预应力CFRP加固混凝土圆柱抗震性能分析

2023-10-11梁栩华

三明学院学报 2023年3期

梁栩华

(桂林理工大学土木与建筑工程学院, 广西桂林 541004)

现浇混凝土柱作为重要的结构构件,对建筑物整体的抗震性能起到至关重要的作用[1-2]。因此提高框架柱在地震作用下的位移延性和耗能能力具有十分重要的意义。

纤维增强复合材料(fiber reinforced polymer,FRP)具有高强度、轻质、高弹模等优点,已被广泛用于结构加固领域。CFRP片材粘贴加固混凝土柱,可有效改善框架柱的位移延性和耗能能力[3-4]。但已有试验研究表明CFRP粘贴包裹加固存在应力应变滞后效应,即在混凝土受力产生破坏后CFRP才对构件产生约束,未能充分发挥CFRP的优异特性[5]。为有效地改善应力应变滞后效应,预应力加固技术被提出[6-7],该技术还可以施加不同预应力度和不同层数的加固。Cheng等[8]等对碳纤维布加固混凝土圆柱和方柱的抗压强度影响因素进行了试验和数值研究,结果表明,两层预应力CFRP约束混凝土圆柱与未加固混凝土柱相比,预应力为600 MPa时,承载力最高可提高170%。周长东等[9]研究了单层预应力CFRP加固对圆柱残余承载力和延性的影响,对45个圆柱试样进行了同心和偏心、单次和循环的加载。结果表明,在预应力为7%碳纤维布极限应变约束下的圆柱试件较未受约束试件轴压承载力平均提高360%,位移延性提高了10倍。为研究单层不同预应力度的碳纤维布加固和高轴压比下混凝土圆柱的抗震性能,王强等[10]对混凝土圆柱进行了低周往复荷载试验。结果表明,高轴压比下,较之未加固柱,预应力度0.2的单层CFRP主动约束混凝土加固柱侧向承载力提高了50%,极限位移提高了3.75倍。在地震中柱底塑性铰的开展对于结构整体的抗震性能有着重要的影响,在不同的预应力加固高度下,塑性铰的开展情况会出现变化,影响构件的承载力和位移延性能力。所以不同的加固高度和层数,对加固效率和经济效益也有着重要的影响。

本文对4根现浇混凝土圆柱进行了低周往复荷载试验,从位移延性、耗能能力、破坏形态和承载力等方面,分析在不同轴压比下预应力CFRP加固对现浇混凝土试件的抗震性能的影响,并利用Abaqus进行了不同CFRP高度和不同层数加固的有限元分析。

1 试验

1.1 试件设计

本文试验设计了4根混凝土圆柱,其中2根采用预应力CFRP加固,2根为未加固柱,试件参数见表1。圆柱截面直径为300 mm。柱高为1 225 mm,所有柱的剪跨比为4.0,保护层厚度为25 mm,8根直径为12 mm的纵筋。箍筋直径为8 mm,间距100 mm,试件具体尺寸如图1所示。RC代表现浇混凝土圆柱,S代表预应力加固,24与48分别对应0.24与0.48的轴压比。加固试件的预应力度均为0.3,代表0.3倍的碳纤维布极限应变,用于表征预应力的大小。

表1 试件参数表

(a)试件加固

1.2 材料力学性能

各试件均采用C35等级强度混凝土,并在浇筑的同时制作试块,测得标准立方体抗压强度为43.65 MPa,棱柱体抗压强度为36.85 MPa,混凝土极限应变为0.003。各试件纵筋均采用HRB400级钢筋,箍筋选用HPB300级钢筋。CFRP选用单向碳纤维布,宽度为150 mm,厚度为0.167 mm。各材料具体性能参数见表2。

表2 材料性能表

1.3 测试设置

在低周往复荷载试验中,伺服作动器施加水平承载力,竖向力由液压千斤顶施加,水平加载制度采用位移控制。在最初的4个位移角中(位移角从0.1%增加到0.33%),每级以单次循环加载,之后每级位移角以3次循环加载。当试件横向承载力下降至85%以下,试件破坏,试验结束。加载制度如图2所示。

图2 加载制度

1.4 锚具介绍

预应力由图3中的锚具施加。预应力锚具[11]由楔片、锚固端、楔片端和高强螺栓组成。锚头中缝边缘采用倒圆角设计,以减少应力集中,防止其割坏CFRP布材。该锚具可根据建筑物受损情况,依需调整不同的预应力度和加固层数,快速完成受损结构的修复。

图3 预应力锚具

1.5 试验结果

如图4所示,试件RC-24试验现象:位移角至0.8%时,距柱底200 mm范围内出现多条水平裂缝;位移角至1.1%时,纵筋屈服,裂缝沿柱表面贯通;最终位移角至2.7%时,柱根部混凝土出现少量脱落,试件水平荷载下降至峰值荷载的85%以下,试验结束。RC-24的破坏形态为弯曲破坏。随着轴压比增加,试件RC-48的柱根部混凝土压碎脱落,裂缝发展充分,底部混凝土脱落较为严重,破坏形态为弯剪破坏。

(a)RC-24

RCS-24现象:当位移角至1.1%时,试件屈服,随着位移的增大,裂缝呈现多而密的趋势;位移角至2.8%时,水平承载力达到峰值,底部水平裂缝不断开展贯通,混凝土表面起皮加剧,首层碳纤维布出现多处断丝;最后位移角加载到4.4%时,受压侧柱根部混凝土有少量压碎,并伴随有碳纤维布持续的断丝,承载力下降至峰值荷载的85%以下,试验结束。RCS-24的破坏形态为弯曲破坏。试件RCS-48的破坏过程与试件RCS-24大致相同,但有所区别,轴力的增大延迟了试件水平裂缝的形成与发展,斜裂缝的开展速度和裂缝宽度明显增大,柱底表层混凝土剥落和碳纤维布断丝更加严重。

1.6 滞回曲线

如图5所示,试件加固后滞回曲线形状饱满,刚度退化速率降低,位移循环次数与极限位移显著增加。破坏过程较缓慢,表现出较好的抗震性能,尤其是试件加固后的塑性变形和耗能提高幅度明显。随着轴压比的提高,加固柱与未加固柱都表现出滞回曲线的饱满程度下降的趋势,试件滞回环所包围的面积和残余变形出现明显的减小。峰值荷载后试件的承载力退化速率加快,滞回环循环数量减少,且未加固柱随轴压比的改变对各抗震特征值的影响较大,而轴压比对加固柱的影响趋于减弱。

(a)RC-24

1.7 骨架曲线

从图6骨架曲线中发现,混凝土圆柱经CFRP预应力加固后,其初始抗侧刚度未出现增大,但屈服荷载有明显的提高,试件屈服后塑性阶段的位移明显增大,其变形能力增强。对于加固后的高轴压比试件该特点表现得尤为明显,加固后峰值荷载也有一定程度提高。随着轴压比增大,未加固柱与加固柱都表现为弹塑性阶段抗侧刚度有所提高,屈服荷载与峰值荷载有不同程度增加,但未加固试件在峰值荷载后,骨架曲线的下降段较短较陡。这是因为轴压比的提高虽限制了早期裂缝的开展,增加了混凝土受压区高度,加快了刚度和强度退化速率;较为不同的是,随着轴压比的增大加固柱的变形和耗能能力依然具有良好的表现。

图6 试验骨架曲线

1.8 延性

采用位移延性系数表征是试件的延性性能按公式(1)计算

μ=Δu/Δy。

(1)

式(1)中:Δu是试件达到极限荷载时的柱顶平均水平位移,Δy是试件屈服时的柱顶平均水平位移。对比表3中的各组试件的延性系数和位移角后可知,试件加固后位移延性得到了较大幅度的提升。但未加固柱与加固柱的位移延性系数与极限位移角都随着轴压比的增加有所减小。主要由于轴力的增大,加速了混凝土斜裂缝的开展和损伤,减弱了纵筋的塑性变形能力。试件RC-48比RC-24的延性系数降低了16.3%,RCS-48比RCS-24则降低了18.6%。试件经加固后随着轴压比的增加延性系数下降程度减小,表明预应力CFRP有利于提高高轴压比柱的延性。

表3 试件试验结果

1.9 耗能

各试件累计耗能如表3所示。对比各试件耗能值发现,采用预应力CFRP加固可大幅改善试件的耗能水平。预应力CFRP加固对提试件的耗能能力效果显著。加固柱与未加固柱的耗能能力伴随着轴压比的增大出现下降趋势,其中试件RC-48较RC-24的耗能降低了39.5%,而RCS-48较RCS-24则降低了13.2%,即加固后柱的耗能水平随轴压比增加降低幅度减弱。表明采用预应力CFRP加固有利于抑制高轴压比对试件的损伤。

2 数值分析

采用SIMULIA公司开发的Abaqus软件,进行不同CFRP高度和不同层数加固下预应力CFRP加固混凝土圆柱的数值仿真模拟。

2.1 本构关系及材料性能

各材料应力-应变曲线如图7所示。混凝土采用塑性损伤模型本构,其单轴应力应变曲线[12]见图7(a),纵筋和箍筋采用双折线硬化弹塑性模型[9]。CFRP是各向异性材料,对其进行简化处理,应力-应变曲线采用理想的线弹性模型[13]。

(a)混凝土应力应变曲线

(a)模型正视图

混凝土单轴受压时的应力-应变关系由(2)-(6)确定:

σ=(1-dc)Ecε,

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(2)～(6)中,σ为单轴应力值;dc为混凝土单轴受压损伤参数;αd为受压应力-应变下降段参数;fc.r为混凝土抗压强度代表值;εc.r为混凝土单轴受压峰值应压变。

混凝土受拉本构模型的单轴受拉应力-应变曲线,由(7)～(10) 确定:

σ=(1-dt)Ecε,

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)～(10)中,αt为混凝土受拉下降段参数;ft.r为受拉混凝土强度代表值;εt.r为受拉混凝土峰值应变;dt为受拉混凝土损伤参数。

2.2 模型各材料参数的选定

混凝土模拟参数参考文献[14]设置,见表4。钢筋的材料参数依据试验实测值选取,见表5。CFRP的各项材料参数取自文献[15-16],如表6所示。

表4 CDP型材料参数

表5 钢筋材料参数

表6 CFRP布的材料参数

2.3 边界条件及加载制度

有限元模型的边界条件依据试验设置。柱底约束X、Y、Z方向的平移运动和旋转运动的自由度。耦合点RP位于柱顶部,设置轴向荷载和位移控制循环加载。模型加载制度与试验相同。

2.4 模型建立

模型依照试验试件设置。混凝土采用实体单元(C3D8R),纵筋与箍筋均采用桁架单元(T3D2)[11]。普通钢筋通过Embedded命令嵌入到混凝土柱当中,钢筋与混凝土之间的黏结为理想条件。CFRP的初始预应力采用“等效温度法”施加[17]。

2.5 模型有效性对比

图9为试验滞回曲线与模拟滞回曲线的对比。图10为试件的模拟损伤破坏云图。由于有限单元和材料本构模型在模拟往复加载过程中损伤累积等方面的缺陷,以及在理想接触条件下粘结劣化对于试件滞回性能影响较大,但对强度影响较小。这使得荷载变形曲线的初始刚度较大,同时在加载后期试件的强度下降不明显,但总的来说数值模型曲线与试验曲线吻合较好。损伤云图与试验破坏情况相似。未加固试件的柱角破坏严重。加固试件在CFRP的约束下,能量被均匀地耗散。

(a)RC-24

3 参数拓展

由于试验试件数量有限,未能对预应力CFRP加固高度、加固层数等展开研究,为更大效度地利用CFRP材料的优异性能,充分发挥碳纤维布对混凝土柱抗震性能的提升,在模拟中将CFRP高度和加固层数作为参数在原有试件的基础上进行拓展。

3.1 CFRP加固高度

从图11可以看出,随着CFRP加固高度的降低,试件的承载能力和延性性能有所下降,但是1/2加固与全加固相比,承载力和位移延性降低并不明显。1/2加固较全高度加固位移延性下降了5.6%,1/3高度加固较1/2加固位移延性下降了28.4%。结果表明,在柱1/2处加固即可取得良好的加固效果。在柱底1/2处加固,可以有效地提高加固效率和节省经济成本。

图11 不同加固高度的骨架曲线

3.2 CFRP层数

不同层数下预应力CFRP加固混凝土圆柱的模拟骨架曲线如图12所示。在全包裹加密下,分别模拟了两层、三层、四层、六层预应力CFRP包裹的混凝土圆柱的抗震性能。从对比结果可知,CFRP层数对试件承载力有重要的影响。多层预应力CFRP加固可以显著提升试件的初始刚度和承载力。六层CFRP加固较四层加固峰值承载力提升了5%,四层CFRP加固较三层加固峰值承载力提高了17.5%。结果表明,随着加固层数的提高,加固的提升效果逐渐下降。主要表现为在四层加固以后,试件的承载力提升不明显,且位移延性并未出现明显的提高。因此在实际工程中,二至四层的预应力CFRP加固即可满足使用要求。