基于ABAQUS的粘钢加固钢筋混凝土柱的研究

张贵文,张　纳,任宏洲(．兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州　730050; ．平凉市宏建建设工程质量检测有限责任公司,甘肃平凉　744000)

基于ABAQUS的粘钢加固钢筋混凝土柱的研究

张贵文1,张纳1,任宏洲2
(1．兰州理工大学土木工程学院,甘肃兰州730050; 2．平凉市宏建建设工程质量检测有限责任公司,甘肃平凉744000)

通过有限元软件ABAQUS对7根钢筋混凝土柱(其中6根用粘钢加固)在水平反复荷载作用下的模拟研究,比较分析了粘钢加固前后钢筋混凝土柱的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线等.结果表明:粘钢加固可以有效地提高柱的承载力、延性和变形能力,减缓刚度退化,改善钢筋混凝土柱的抗震性能;粘钢加固损伤钢筋混凝土柱的抗震性能与损伤程度、轴压比和加固钢板厚度等因素有关.

ABAQUS;钢筋混凝土柱;粘钢加固;抗震性能

引用格式:Zhang Guiwen,Zhang Na,Ren Hongzhou．Study of the SteelGBonded Reinforced Concrete Column Based on ABAQUS[J]．Journal of Gansu Sciences,2016,28(2):68G71,77．[张贵文,张纳,任宏洲．基于ABAQUS的粘钢加固钢筋混凝土柱的研究[J]．甘肃科学学报,2016,28(2):68G71,77．]

在历次大地震中,钢筋混凝土框架结构均受到了严重的震害,出现了不同程度的损伤,其中钢筋混凝土柱损伤是一种主要的损伤形式.2008年汶川大地震的震害调查表明[1,2],相当部分钢筋混凝土柱处于不同的损伤状态,可通过加固修复.

既有研究大多针对梁构件进行抗震加固[3,4]或其他复合材料对柱进行抗震加固[5,6],分析其抗震加固后的力学性能.目前对粘钢加固损伤钢筋混凝土柱的抗震性能研究较少,因此研究利用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,分析粘钢加固损伤钢筋混凝土柱的抗震性能和影响因素,可为实际工程的加固提供参考.

1　有限元模型的建立

1．1构件尺寸、材料参数的描述

钢筋混凝土构件柱采用对称配筋截面设计,尺寸为200 mm×200 mm×1 000 mm,保护层厚度取25 mm,混凝土强度等级为C30,纵筋为412 mm的HRB335钢筋,箍筋为8 mm的HPB300钢筋,间距为100 mm,加固钢板为Q235钢材,模型构件柱截面尺寸和配筋如图1所示.混凝土和钢筋的各力学参数均取自«混凝土结构设计规范»GB50010G 2010[7]的标准值(见表1),表1中结构胶的参数根据试验测得的数据而定[8],结构胶的厚度取3 mm.

图1　模型构件柱(截面尺寸和配筋)Fig．1　Component column model

表1　模型材料参数Table 1　Model material parameter

1．2建模中材料的本构关系

混凝土的本构关系选用有限元软件ABAQUS中提供的混凝土损伤塑性模型,因为该模型可以做静力、动力分析,在给定合适的参数时,计算分析的收敛性更好.钢筋和钢板的本构关系选用理想化弹塑性模型,钢垫片和结构胶的本构关系选用线弹性模型.

1．3建模方法和单元选取

采用位移协调的分离式模型,假定钢筋骨架与混凝土、混凝土与结构胶、结构胶与外包钢板完全咬合.先将混凝土、钢筋骨架、结构胶和外包钢板分别建模,采用软件ABAQUS中的Embedded命令将钢筋骨架嵌入混凝土中,采用Tie命令将混凝土与结构胶、结构胶与外包钢板绑定在一起,从而确保混凝土与结构胶、结构胶与外包钢板完全咬合、位移协调,不产生相对滑移.

混凝土和钢垫片均采用三维实体单元C3D8R来模拟,钢筋骨架采用两结点线性三维桁架单元T3D2来模拟,钢板和结构胶采用壳单元S4R来模拟.粘钢加固损伤钢筋混凝土柱的有限元模型网格划分如图2所示.

图2　有限元模型的网格划分Fig．2　Mesh generation of finite element model

1．4加载方法

首先在柱顶施加轴力N＝286 k N(轴压比为0．5),并在模拟过程中保持稳定,然后采用位移控制法在柱顶钢垫片上施加水平反复荷载.加载制度见表2,循环加载历程如图3所示.

表2　加载制度Table 2　Load system

图3　循环加载历程Fig．3　Cyclic loading course

2　有限元模型的分析

2．1构件模型的设计

共设计模拟了7根柱,并依据研究的目的对其中6根柱预设了不同的损伤程度、轴压比和钢板厚度,具体参数如表3所列.

2．2数值模拟分析抗震性能指标

(1)滞回曲线模拟各构件在加载点的滞回曲线如图4~图7所示.粘钢加固后构件柱的滞回曲线形状与一般钢筋混凝土结构的滞回曲线形状相类似,呈梭形,其饱和程度取决于构件的受力类型、材料、配筋和反复荷载的次数.对比可发现,加固后构件的单个滞回环面积比加固前大,表明粘钢加固可以提高构件的变形能力和耗能能力,使加固后构件的刚度衰减变慢.

(2)骨架曲线模拟各构件的骨架曲线如图8所示.对比可发现,加固后构件的承载力比加固前大,说明粘钢加固可以提高构件的承载能力和变形能力.

表3　模型构件的主要设计参数Table 3　The major design parameter of component model

图4　ZAG1的滞回曲线Fig．4　Hysteretic curve of ZAG1

图5　ZBG1和ZBG2的滞回曲线Fig．5　Hysteretic curve of ZBG1 and ZBG2

图6　ZCG1和ZCG2的滞回曲线Fig．6　Hysteretic curve of ZCG1 and ZCG2

图7　ZDG1和ZDG2的滞回曲线Fig．7　Hysteretic curve of ZDG1 and ZDG2

图8　骨架曲线Fig．8　Skeleton curve

(3)刚度退化曲线构件的刚度可用割线刚度表示,其割线刚度Ki可表示为

其中:±Fi分别为第i次循环正反加载时对应的峰值点荷载;±Δi分别为第i次循环正反加载时对应的峰值点位移.

模拟各构件的刚度退化曲线如图9所示.对比可发现,加固后构件的刚度退化比加固前慢,表明粘钢加固可以减缓构件的刚度退化.

图9　刚度退化曲线Fig．9　Stiffness degradation curve

2．3抗震性能影响参数分析

对粘钢加固钢筋混凝土柱施加水平反复荷载作用研究加固后构件的抗震性能,分析不同影响参数对粘钢加固损伤钢筋混凝土柱的抗震性能的影响.其中抗震性能影响参数包括损伤程度、轴压比、加固钢板厚度等.

(1)损伤程度的影响由图4和图5对比可知,加固后各构件柱的滞回特性均得到不同程度的改善.由图5、图8和图9可知,损伤程度对粘钢加固柱的滞回曲线影响不显著,但对骨架曲线和刚度退化曲线有显著影响.随着损伤程度的增大,当出现严重损伤时,粘钢加固后构件柱的承载力和变形能力降低,刚度退化的速度较快.

(2)轴压比的影响由图4和图6对比可知,加固后各构件柱的滞回特性均得到不同程度的改善.由图6、图8和图9可知,轴压比对粘钢加固柱的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线有显著影响.随着轴压比的增大,粘钢加固后构件柱的承载力和变形能力降低,刚度退化的速度较快.

(3)钢板厚度的影响由图4和图7对比可知,加固后各构件柱的滞回特性均得到不同程度的改善.由图7、图8和图9可知,钢板厚度对粘钢加固柱的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线有显著影响.随着钢板厚度的增大,粘钢加固后构件柱的承载力和变形能力提高,刚度退化的速度较慢.

3　结论

采用有限元软件ABAQUS对7根构件柱(其中6根加固)在水平反复荷载作用下的模拟研究,对各个构件的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线等进行了对比,分析粘钢加固损伤钢筋混凝土柱的抗震性能和影响因素,得到如下结论:

(1)粘钢加固后构件柱的承载能力、变形能力和刚度退化等均得到了提高,模拟结果表明粘钢加固是一种有效地抗震加固方式;

(2)损伤程度对粘钢加固损伤钢筋混凝土柱的抗震性能影响不显著,而轴压比和加固钢板厚度对其抗震性能有显著影响,模拟结果可为结构加固提供参考.

[1]薛彦涛,黄世敏,姚秋来,等．汶川地震钢筋混凝土框架结构震害及对策[J]．工程抗震与加固改造,2009,31(5):93G100．

[2]王威,薛建阳,章红梅,等．框架结构在汶川5ű12大地震中的震害分析及抗震启示[J]．世界地震工程,2009,25(4):131G135．

[3]李文盛．粘钢加固钢筋混凝土梁的试验研究与理论分析[D]．武汉:武汉理工大学,2002．

[4]鲍安红,殷学纲,吴永．多层粘钢加固砼梁的有限元仿真[J]．重庆大学学报:自然科学版,2003,26(6):142G145．

[5]朱彦鹏,袁陵,李志斌,等．CFRP加固轴心受压混凝土方柱的承载力计算[J]．甘肃科学学报,2009,21(2):99G102．

[6]朱彦鹏,赵丹丹,谭坚贞．二次受力下CFRP加固RC梁的刚度计算方法[J]．甘肃科学学报,2008,20(2):60G63．

[7]中华人民共和国住房和城乡建设部．GB50010G2010混凝土结构设计规范[S]．北京:中国建筑工业出版社,2010．

[8]李鹏．粘钢加固钢筋混凝土轴心受压短柱的试验研究[D]．武汉:武汉大学,2004．

Study of the SteelGBonded Reinforced Concrete Column Based on ABAQUS

Zhang Guiwen1,Zhang Na1,Ren Hongzhou2
(1．School of Civil Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China; 2．Pingliang City Macro Building Construction Engineering Quality Test Co．,Ltd．,Pingliang 744000,China)

Based on the finite element software ABAQUS,a simulation study is conducted on seven reinG forced concrete columns(among which six of them is steelGbonded reinforcement)under horizontal cyclic loading by comparing hysteretic curve,skeleton curve and stiffness degradation curve etc．of reinforced conG crete column before and after steelGbonded reinforcement．The result indicates that steelGbonded reinforceG ment can effectively enhance the bearing capacity,ductility and deformability of columns,slow down the stiffness degradation,improve the antiGseismic property of reinforced concrete columns．Besides,the damage caused by steelGbonded reinforcement on antiGseismic property of reinforced concrete columns relates to damage injury,axial compression ratio,the thickness of reinforced steel plate and other factors．

ABAQUS;Reinforced concrete columns;SteelGbonded reinforcement;AntiGseismic property

TU746．3

A

1004G0366(2016)02G0068G05

10．16468/j．cnkii．ssn1004G0366．2016．02．015．

2015G01G13;

2015G01G27．

甘肃省教育厅研究生导师基金项目(1003G05)．

张贵文(1967G),女,甘肃兰州人,副教授,硕士生导师,研究方向为结构加固．EGmail:1404982597＠qq．com．