基于OpenSees的墩柱CFRP抗震加固研究

李 晓 蒙

(交通运输部公路科学研究所，北京 100088)



基于OpenSees的墩柱CFRP抗震加固研究

李 晓 蒙

(交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

以某墩柱的拟静力试验为基础，通过OpenSees软件，总结了CFRP抗震加固方法，对采用不同层数CFRP加固的墩柱的抗震性能进行了分析，结果表明，采用含纤特征值来表述CFRP加固量的方法简单、有效、合理，经CFRP加固后墩柱的水平承载力、延性水平均得到了改善，但增加值不与CFRP层数成正比。

拟静力试验，CFRP，OpenSees，抗震加固

CFRP加固技术运用普遍、性能及加固效果较好，且对形状复杂的结构或构件也可迅速便捷地加固，从而得到广泛关注。Kumar K.等对梁柱结点处潜在塑性铰区的纵筋搭接较差和横向钢筋约束不足的情况，进行了试验研究，发现采用CFRP进行加固后模型滞回曲线更稳定，加固效果明显[1]；Seible等[2]对破坏墩柱进行加固，给出了CFRP抗震加固设计方案，考虑了CFRP材料厚度及加固高度等因素，并进行了实验，证明加固效果明显；Triantafillou研究了CFRP加固量对构件达到最大承载力时CFRP有效应变的影响；崔海琴、贺栓海等[3]对CFRP约束空心薄壁墩抗震性能试验进行研究，结果表明，随着CFRP层数的增加，延性系数相应地增大，CFRP的最佳加固效果与结构设计参数有关;蔡晓萌[4]对不同轴压比、加固量d的CFRP加固柱进行试验，发现柱的延性、抗剪承载力得到明显改善，构件耗能增加。由此，CFRP抗震加固粘贴层数(使用量)是一个重要影响因素，本文将围绕CFRP粘贴量对墩柱的加固效果进行分析，分析方法可用于确定合理CFRP材料层数以达到经济的目的。以清华大学完成的钢筋混凝土柱的拟静力试验为工程背景，并采用OpenSees[5]建立模型，将分析结果与试验结果进行对比，以校核有限元模型的正确性。建立不同CFRP粘贴层数的有限元模型，分析CFRP粘贴量对柱抗震加固效果的影响，并得出结论。

1 试验模型

1.1 加固前模型

以清华大学完成的一根钢筋混凝土柱的拟静力试验为工程背景，试验模型如图1所示。模型材料参数：φ10钢筋，屈服强度和极限强度平均值分别为481 MPa和745 MPa，弹性模量为265 433 MPa；φ8钢筋，屈服强度和极限强度平均值分别为582 MPa和855 MPa，弹性模量为289 850 MPa；φ6钢筋，屈服强度和极限强度平均值分别为441 MPa和529 MPa，弹性模量为203 941 MPa；混凝土立方体抗压强度为30.1 MPa。

1.2 CFRP加固模型

1)CFRP加固方法。大量文献对CFRP加固墩柱进行了阐述，具体流程可总结为：处理墩柱表面，保证平整、清洁；对矩形截面边角进行倒圆角处理；涂抹环氧树脂，尽量使胶厚度均匀，且注意遮盖，防止环氧树脂被污染，影响加固效果；粘贴CFRP，注意轻拿轻放，且粘贴过程中不能出现空鼓情况，若出现则需切开注胶填补。为保证加固效果，可以采取粘贴钢板压条和浇筑小承台的措施。而文献[6]更是设计出了快速修复加固的早强混凝土配合比，可在应急加固中发挥重要作用。

2)对比模型。采用上述加固方法可对试验墩柱进行加固，并利用OpenSees软件对CFRP抗震加固效果进行预测，建立对比分析模型，见表1。

表1 对比模型

2 分析模型

2.1 混凝土本构关系

Scott等人对Kent-Park模型提出的混凝土受压骨架曲线进行扩展，如图2所示。该模型通过修改图中混凝土受压骨架曲线的峰值应力—应变以及软化段斜率来考虑横向箍筋的约束影响，而且可考虑混凝土的剩余强度；对于混凝土受拉时的上升段和下降段均为直线，可考虑混凝土的初始开裂。

2.2 钢筋本构关系

钢筋在反复荷载作用下的本构关系对墩柱滞回曲线的模拟有重要影响，选择合理、恰当的钢筋应力—应变滞回模型是可靠模拟钢筋混凝土墩柱非线性滞回反应的关键。OpenSees中钢筋采用Menegotto-Pinto模型，该模型采用了应变的显函数表达形式，计算效率高，且与钢筋反复加载试验结果保持了较好的一致性，能够反映Bauschinger效应。其本构关系如图3所示。

2.3 CFRP约束混凝土模型

与钢筋混凝土结构中的配箍率概念一样，引入一个含纤特征值λ′来描述CFRP约束混凝土[8]，表达式为：

由此，可以得到考虑CFRP用量的CFRP约束混凝土的受压应力—应变关系的表达式：

x>1，y=e·xA·e-xA。

其中，y=σ/σo,cfs；x=ε/εo,cfs,σo,cfs=(1+1.2λ′)·σo,εo,cfs=25λ′·εo。

对于系数A：

x≤1，Bcfs≤0.012 8，A=42.9Bcfs+0.45。

x≤1，Bcfs≥0.012 8，A=15e-180Bcfs+1.25。

x>1，A=-70(10Bcfs)25-0.65。

而σo和εo表示为：

σo=0.8fcu,

εo=1 300+10fcu。

3 结果分析及讨论

3.1 模型验证

利用OpenSees建立纤维模型来对试验柱进行分析，材料参数模型如2中所述，分析模型的加载过程与试验过程一致。将OpenSees计算得到的耗能系数进行对比，见图4。可以看出，两曲线比较吻合，说明此处采用的材料参数及所建纤维模型可有效模拟墩柱的抗震性能及倒塌过程，在此基础上可进行下步的研究。

3.2 滞回曲线及骨架曲线

图5为各加固模型的力—位移滞回曲线，从滞回曲线看，滞回环比较饱满，呈梭形，存在较少滑移，抗震耗能能力较好。并根据滞回曲线对比各个曲线骨架，可以看出，经CFRP加固后的柱的峰值荷载和极限位移(取0.85峰值荷载所对应的位移)均有所增加，且随CFRP层数(加固量)的增加而增加，但与加固层数不成正比。

表2列出了各骨架曲线的特征值，由数据表明经过CFRP加固后，在水平承载力上能得到一定的提高。对于位移延性，屈服位移没有明显增加，但是极限位移得到很大的提高，位移延性得到明显改善。由此，CFRP加固效果相当明显。

表2 骨架曲线特征值

模型屈服荷载kN屈服位移mm峰值荷载kN极限位移mm位移延性(极限位移与屈服位移之比)B0132.58.342.3535.84.32B01-133.28.540.8440.14.67JG137.49.246.947.15.12JG238.19.347.9548.35.2JG339.29.548.1849.65.22

4 结语

本文以清华大学所做柱的拟静力试验为工程背景，结合OpenSees分析软件，在建立符合试验结果的模型基础上，对采用CFRP加固柱的抗震性能进行预测评价，得出以下结论：

1)由试验结果曲线与OpenSees计算曲线对比可看出，论文建立纤维模型可以很好的模拟墩柱抗震特性及倒塌过程，其计算结果对实际研究具有很好的指导意义。2)总结的CFRP加固方法方便、加固效果可靠，推荐的粘贴钢板、浇筑小承台及早强混凝土等措施对墩柱的CFRP抗震加固具有较好实践意义。3)采用含纤特征值来表述CFRP的用量，并引入约束混凝土模型中，以此来考虑CFRP的约束效果，该方法简单明了，且在有限元分析中易实现。4)采用CFRP加固可提高构件的承载力，显著改善结构延性，但加固效果不与CFRP加固层数成正比。

[1] Kumar K.Ghosh,Shamim A.Sheikh.Seismic upgrade with carbon fiber-reinforced polymer of columns containing lap-spliced reinforcing bars[J].ACI Structure Journal,2007，104(2)：227-236.

[2] F.Seible,M.J.Nigel Priestley,Gilbert A.Hegemier,et al.Seismic retrofit of RC column with continuous carbon fiber jackets[J].Journal of Composites For Construction,1997(1)：52-62.

[3] 崔海琴,贺栓海,赵小星，等.CFRP约束空心薄壁墩抗震性能试验[J].长安大学学报,2010,30(3):53-59.

[4] 蔡晓萌.碳纤维加固钢筋混凝土柱抗震性能研究[D].北京:北京建筑工程学院硕士学位论文,2006.

[5] Mazzoni S,McKenna F,enves G L.OpenSees Command Language Manual[D].Berkeley:PEER,University of California,2007.

[6] Sun Zhiguo,Wang Dongsheng,Du xiuli,et al.Rapid repair of severely earthquake-damaged bridge piers with flexural-shear mode[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2011,10(4):553-567.

[7] 赵 彤,谢 剑.碳纤维布补强加固混凝土结构新技术[M].天津：天津大学出版社,2002.

On CFRP seismic consolidation of pier column based on OpenSees

Li Xiaomeng

(ResearchInstituteofHighwayMinistryofTransport,Beijing100088,China)

Based on the pseudo-static test of some pier column, the paper sums up the CFRP seismic consolidation methods with OpenSees software, analyzes the seismic performance of the pier column with CFRP consolidation at various floors, proves by the result that it is easy, effective and reasonable to adopt the characteristic value of fiber to describe CFRP consolidation volume, improves the horizontal loading capacity and ductility of the pier column after the consolidation, but the addition value is not in the proportion to the CFRP floors.

pseudo-static test, CFRP, OpenSees, seismic consolidation

1009-6825(2016)16-0029-03

2016-03-27

李晓蒙(1991- )，男，在读硕士

TU352

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