UHPC外包RC柱轴压力学性能模拟研究

2022-05-11戚晓楠薛大鹏

山西建筑 2022年10期

戚晓楠，薛大鹏

(大连海事大学交通运输工程学院，辽宁大连 116026)

1 概述

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete-UHPC)是一种新型水泥基复合材料。由于采用了不同于普通混凝土的配合比设计，UHPC具有相较于普通混凝土更强的耐久性和更高的力学强度[1]，被公认为极具发展前景和工程应用价值[2]。

UHPC在20世纪70年代起源于丹麦[3]，1998年由清华大学的覃维祖教授首次引入国内[4]，近年来已成为国内外土木领域研究的热点[5]。但目前国内外学者对于UHPC外包构件力学性能的研究更多地集中在梁板，对于墩柱的研究相对较少。本文拟通过有限元模拟的方法研究UHPC外包RC柱的轴压性能，以及外包层厚度、箍筋间距、混凝土强度、纵筋配筋率等结构参数对于外包柱轴压性能的影响，为UHPC工程应用提供一定的参考。

2 UHPC加固RC柱有限元模型的建立

本论文基于理论与模拟结合的思想，采用大型有限元软件ABAQUS进行UHPC加固RC柱轴压性能的模拟研究。为保证模拟的合理性及正确性，以文献[6]中的普通RC柱轴压试验为参考，绘制与其相同的模型，并将模拟结果与试验结果进行对比；若两者吻合得较好，则可验证有限元模型的合理性，可将其作为后续研究的基础。

2.1 材料本构

UHPC本构及钢筋本构采用与文献[6]相同的本构模型；将模拟试件所采用的混凝土本构分为两个部分：外部无箍筋约束的混凝土和核心区受箍筋约束的混凝土，两部分混凝土采用不同的本构模型，无约束的普通混凝土采用GB 50010—2010混凝土结构设计规范所推荐本构模型[7]；核心区受箍筋约束的混凝土采用过镇海提出的矩形箍筋约束混凝土本构[8]。首先需要计算约束指标λt以判断箍筋约束作用的强弱。约束指标以0.32为临界，λt>0.32为强约束，反之为弱约束。强弱约束采用不同的本构计算公式，具体计算公式如图1所示。

图1 计算公式

2.2 对比柱及UHPC外包柱有限元模型建立

本模拟采用的试件尺寸，部件配置全部参考文献[6]中的设置。用于对比的普通RC柱所采用的混凝土强度、弹性模量及CDP模型参数的选取均与文献[6]相同，以保证用于对比的未加固柱模型准确合理。

普通强度混凝土NSC及超高性能混凝土UHPC采用C3D8R单元绘制网格，钢筋则采用两节点线性三维桁架单元T3D2绘制网格，假定内部核心区混凝土与外部普通混凝土之间不存在相对滑移，采用tie约束连接两种材料；钢筋使用embeded region约束内置于RC柱中；在模型两端设置参考点，并将参考点与平面耦合，作为荷载及边界条件作用点；模型采用位移加载控制荷载的施加，边界条件为完全固结，建立模型如图2所示。

2.3 UHPC外包柱模型合理性验证

由于模拟无法像试验一样直观地观察试件破坏情况，因此在本模拟中定义模拟试件到达峰值承载力即为结构破坏，荷载-位移曲线以峰值承载力点为临界点截断。通过对比本模拟与文献[6]的荷载-位移曲线(见图3)，发现两条曲线吻合较好，且模拟承载力与试验承载力基本相同，表明模型可用于后续研究。

3 UHPC外包RC柱轴压性能模拟研究

UHPC外包RC柱模拟试件的模型是在前述对比柱模型的基础上，剥落原有保护层混凝土，代以UHPC外包层建立而成，模型的其他设置与前述对比柱相同；各模拟试件的具体设计如表1所示。

表1 各模拟试件配置表

UHPC外包RC柱轴压模拟通过改变UHPC外包层厚度、纵筋配筋率、箍筋间距、核心区NSC强度等结构参数来研究UHPC外包RC柱轴压性能，分析模拟试件的承载力及应变等指标，得到结构参数对于试件承载力和应变的影响规律并确定主要影响参数。

3.1 承载力分析

RC柱是主要承受竖向荷载的构件，承载力是评价UHPC外包RC柱效果的重要指标，因此对各模拟试件的峰值承载力进行对比及分析，各模拟试件的承载力如表2，图4所示。

表2 各试件模拟承载力结果汇总表

表2中PDBZ为未加固柱峰值承载力。由表2中数据可以看出，当RC柱保护层混凝土由普通混凝土替换为UHPC后，试件在轴压作用下的峰值承载力得到显著提升；当UHPC外包层厚度为15 mm，20 mm，25 mm，30 mm(WBZ1，WBZ2，WBZ3，WBZ4)时，模拟试件的峰值承载力较对比柱峰值承载力的提升幅度分别为73.69%，93.35%，121.53%，151.42%，说明随着UHPC外包层厚度的增大，峰值承载力的提升幅度亦逐步增大。

对比WBZ4，WBZ5，WBZ6的峰值承载力可以发现，当箍筋间距加密至50 mm时，轴压条件下的峰值承载力提升幅度为6.51%；当箍筋间距增大至125 mm时，峰值承载力的降低了5.16%，说明改变模拟试件的箍筋间距对峰值承载力的影响并不显著。对比WBZ4，WBZ7，WBZ8模拟数据可知，纵筋配置变为4φ14，4φ18时，试件的峰值承载力变化幅度为1.08%，7.47%，说明在轴向加压条件下，改变纵筋配置对于试件的峰值承载力影响不大。对比WBZ4，WBZ9，WBZ10的模拟承载力可知，当核心区NSC强度等级变为C20，C50时，试件的峰值承载力变化幅度分别为5.8%及2.25%，说明外包层厚度一定时，改变核心区NSC强度对试件峰值承载力的影响不大。

3.2 荷载-位移曲线

不同结构参数下模拟试件荷载-位移曲线如图5所示。

通过比较各模拟试件的曲线可知，加固层厚度越大，曲线上任意一点的切线斜率就越大，表明模拟试件的刚度会随着加固层厚度的增大而增大；且经过UHPC加固的所有模拟试件的峰值位移均较未加固的DBZ大，这是因为加固柱的极限状态为UHPC达到峰值应变，而UHPC的峰值应变远远大于核心区NSC，故所有加固柱的峰值位移均大于未加固柱。

3.3 应变分析

图6为各模拟试件的荷载-应变曲线，其中NSC1代指核心区NSC横向应变，NSC2代指核心区NSC纵向应变，UHPC1代指外层UHPC横向应变，UHPC2代指外层UHPC纵向应变。从图6中可以看出，在轴向荷载从零逐渐增加到峰值的过程中，核心区NSC和外围UHPC的横向应变基本相同，说明外围的UHPC并未对核心区NSC产生约束作用，两种混凝土之间亦不存在相互作用；并且核心区NSC和外围UHPC的纵向应变亦基本相同，说明轴力作用于模拟试件时，两种混凝土之间并无相对滑移，可共同承担荷载。