CFRP加固H型钢柱承载力分析

2020-06-07完海鹰陈安英

工程与建设 2020年6期

完海鹰，陈龙，陈安英

(合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009)

0 引言

H型钢是属于经济断面型材，由于其力学性能具有诸多优势，如抗震性能较好、构造方便等，最近几年被广泛地应用在建筑中。在众多钢结构建筑中，H型钢的用量占总用钢量的40%～80%[1]。但在日常使用中，H型钢构件难免会出现损伤现象，为了节约资源与经济，有必要对其采取加固措施。传统的加固效果往往有限，而CFRP材料具有轻质高强、耐腐蚀等优势，已经被广泛地应用在混凝土加固方面[2-5]，在钢结构加固方面的应用也逐渐受到重视[6]，故采取CFRP对H型钢柱加固是一种可行的方式。

本研究对CFRP加固轴压H型钢柱进行了数值模拟分析，探讨了H型钢柱在不同加固方式与CFRP层数下的补强效果及有效的加固方法。

1 有限元模拟

1.1 材料属性

采用有限元模拟，一共设计了10根轴心受压H型钢柱构件，钢材型号为Q235，构件长度均为1 500 mm，H型钢柱截面高度为100 mm，宽为100 mm，腹板厚度为6 mm，翼缘厚度为8 mm。模拟所选用的CFRP材料为日本东丽高性能碳纤维单向布，具体材料属性见表1。

表1 材料属性

1.2 构件设计

本研究主要分析CFRP粘贴间距与CFRP层数对加固后H型钢柱稳定承载力的影响。各构件的编号及相应的参数见表2，表中H代表钢柱，T代表CFRP层数，S代表粘贴间隔。

表2 构件编号及参数

1.3 模型单元的选择与建立

本研究采取了“实体-壳”有限元模型[7]，考虑到加载板对模型计算准确性的影响，故用C3D8R实体单元来建立H型钢柱与加载板，胶层与CFRP材料可被看作一种新的复合材料来考虑，且两者厚度均非常小，所以考虑用S4R壳单元来模拟胶层与CFRP复合材料，由于CFRP材料是单向受力特点，所以在模拟过程要给CFRP定义材料方向，本研究中CFRP布纤维方向均沿着柱高方向。为了防止计算不收敛，在建模过程中要使胶-CFRP复合材料与H型钢柱的节点一一对应；同时为了方便施加荷载与边界条件，在H型钢柱两端各建立一个参考点，分别将其与加载板耦合。此次将模型两端考虑为铰接，在加载端的参考点上施加一位移荷载。

1.4 初始缺陷的添加

在实际过程中，由于各种因素构件会产生较大的变形，往往需要对其进行非线性分析，在此之前需要对受压构件进行线性屈曲分析，这个过程主要是获得特征荷载值，可以进行预估屈曲荷载的大小，但是仅通过线性屈曲分析是很难对H型钢柱模拟出精确的结果的，因此本研究重点通过非线性分析来得到H型刚柱的极限承载力。对于受压构件要把其弯曲矢高控制在L/1 000(L为实际试件长度)内，选取L/1 000与5 mm中最小值作为所引入的几何缺陷值，由于本研究设计的H型钢柱长为1 500 mm，即L/1 000=1.5 mm。在模拟CFRP加固轴压H钢柱中既有几何非线性又包括材料非线性，故采用Riks中的弧长法进行计算。模型单元划分如图1所示。

图1 模型单元划分

2 结果分析

通过有限元模拟分析发现，H型钢柱在加载后期均为整体失稳破坏，在考虑了构件的初始几何缺陷后，ABAQUS模拟的CFRP加固轴压H型钢柱极限承载力见表3。

表3 H型钢柱极限承载力有限元模拟结果

从表3中可看出,采取间隔粘贴方式对H型钢柱的补强还是有明显的效果的，构件的极限承载力与刚度均有所提高。CFRP布的层数越多,加固后的H型钢柱的刚度和承载力就越高。在三种间隔粘贴CFRP布加固中，H型钢柱只粘贴一层CFRP布时，构件的承载力提升有限,并且粘贴CFRP布加固构件时，随着其层数的增加，构件的补强效果与CFRP布层数呈近似正比例关系，由于在CFRP布粘贴到某一层时，构件的承载力不会随着其层数的增加而提高得更明显，在实际加固工程中对H型钢柱只粘贴1层CFRP布时有效性可能不高,故本研究建议在间隔粘贴CFRP布时，对构件粘贴2层以上的CFRP布。

从图2中得知，当构件在弹性阶段时，CFRP布几乎不承担荷载，故在未达到构件极限承载力时，其位移-荷载曲线基本交叉重叠在一起，构件进入塑性阶段后，CFRP布开始发挥作用，承担部分荷载。由此可知，在CFRP布的加固间距保持不变时，且粘贴间距为50 mm，在CFRP布的层数增加时，其对H型钢柱的约束作用有较大提升，由于CFRP布层数增加后对构件的约束能力越强，不仅使构件柱中位移减小而且使构件的极限承载力提高得也越大，但随着CFRP布加固间距S增大时，通过增加CFRP布层数来加固H型钢柱的效果则不明显，其极限承载力提高的幅度非常小。

图2 CFRP布层数对H型钢柱承载力的影响

由图3a可知，CFRP布层数与H型钢柱承载力之间几乎呈正比关系，当粘贴CFRP布间距不变时，尤其是粘贴间距为50 mm时，通过增加CFRP布层数后，H型钢柱的极限承载力提高得较明显；随着CFRP布加固间距增大，通过增加CFRP布层数来加固H型钢柱的效果越来越不明显，其极限承载力提高的幅度非常小。由图3b可知，在粘贴CFRP布层数保持一致的情况下，粘贴间距越小时，CFRP布可以很好地限制H型钢柱柱中变形，从而CFRP布对H型钢柱的极限承载力的提升越大，还可以得知CFRP布粘贴间距与H型钢柱的承载力呈非线性反比关系。

图3 CFRP层数与粘贴间距对H型钢柱承载力的影响

通过分析上述几种粘贴间距对H型钢柱的加固效果，得知加固间距为50 mm时，对H型钢柱极限承载力的提高幅度最大，因此有必要对加固间距为50 mm条件下进行更合理及更经济的粘贴范围分析。通过减小粘贴范围后H型钢柱的承载力见表4。

表4 缩小粘贴范围后构件承载力模拟结果

由表4中各H型钢柱承载力模拟结果可知，当H型钢柱缩小粘贴范围后，在相同CFRP层数下，各构件承载力之间相差很小，即使H型钢柱粘贴范围缩小至柱中750 mm时，H型钢柱承载力与原来构件相比略有降低，但降低比例非常小。与未加固构件H-0T0S相比，对H型钢柱承载力仍然有较大提升，故对于实际加固中且H型钢柱粘贴间距为50 mm时，本研究建议可以采取柱中1/2高度进行加固，不仅经济且更方便，可以作为H型钢柱一种理想的加固方式。