基于ABAQUS玄武岩纤维网格加固RC梁抗震性能研究

赵旭鹏 张婉莹

（华北理工大学，河北 唐山 063210）

0 引言

地震具有极强的破坏性，是最具危险性的自然灾害之一，建（构）筑物优良的抗震性能是人民生命和财产的保证。但混凝土碳化、钢筋锈蚀等原因造成建筑结构不可逆的损伤，引起服役寿命缩短的问题，使得结构的抗震性能降低和使用功能受限。对既有建筑进行加固是解决上述问题的重要手段。我国学者对FRP类材料加固梁构件做了大量工作[1-3]。本文基于ABAQUS有限元软件，对双层BFRP网格加固RC梁进行数值模拟，建立1根参考梁和2根BFRP网格厚度不同加固梁和2根预应力大小不同的加固梁，研究加固梁的滞回性能、承载力和耗能能力。研究发现，加固后，梁的承载力显著提高，兼具较好的抗震性能。

1 玄武岩纤维的特性

玄武岩纤维聚合物（Basalt Fiber Reinforced Polymer）是玄武岩矿石经工艺加工所形成的黑褐色材料。它的物理性质和化学性质均比较稳定，被广泛应用在结构加固领域。它具备轻质高强，抗腐蚀的特点。

2 模型选取与验证

2.1 混凝土梁本构曲线

（1）钢筋拉压本构选取理想弹塑性的双折线模型，适应具有屈服平台的钢材。

（2）混凝土单轴抗压本构参考《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）。

（3）玄武岩纤维网格选取理想的线弹性本构关系，表达式如下：

式中：

Ef——纤维网格弹性模量。

2.2 模型验证

文献[4]针对BFRP网格加固RC梁的抗弯性能进行了系统的分析与研究，本文对其试验中的加固梁RCL-2进行了数值模拟。对比数值模拟与试验结果，发现模拟值要略高于试验值，这是因为数值分析时，对RC梁模型进行了简化处理，并未考虑钢筋与混凝土界面的粘结滑移所致。但两者吻合度依然较高，证实了模型本构关系的可靠性，为进一步研究BFRP网格加固RC梁的抗震性能提供了前提条件。RCL-2荷载-挠度曲线如图1所示。

图1 RCL-2模拟与试验荷载-挠度曲线

3 研究内容

3.1 基本信息

为了研究构件的抗震性能，本文共建立5根RC简支梁，梁编号及加固方式见表1。其中，梁截面尺寸b×h=200mm×300mm，梁长2400mm，纵筋为4C16 的HRB400级钢筋，箍筋A8@100，强度等级为HPB300，混凝土保护层厚度25mm。在梁的上顶面和下顶面满堂布置双层玄武岩纤维网格，并且沿梁长两侧留置25mm。材料力学性能见表2。

表1 梁编号及加固方式

表2 材料力学性能

3.2 模型建立

混凝土单元类型取为C3D8R，钢筋和BFRP 的单元类型均为T3D2。BFRP 网格和钢筋笼选择内嵌（Embedded region）到混凝土当中的作用方式，垫块与梁采用绑定（Tie）的方式。边界条件为一端释放转角，另一端释放水平位移和转角。建立了ABAQUS模型，混凝土、钢筋和BFRP 单元网格划分大小均取50mm×50mm。参考梁模型见图2，加固梁模型见图3。

图2 参考梁网格划分

图3 加固梁网格划分

3.3 加载制度

本文采用位移加载，加载制度如图4所示。

图4 加载制度

4 计算结果

4.1 理论值与模拟值对比

本文BFRP网格加固梁的抗弯承载力理论公式参考文献[5]计算，得到的各工况梁屈服承载力和抗弯承载力见表3。根据表3可知，梁承载力模拟值与理论值较为接近，无论是屈服荷载还是抗弯承载力，误差均在15%以内，这也从侧面证明了建立的BFRP网格加固RC梁模拟的正确性。

表3 梁承载力模拟值与理论值对比

4.2 加固梁破坏过程分析

应用ABAQUS数值计算，得到了各个工况下梁构件的滞回曲线，以L-4为例进行受力过程分析。在初始受力时，曲线基本保持线性关系，随着荷载的加大，当梁底部混凝土受拉强度大于混凝土开裂强度后，混凝土开始出现裂缝，曲线斜率下降，构件刚度降低。当第一次循环反向加载至126.97kN时，钢筋开始出现屈服，此时对应的位移为3.63mm。第一次循环结束荷载为零时，位移不能恢复至零，说明构件产生了不可恢复的残余变形。继续增大荷载，当第二次循环正向加载到133.45kN，位移达到4.76mm，BFRP网格达到极限抗拉强度，纤维出现断裂。当荷载达到142.61kN，位移达到14.38mm时，达到构件的峰值承载力。当承载力下降至峰值承载力的85%时，认为达到梁的极限承载力。此后，承载力会进一步降低，直至最终破坏。各构件的滞回曲线如图5所示。

图5 各工况梁滞回曲线

4.3 骨架曲线

为了探究网格厚度对骨架曲线的影响，将相同预应力不同网格厚度的梁进行对比。L-1、L-2和L-3分别是参考梁，网格加固厚度为1mm和3mm的加固梁，根据数值模拟的结果可知，L-1的承载力为107.38kN，L-2和L-3的承载力分别为117.57kN和144.01kN，后者高前者22.49%，骨架曲线如图6所示；L-4和L-5的网格厚度均是3mm，施加预应力大小为30%和45%，通过模拟可知，L-4和L-5的峰值承载力分别为142.61kN 和141.13kN，前者略高于后者1.05%，L-4与L-5骨架曲线见图7。从以上数据和曲线趋势的对比中可以看出，网格厚度越大的梁，承载能力提高效果越显著，预应力大小对构件承载力影响效果甚小。

图6 BFRP网格厚度不同加固梁骨架曲线

图7 预应力大小不同加固梁骨架曲线

5 构件耗能能力评价

低周往复荷载作用下，RC梁构件吸收和消耗能量的能力，由滞回曲线所包围的面积和形状来衡量，工程抗震中，常用等效粘滞阻尼系数的大小来评价结构或构件的耗能能力，用he表示，其数学公式如下：

式中：

he——等效粘滞阻尼系数；

SABC——滞回曲线中某一滞回环一半的面积；

SOBE——该滞回环上峰值点坐标与坐标原点围成的三角形面积。

若面积SABC越大，则粘滞阻尼系数he越高，结构耗能能力越好。反之，结构耗能能力越低。根据式（2）计算所得构件的等效阻尼系数he见表4。从表4可知，普通RC梁经加固后，对构件耗能能力没有明显的影响。

表4 构件耗能能力

6 结束语

本文通过对5根钢筋混凝土梁进行数值模拟，以加固网格厚度、预应力大小为自变量，研究了其对滞回性能、承载力以及耗能能力的影响，得出的主要结论如下：

（1）BFRP网格加固RC梁滞回曲线呈梭形，具有良好的抗震性能，并且能有效提高其抗弯承载力，其中L-3的抗弯承载力值提高了34.11%。

（2）普通RC梁在经过加固后，构件的耗能能力没有明显差别，仅L-5梁的等效阻尼系数小于L-1梁0.02，其他构件均大于或等于L-1梁。

（3）从加固梁数值模拟结果来看，BFRP网格在梁构件破坏之前均发生了断裂，充分发挥了玄武岩纤维的抗拉强度。