤维在建筑工程领域方面的研究还亟待成熟.但其物理性能突出，造价较低(价格是碳纤维的1/10)，优异的性价比和其独有的特性将会给国家带来更大的经济效益和环境效益.本文通过软件ABAQUS对混凝土方形截面柱加固进行仿真模拟，共模拟了5根混凝土方形截面柱，并且对方柱进行了倒角处理，混凝土强度等级均采用C30，纵筋为4根HRB400Φ14，箍筋为φ6@80.混凝土方形截面柱尺寸为长×宽×高=200mm×200mm×800mm，分别粘贴1层~4层玄武岩纤维布，并保留一组未加固试件作为对比，然后对各试件进行轴心受压试验，分析研究各试件破坏状态及极限承载力大小，分析玄武岩纤维布对混凝土方形截面柱的力学性能影响.

1软件模型建立

1.1　混凝土模型的建立

在建模过程中，首先打开ABAQUS/CAE交互式图形环境中的Part模块，新建一个Part，命名为HongNingtu，采用三维实体建模并使用ABAQUS提供的Concrete damaged plasticity模型，此模型能很好地反映出混凝土在受压过程中的非线性特性，单元使用8节点六面体单元(C3D8).如图1所示.

1.2　钢筋模型的建立

钢筋的模型一般采用ABAQUS提供的桁架单元(truss element)见图2，本文在模拟过程中使用二节点线性桁架单元(2-node straight truss)中的T3D2单元模拟钢筋，并沿此单元的应力为常量，位置采用线性内插法[1].

进入到ABAQUS/CAE建模环境，在part模块中分别建立一个箍筋命名Part-GJ和一个纵筋命名Part-ZJ，然后，进入到assembly模块中新建Creat Instance，将纵筋和箍筋调入，然后通过平移、旋转调整箍筋和纵筋的位置关系，最后用矩阵命令复制箍筋和纵筋，形成钢筋骨架.由于钢筋骨架与混凝土是粘结关系，使用插入(embed)命令将建好的钢筋骨架栽种到混凝土实体中[2]，此时的混凝土是HOST.建好的模型如图3所示.

1.3　玄武岩纤维模型的建立

玄武岩纤维布增强复合材料仿真模拟有重要的作用，ABAQUS的纤维增强复合材料建模模块(CMA)提供了强大的纤维增强复合材料计算仿真能力和先进的建模方法.连续玄武岩纤维单向布是各项异性材料只有面内刚度，在面外没有任何抗弯刚度.在建模过程中，由于ABAQUS提供的膜单元正好与纤维布类似，故纤维布单元采用四节点膜单元(M3D4)模拟[3](如图4所示).本文是将玄武岩纤维布环向粘贴在混凝土方柱上，只承受环向拉力，沿柱高度方向没有刚度.

图1 混凝土柱模型　　　　　　　图2 钢筋模型　　　　　　图3 混凝土柱与钢筋关系　　　　图4 BFRP模型

2软件仿真加载

加载方式采用位移荷载，首先第一步将压顶向下移动5mm，使其与方柱初步接触，然后将压顶继续匀速下移，各个接触对均开始发生较大摩擦，随着荷载的增加，玄武岩纤维布应力分布逐渐变大，当混凝土柱达到极限强度时，玄武岩纤维布发挥的作用也达到了高峰期.

通过ABAQUS有限元软件模拟，可以得到各个混凝土方柱的极限承载力和应力应变情况,表1为各柱极限承载力.

表1 软件模拟试件极限承载力　(kN)

图5中的a，b，c分别为加固1层~4层玄武岩纤维布后，各混凝土方柱、BFRP和钢筋的应力分布图，用软件模拟的结果与试验过程混凝土方柱破坏的情况基本相同.从应力分布图上来看，柱两端的应力明显高于中间部位，是压顶与柱端存在摩擦造成局部应力集中，从而使柱端混凝土提前进入到三向受力状态.由于混凝土方柱中间部位横向变形较大，使此部位的BFRP首先进入受力状态，并且提前达到最高值.而加固层数较多后，BFRP的应力明显减小，说明BFRP未完全发挥作用时，核心混凝土已发生破坏，丧失承载能力.

1a)　　　　　　　　　1b)　　　　　　　　1c)　　　　　　　　　2a)　　　　　　　　　2b)　　　　　　　　2c)

3a)　　　　　　　　　3b)　　　　　　　　3c)　　　　　　　　　4a)　　　　　　　　　4b)　　　　　　　　4c)图5 混凝土柱、BFRP、钢筋应力图

3结论

通过大型软件ABAQUS对混凝土方柱轴心受压和低周反复荷载模拟，可得出如下结论：

(1) 加固后的混凝土方柱极限承载力明显得到了提高，且裂缝开展速度也有效得到了抑制，随着加固层数的提高，混凝土方柱的极限承载力也逐渐得到提高，并且提高幅度发生了变化，提高幅度先大后小，说明存在最优加固层，在加固3层时，纤维布利用率最高，即并不是加固层数越多越好，加固层数越多玄武岩纤维布未发挥作用的比例越大，在混凝土柱失去承载力时，而纤维布尚未达到极限拉力；

(2) 通过观察软件模拟出的混凝土方柱应力图发现，与实际受力基本相同，这就为玄武岩纤维布在实际工程上的应用提供了强有力的理论基础.

参考文献

[1] 王雨光.纤维环向缠绕加固混凝土轴心受压短柱试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2000.

[2] 吴刚,顾冬生,吴智深.玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土圆形柱抗震性能比较研究阴[J].工业建筑,2007,10(6):21-25.

[3] 石钱华.国外连续玄武岩纤维的发展及其应用阴[J].玻璃纤维,2003,7(3):17-23.

Mechanical Performance Analysis of the Reinforced Concrete Square

Columns Used Basalt Fiber Polymer(BFRP) Reinforcement

JIANG Hao，ZHAO Tuo

(SchoolofCivilEngineering,JilinJianzhuUniversity,Changchun,China130118)

Abstract：The axial compression square concrete columns is simulatied with the help of the large-scale finite element analysis software ABAQUS,observe the bearing capacity and failure patterns of square column and the column reinforcement,compare the effect after reinforcement column.The reinforcement of column ultimate bearing capacity was significantly higher than that without the strengthening of concrete square column,and with the increase of reinforcement layers,and significantly improve the ultimate bearing capacity of square column,first big small,finally tends to a fixed value.From the results of three layers of reinforcement,reinforcement of ultimate bearing capacity of square column increased most,basalt fiber cloth at the highest utilization rate.

Keywords:ABAQUS；ultimate bearing capacity；basalt fiber；failure state

*基金项目：吉林省科技发展计划重点项目(20110414)；住房与城乡建设部科学技术计划项目(2013-K4-33).

作者简介：姜浩(1974～),男,吉林省长春市人,教授,博士.

收稿日期：2014-10-15.

中图分类号：TU 312.3

文献标志码：A

文章编号：2095-8919(2015)03-0009-03