不同柱长径比对外包钢混凝土柱加固的抗震性能研究

张振华，庄立阳

（1.北京武夷房地产开发有限公司 北京101117）

（2.北京城建设计发展集团股份有限公司 北京100037）

0 引言

随着经济的发展，社会需求对建筑业提出了更高的要求，20世纪末期建设的建筑需要加固才可得以继续应用，柱作为建筑的主要承重构件，其加固技术一直是研究的热点[1-2]。

2010年，杜斌[3]等人对钢筋混凝土轴心受压柱采用了粘钢法进行了加固，分析了柱加固后的强度利用率及其构件安全性能。

2015年余勋藩[4]等通过有限元软件ABAQUS中纤维梁单元的应用，模拟湿式外包钢加固混凝土柱的滞回性能，并与试验结果对比，验证有限元模型的合理性。对比发现有限元结果与试验数据吻合较好。

1 有限元模型建立

1.1 单元和连接的选取

模型柱包括：混凝土、钢筋、外包钢、端板，混凝土、外包钢、端板均采用八节点三维实体减缩积分单元，钢筋采用2节点杆单元。

外包钢与钢筋均采用理想弹塑性模型，材料参数按本构关系选取，钢材的泊松比均设置为0.3。因端板变性较小，设置为完全刚体形式，弹性模量为1*1012MPa，泊松比设为0.0001。

混凝土部分与外包钢采用“Tie”相连接，同时混凝土部分与两侧端板亦采用“Tie”相连接，钢筋使用“Embedded”连接嵌入到混凝土中。

1.2 网格划分

ABAQUS中的网格划分直接影响计算的结果与收敛性，因此合理的网格大小划分至关重要，通常刚度较大的部分网格划分需要更细密，弹性模量较小的部件网格划分可稍微变大[5-7]。模型整体网格划分如图1所示。

图1 模型整体网格划分

1.3 分析步与加载设置

初始阶段，集中力施加在柱顶，N=300kN（轴压比约为0.5），集中力持续在整个加载过程中；侧向加载使用位移加载的方式，加载位置为柱顶端板，位移加载模式见表1，有限元模型加载方式与位移循环加载历程见图2。由于在X向加载与Y向加载效果无明显差别，故在建模分析过程中，均采用的Y向加载。

表1 加载模式

图2 循环加载历程

2 数值模拟计算分析

2.1 参数对照设置

模型柱包括一根普通钢筋混凝土柱与若干外包钢加固钢筋混凝土柱，RC-1至RC-3为原结构模型，其余是包钢模型，具体参数如表2。

表2 外包钢对照组参数对比

2.2 不同长径比模型柱构件抗震性能分析

从模拟性能方面对不同长径比对外包钢加固钢筋混凝土柱抗震性能的影响进行分析，主要列举第一组RC-1，SEC1-3，第二组RC-2，SEC2-2，第三组RC-3，SEC3-2的计算结果进行说明。

2.2.1 模型柱的滞回曲线特点

对比各构件的滞回曲线可以得到下面的结论：

（1）对比不同长径比的钢筋混凝土柱。在RC-1、RC-2、RC-3三个钢筋混凝土柱模型中，相比其余两组，RC-2的整体曲线最好，RC-1的滞回曲线存在一定程度“捏拢”现象，而RC-3滞回曲线表现为承载力下降较快，在多次反复荷载作用后承载力损失十分严重，表明此模型柱抗震性能较差。

（2）对比不同长径比的外包钢加固柱的滞回曲线，发现经过外包钢加固后模型的整体曲线与变化规律均发生较大的变化。对包钢柱模型对比得出，相同含钢率的外包钢加固模型柱，随着长径比的增加，其承载力表现出下降，滞回曲线由饱满转化为揑缩的形态，耗能能力明显降低。

图3 RC-1滞回曲线

图4 RC-2滞回曲线

图5 RC-3滞回曲线

图6 SEC1-3滞回曲线

图7 SEC2-2滞回曲线

图8 SEC3-2滞回曲线

（3）由图6～8可得出，对于外包钢加固模型柱的滞回曲线特性，随着长径比的增加，承载力峰值表现出一定的下降趋势，而峰值与长径比的数值关系具有类似线性变化的特点。

（4）对于长径比增加，滞回曲线整体形态由饱满到捏缩的变化趋势，并且在SEC2-2的滞回曲线中能明显看到在反复荷载作用到中期时，承载力有较为明显的下降，而在SEC3-2中，此下降趋势接近完全消失，原因是随着长径比的增加，在承受反复荷载，混凝土贡献减小。

2.2.2 刚度退化曲线特征

根据图9与图10，对比加固前与加固后的不同长径比的模型柱刚度退化曲线，可以得到以下结论：

（1）加固与否并不会对构件的刚度下降的整体趋势产生影响，加固前后，随着模型柱长径比增加，其刚度退化的趋势都比较一致。

（2）但经过加固后，模型柱的初始刚度与每一周的切线刚度均有所提升，同加固前模型构件RC-1至RC-3相比，加固后模型构件的割线刚度比较均匀一致，且每次循环的退化值比未加固的模型柱大。

（3）SEC1-3模拟起始阶段退化值较大，在模拟的最终阶段退化值较小，且刚度退化较平缓趋于稳定，SEC2-2与SEC3-2在整个阶段都比较平稳。结果表明加固后构件的刚度退化速度比加固前慢，表明外包钢加固可有效的减缓构件的刚度退化。

图9 RC-1-RC3刚度退化曲线

图10 SEC1-3、SEC2-2、SEC3-2刚度退化曲线

4 结语

通过模拟计算，对比各模型构件的滞回曲线、骨架曲线和刚度退化曲线可发现：

（1）加固后构件的滞回曲线均呈梭形，且单个滞回环面积比加固前都大，没有出现捏拢现象，滞回耗能能力、承载能力明显优于加固前。

（2）割线刚度变化也较为均匀，且每次循环加载的退化值均比RC柱大。结果表明粘钢加固可以有效地提高柱的承载能力、变形能力和耗能能力，减缓柱的刚度退化，从而改善钢筋混凝土柱的抗震性能。