芳纶纤维加固RC 短柱抗震性能数值模拟研究

刘丽玲

（黎明职业大学 土木建筑工程学院，福建泉州 362000）

随着我国城镇化进程加速，高层建筑逐年增加，低层柱由于受荷大，其截面尺寸要求比较大，容易形成剪跨比小的短柱。短柱的破坏一般是脆性破坏，并且短柱由于其抗侧刚度比较大，会吸收更多的地震力，容易遭受严重的破坏。历次震害[1-2]结果调查表明：短柱容易遭受破坏，引发结构安全问题。因此，有必要对结构短柱的问题加以足够的重视。《建筑抗震设计规范》规定：剪跨比不大于2 的柱，轴压比限值应降低0.05；剪跨比小于1.5 的柱，轴压比限值应专门研究并采取特殊构造措施；并且规定短柱要全高加密。然而早期建筑的房屋或者桥梁，其抗震构造措施无法满足现行规范的要求。因此，研究短柱的抗震加固方法尤为重要。而复合纤维材料（FRP）加固RC短柱方法由于具有易施工、工作面小以及不增加短柱的体积等优点而备受青睐。复合纤维布可以任意裁剪，施工可操作性强，所以纤维布加固方法被广泛应用于各个类型结构、各个形状结构的各个部位，对于隧道、大型筒体等其他加固方法比较难实施的结构，纤维布加固都能解决。复合纤维布加固在国内外得到了广泛的应用[3-4]。

目前，国内外学者对复合纤维加固短柱展开研究主要集中在碳纤维加固，对芳纶纤维加固短柱的研究比较少，而芳纶纤维具有较好的抗剪抗冲击强度，柔软易弯折，不会形成屏蔽等优点是碳纤维所无法比拟的[5]；且现有的研究多为试验研究，受试验条件限制，缺乏多参数作用下短柱加固性能的研究。因此，进行多参数下纤维加固短柱特别是芳纶纤维加固短柱的研究显得很有必要。本文利用有限元OpenSees 软件，通过改变参数，分析芳纶纤维加固短柱的抗震性能，以获得不同参数作用下芳纶纤维加固短柱抗震性能方面的特点，给实际工程应用提供参考数据。

1 试件设计

本文设计了9 根钢筋混凝土短柱，分别对比未加固柱、芳纶纤维（简称AFRP）加固柱在不同轴压比、不同剪跨比和不同加固量情况下的抗震性能。未加固短柱设计为剪切破坏模式，尺寸为300×300mm，纵筋420，方箍配置为ф8，间距为60mm。短柱净高0.5m（或0.6m），下端固定。混凝土强度等级为C30，保护层厚度为25mm。试件的剪跨比分别是1.67 和2.0；轴压比分别为0.4 和0.5，加固层数分别为1 层和2 层，采用全高连续包裹的加固方式。试件几何尺寸和配筋图详见图1。各个试件的基本参数和各种材料性能指标见表1 和表2。ф

表1 各试件基本参数

图1 试件几何尺寸和配筋图

2 数值模型

本研究采用OpenSees 软件进行模拟。首先需要建立截面单元，分为未加固试件和加固试件截面单元，单元划分如图2。未加固试件截面单元划分为纵筋纤维、核芯区混凝土纤维和保护层混凝土纤维；芳纶纤维加固试件单元划分为纵筋纤维、保护层混凝土纤维、核芯区混凝土纤维和芳纶纤维加固层纤维。本试件模型经过多次试算，短柱竖向按高度平均划分为4 个单元能得到较好的模拟效果，其中每个单元的积分点数为5 个。

图2 短柱截面纤维和竖向单元划分示意图

经过前期试算和对比，数值模型中的材料本构关系选择如下：纵筋纤维选择OpenSees 软件提供的Steel02 模型；除纵筋外的其他材料本构选择软件内的ConfinedConcrete01 模型，ConfinedConcrete01 模型是D’Amato M.[6]提出的混凝土约束模型，该模型考虑了截面形状、箍筋放置方式和外包材料的约束作用，它将混凝土、约束材料和箍筋相关参数都集中于一条命令中，保护层混凝土、外包材料、箍筋的基本参数体现在ConfinedConcrete01本构模型中。利用ConfinedConcrete01 本构模型建模时需要提供未约束混凝土的抗压强度、混凝土弹性模量、约束混凝土的极限应变、箍筋直径、箍筋间距、箍筋屈服强度、箍筋的放置方式、纤维布的厚度和极限抗拉强度、纤维布的弹性模量等参数，这些参数值见表2 材料性能指标和图1 试件几何尺寸和配筋图。

表2 材料性能指标

本模型采用基于力的非线性梁柱(Nolinear Beam Column)单元模拟加固墩柱的滞回性能。经过与文献[7]中的试验结果比对，采用非线性梁柱(Nolinear Beam Column)单元和ConfinedConcrete01本构模型，两者搭配能得到较为理想的模拟效果。在进行数值分析计算时，首先把竖向荷载加到724kN（轴压比0.4）或904.5kN（轴压比0.5）,然后采用位移模式进行水平向加载，设置多种迭代算法、采用能量收敛准则计算中止条件。

3 结果及分析

3.1 滞回曲线

各个试件的滞回曲线图见图3。通过对比分析可以看出，未加固短柱的滞回曲线形状扁平，加固后短柱的滞回曲线变饱满，说明芳纶纤维加固短柱能提高其耗能能力；加固两层纤维布比加固一层纤维布的曲线更饱满，说明加固量变多，短柱的耗能更强；轴压比越高且剪跨比越小，短柱的滞回曲线越扁平，说明耗能越差[8]。各个试件的能量耗散系数分析见表3。从表3 中可以看出剪跨比1.6、轴压比0.4 的A0 试件加固后，其耗能系数提高较多，达到了35%（一层纤维布加固）和43%（二层纤维布加固）；轴压比更大的B0 试件以及剪跨比更大的C0 试件加固后，其耗能系数提高程度没有A0 试件加固后高，说明芳纶纤维加固低轴压比和低剪跨比短柱的效果更显著。

表3 试件耗能能力计算表

图3 各试件滞回曲线图

3.2 骨架曲线

各个试件的骨架曲线如图4。从图表中可以明显看出，短柱加固后，破坏时的极限位移增大；并且随着加固层数增多，短柱的极限位移有增大趋势。编号为A 的试件以及编号为C 的短柱试件轴压比为0.4，剪跨比则分别为1.67 及2.0，编号为C 的试件轴压比为0.5，剪跨比为2.0。从骨架曲线中，可以看出剪跨比和轴压比都会影响加固短柱的承载力：轴压比增大，加固短柱的承载力增大；剪跨比增大，加固短柱的承载力变小。

图4 试件骨架曲线图

骨架曲线分析结果列于表4 中。从表中可以看到，短柱加固后其极限承载力也有所提升，但幅度不大；短柱加固后，短柱的延性得到大幅提高；本模型中，短柱经过一层芳纶纤维布加固后，其延性系数提高了50%左右，经过两层芳纶纤维布加固后提高程度达到90%以上；由此可见，芳纶纤维布加固短柱对于提高短柱的变形性能效果良好。

表4 试件骨架曲线分析结果

4 结论

利用有限元软件OpenSees 对芳纶纤维加固短柱进行模拟分析，考虑剪跨比、轴压比和加固量对短柱的影响，分析芳纶纤维加固短柱抗震性能方面的特点，得到以下结论：

芳纶纤维加固短柱能有效提高短柱的耗能能力，其中对低轴压比和低剪跨比短柱加固效果更好。芳纶纤维加固对于短柱极限承载能力提高程度有限，本文最大提高程度为5.1%；但芳纶纤维加固能有效提高短柱的延性，且加固短柱的延性随着加固量增加而增加。本数值模拟未考虑短柱表面和芳纶纤维布的滑移现象，这个需要在后续的研究中考虑。