CFRP材料加固的钢筋混凝土(RC)框架抗震性能研究

2021-12-16陈征锋

福建建筑 2021年11期

陈征锋

(厦门市政府投资项目评审中心福建厦门 361013)

0 引言

碳纤维增强聚合物(Carbon fiber reinforced polymer，简称 CFRP)，是一种重量轻、强度高和耐久性好的高性能材料。其体积小，方便折叠，施工也相当便捷，在当前桥梁与建筑结构中得到广泛应用，特别是用于结构关键受力部位的加固或是震后的结构损伤加固[1-5]。国内外许多学者也对采用CFRP材料加固的框架、柱、桥墩等结构的抗震性能、竖向与水平承载性能进行了相关研究，并取得了很好的加固效果，如韩强等[1]采用CFRP材料用于加固空心桥墩以研究其抗震性能，发现采用CFRP材料加固后，可以显著提高结构的地震耗能能力，延性也得到了很大的提高。黄俊豪等[4]采用CFRP材料对损伤后的RC梁进行了加固，并开展了RC梁的竖向承载试验研究，发现采用CFRP材料加固后，RC梁的抗弯强度大大提高。樊彬彬等[6]采用GFRP材料加固RC短柱，并对结构的滞回性能展开了数值分析，发现采用GFRP材料加固RC短柱能显著提高其耗能能力和延性。任宏伟等[7]采用CFRP材料加固RC框架柱，通过试验研究发现，经过CFRP材料加固后的RC框架，能达到强柱弱梁的目标。李奉阁等[8]通过2榀钢骨混凝土柱-钢梁框架的低周反复荷载试验，对钢骨混凝土组合框架的滞回性能、延性、耗能性能、刚度衰减等抗震性能进行研究，发现钢骨混凝土柱-钢梁框架结构具有良好的抗震性能。此外，还有许多国外学者，如Yeh等[9]、Mirmiran等[10]、Lignloa等[11]、Yazdani等[12]也对CFRP加固的RC桥墩的受力性能进行了研究，也发现采用CFRP加固后，桥墩的延性和抗剪能力都得到很好的改善。

因此，通过大量的研究可以发现，CFRP材料对结构加固是有效的，特别适用于地震区桥梁和建筑结构的抗震加固。为此，文中将在现有研究的基础上，采用CFRP材料对RC框架结构进行加固，并改变CFRP层数，分析CFRP厚度对框架抗震性能的影响，为CFRP材料在地震区框架结构的加固工程上的应用提供参考。

1 RC框架结构设计

本文选取典型的一榀单层单跨RC框架进行研究，外形尺寸如图1所示。其中，RC柱高H=1200 mm，截面尺寸为b×h=200 mm×200 mm，RC梁长L=1400 mm，截面尺寸为b×h=150 mm×150 mm，均采用C50混凝土。垫板也采用了C50混凝土的长方体块，截面尺寸为bc×hc×tc=600 mm×500 mm×100 mm。RC梁设置在距离柱顶100 mm位置。RC柱内布置了8Φ12的纵向钢筋和Φ6@100的多肢箍筋，RC梁内布置了4Φ12的纵向钢筋和Φ6@100的箍筋，钢筋保护层厚度为15 mm，形成强柱弱梁形式。RC梁柱的截面尺寸与钢筋配置如图2所示。

图1 RC框架外形尺寸(单位：mm)

(a)RC柱外形尺寸 (b)RC梁外形尺寸

2 RC框架结构有限元模型

2.1 材料本构关系

钢筋的本构关系采用用户自定义材料及PQ-Fiber子程序中的Usteel02钢筋本构，模拟钢筋受力行为，钢筋材料参数如表1所示。

表1 钢筋材料参数

混凝土塑性损伤模型适用于单调应变、循环荷载、动力荷载的模拟，其可以模拟硬度退化机制以及反向加载刚度恢复的混凝土力学特性。故本文采用塑性损伤模型模拟混凝土本构关系。C50混凝土的弹性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比vc=0.2，密度ρc=2500 kg/m3，混凝土的抗压强度标准值fck=32.1 MPa，混凝土的轴心抗拉强度标准值ftk=2.64 MPa。

CFRP材料的强度很大，在受力中一般不会发生破坏，采用弹性本构模型。

2.2 单元类型

运用ABAQUS通用有限元软件，建立CFRP加固的RC框架结构的三维实体有限元模型，如图3所示。模拟RC柱和垫板时均采用C3D8R的实体单元进行模拟，纵筋和箍筋采用T3D2的Tress单元进行模拟，CFRP材料采用S4R的Shell单元进行模拟。CFRP加固的RC框架结构的网格划分如图4所示。

图3 三维RC框架结构ABAQUS模型

(a)三维RC框架结构网格划分 (b)RC柱网格划分 (c)RC梁网格划分 (d)CFRP材料网格划分

2.3 边界条件及加载制度

RC框架结构的边界条件，如图5所示。其中，垫板底部采用固定约束，在RC柱侧面设置一个参考点RP，RP点与柱侧面采用Coupling的耦合约束，仅释放水平向平动，约束其余方向的平动和转动。钢筋通过Embedded region的方式嵌入RC柱和RC梁中，故CFRP布置在柱底和与梁连接的柱端，与RC柱采用Tie绑定约束。模型中采用往复位移进行加载，前期在0～±10 mm加载时的位移增量为±2 mm，超过±10 mm后，位移增量为±5 mm，一直加载至结构破坏为止，设定最终加载位移为±30 mm，加载制度如图6所示。

3 研究参数设计

在地震荷载作用下，RC框架结构会发生往复位移，在地震荷载较大时，将直接造成柱底的破坏和梁柱节点破坏。所以需要增强柱结构的抗震能力，避免柱早于梁发生破坏，即强柱弱梁。因此，对RC柱底和梁柱节点进行加固，非常有必要，见图4(a)所示。为此，本文将以CFRP材料作为RC柱的加固材料，以CFRP层数(即厚度)作为研究参数，研究RC框架结构在不同厚度CFRP材料加固下的抗震性能。试件的研究参数信息如表2所示。

图5 结构边界条件及加载方式

图6 详细加载制度

表2 研究参数分析

4 试验结果分析

4.1 RC框架结构破坏模式

图7(a)～(d)分别给出了CFRP-0～CFRP-3框架结构的塑性破坏。由图可知，RC框架结构未采用CFRP材料加固时，柱底和梁柱连接处会发生混凝土开裂和压碎。因此，这柱底和节点区域是地震中容易破坏的部位，需要进行加固。采用CFRP材料进行加固后，RC框架结构的破坏模型会发生变化。随着CFRP材料厚度的增大，RC柱得到更好的保护，在地震荷载下，RC梁端结构发生损坏，实现了强柱弱梁的基本要求。此外，采用CFRP材料进行框架加固后，混凝土的塑性应变大大减小，结构得到了更好的保护。

图8给出了CFRP材料在地震荷载下的损伤情况。由于CFRP材料强度很高，在RC框架结构发生破坏时仍处于弹性阶段，是结构抗震加固的良好材料。

(a)CFRP-0 (b)CFRP-1

(c)CFRP-2 (d)CFRP-3

图8 CFRP材料的塑性应变分布

4.2 RC框架结构滞回曲线与骨架分析

图9分别给出了CFRP-0～CFRP-3框架结构的滞回曲线对比图。由图9可知， CFRP材料厚度对RC框架结构的滞回曲线有较大影响，CFRP材料越厚，框架结构的滞回曲线越饱满，耗能能力越好，在地震荷载中，能更好地减小结构的损伤。

图10分别给出了CFRP-0～CFRP-3框架结构的骨架曲线对比图。发现，CFRP材料厚度对RC框架结构的骨架曲线有较大影响。在地震荷载较小(≤6 mm时)，CFRP材料对RC框架结构的受力无影响。随着地震荷载的增大，CFRP材料越厚，框架结构的承载力越高。此外，框架结构的力-位移曲线大致可划分为弹性段(OA段)、塑性阶段(AB段)、破坏段(BC段)3个阶段。

4.3 等效粘滞阻尼比分析

以下对CFRP-0～ CFRP-3框架结构的等效粘滞阻尼比进行计算，采用公式(1)进行计算，详细计算结果如图11所示。

(1)

式中：ξe为等效粘滞阻尼系数；S为滞回环面积；S1为位移轴与正向加载峰值点围成的面积；S2为位移轴与负向加载峰值点围成的面积。

由图11可知，在6 mm内时CFRP材料厚度对框架结构的等效粘滞阻尼比基本无影响。超过6 mm后，CFRP材料厚度对框架结构的等效粘滞阻尼比的影响很大。在4 mm前，等效粘滞阻尼比会下降，主要由于混凝土发生了较小裂缝，刚度有所下降，随着加载继续，此时钢筋与CFRP材料发挥了作用，共同抵抗地震荷载。此外，随着CFRP材料厚度的增大，框架结构的等效阻尼比随之下降。