CFRP加固钢筋混凝土柱承载力模拟分析

李路彬

(中国建筑设计研究院有限公司,北京 100032)

混凝土结构在现代建筑中应用广泛而普遍,结构在服役过程中随时间推移和外界影响因素的侵蚀,结构会出现开裂、变形和强度损失等问题。为保证结构服役期内的使用安全性,混凝土加固设计成为一项重要任务。长期荷载和外部侵蚀对结构的材料性能影响显著,混凝土结构可能出现裂缝、变形和强度下降等问题,这些问题对结构的稳定性和安全性构成威胁。通过加固设计,可以修复和强化受损的混凝土结构,延长其使用寿命,降低维护成本,并确保人们的生命财产安全。

李鹏鹏[1]进行了CFRP布加固砌体结构的抗压强度试验,同时分析了粘贴2层和3层CFRP布对砌体抗压承载力的增强效果,并对加固结构的裂缝形态、破坏模式和加固原理进行总结,研究发现粘贴CFRP布的加固方式可提高混凝土结构的承载能力和抗震性能。通过不同的加固材料和加固技术可提高结构的承载能力及刚度,抗震性能显著提升,从而减少地震荷载激励对结构的危害[2-4]。加固设计可以修复和加固老化和受损的混凝土结构,避免结构失效和意外事故的发生。程东辉等[5]对3组翼缘与腹板转角处CFRP布锚固的钢筋混凝土柱进行轴心受压试验,得到了试件的极限荷载、轴向变形及破坏模式,提出了CFRP约束下钢筋混凝土柱极限承载力的计算公式。

在混凝土加固设计的研究方法方面,需要对混凝土结构进行全面的检测和评估,包括结构的承载能力、裂缝情况、变形程度等[6]。其次,根据结构的具体情况和问题,选择合适的加固材料和技术,如碳纤维增强聚合物(CFRP)片材加固、钢板加固等[7]。最后进行加固设计计算和分析,确定加固材料的数量和布置方式,进行施工过程的监控和质量控制,确保加固效果符合设计要求[8]。

混凝土加固设计对于保障混凝土结构的安全性和使用寿命具有重要意义。论文主要分析粘贴碳纤维布的加固方法,阐述了加固前后的措施及效果。

1 模型建立

以钢筋混凝土加固柱为实例进行建模分析,所取厂房主体结构形式为混凝土框架结构,对易损混凝土柱进行粘贴CFRP的方式进行加固,加固柱后改造部位设计使用年限为30年。加固改造部位为框架结构,基本风压为0.60 kN/m2,基本雪压为0.20 kN/m2,抗震设防烈度为6°,地震分组为第一组,基本地震加速度为0.05g。对承载力不足的混凝土框架柱进行粘贴CFRP布进行加固;新增梁板与原有梁板柱采用化学植筋法连接。需加固混凝土柱在平面布置图中位置示意如图1(a)所示,采用CFRP布加固的混凝土柱建模流程如图1(b)所示。混凝土和钢筋均采用C3D8R模型单元,钢筋的受拉本构关系采用弹塑性的双直线模型,钢筋的受压本构关系采用完全理想弹塑性的双折线模型,混凝土本构关系采用塑性损伤模型。CFRP的本构关系采用应力-应变关系表达式。共模拟了两种尺寸的混凝土柱,其中8根CFRP加固柱和4根普通混凝土柱。

2 项目检测与承载力计算

2.1 混凝土抗压强度

通过对实际混凝土柱的抗压强度进行钻孔取样,然后分别进行重新养护后再进行混凝土抗压强度试验,混凝土取芯示意如图2(a)所示,结构材料强度检测结构见表1。为准确对比粘贴CFRP对混凝土抗压强度的影响,采用混凝土碳化深度测量仪分别对粘贴CFRP和不粘贴CFRP的抗压强度试件进行碳化深度测量,混凝土碳化深度测量完毕后,应选择测区内部平均测量碳化深度值对混凝土材料强度进行修正。最后对两组圆柱体试件进行抗压强度试验,测得的粘贴CFRP和不粘贴CFRP的试件抗压强度变化趋势如图2(b)所示。不同养护时间对应的混凝土抗压强度值可由式(1)计算得到。

(1)

式中,t为试件养护时间(d);fcu(t)和fcu(28)分别为养护td和28 d时的混凝土抗压强度值(MPa)。

表1 结构材料强度检测

采用浓度为1%的酚酞酒精溶液测试该结构混凝土构件的碳化深度,结果表明CFRP加固混凝土柱的碳化深度小于普通混凝土柱的碳化深度。普通混凝土柱的碳化深度大于1.0 mm,而CFRP加固柱的碳化深度小于1.0 mm。钢筋混凝土柱应力集中显著的区域位于柱中区域,在加固混凝土柱的同时增设混凝土梁和板,新增梁板与原有梁板柱采用化学植筋法连接。对混凝土强度不足且碳化深度较大的混凝土框架柱进行加大截面法加固、对混凝土强度不足且配筋与设计不符的柱进行粘贴碳纤维布法加固。

2.2 结构钢筋应力分析

为分析内部结构钢筋在荷载作用下的应力-应变关系,对CFRP加固柱和普通柱的内部钢筋进行检测,同时采用ABAQUS模拟荷载激励作用下的应力分布。钢筋外形系数取0.14,锈蚀程度对钢筋应力-应变的关系忽略不计,混凝土表面的蜂窝、麻面等现象因对极限荷载影响较小,模拟时不予考虑。加固柱的内部钢筋应力检测示意图如图3(a)所示。通过结构钢筋尺寸、间距、外形和锈蚀情况的检测可粗略估计结构的质量状况,上部承重混凝土柱的钢筋应力水平较低。钢筋内部应力模拟如图3(b)所示,钢筋采用TRUSS单元模拟,纵向钢筋和横向箍筋装配形成钢筋笼,并采用桁架T3D2单元模块。经模拟发现:加固柱内部钢筋应力水平大于普通柱的内部钢筋最大应力,钢筋最大应力为250.8 MPa,以此可看出CFRP加固措施对结构质量的评估有利。

2.3 黏结强度与受拉损伤关系

评估CFRP加固柱的黏结性能有利于结构承载力的准确预测,因此采用黏结强度仪对梁构件的碳纤维片材粘结质量进行现场检验。随机选取10%混凝土加固柱,以每根受检构件为一检验组,每组3个检验点。碳纤维加固柱的损伤模拟示意图如图4(a)所示,柱内黏结应力计算如式(2)所示,钢筋内部拉力由式(3)计算得到。黏结应力在柱中分布与柱中受拉损伤分布相近,黏结强度最大值位于柱中位置处。同时采用拉拔测试仪对加固前后的混凝土柱进行粘结质量检测,对各楼层的承重部位进行拉拔粘结推定,发现拉拔强度推定值稳定在2.1 MPa左右。加固柱的正粘结强度提升约10%,模拟结果显示柱中损伤程度降低12%。加固柱的荷载挠度曲线如图4(b)所示,可以看出CFRP加固柱的挠度显著小于普通混凝土柱和素混凝土柱的柱中挠度。

(2)

(3)

式中,F为柱内钢筋拉力(kN);τ为计算黏结应力(MPa);Es为钢筋弹性模量(MPa);ε为钢筋应变;d为钢筋直径(mm)。

2.4 位移及应力模拟分析

根据结构静载荷试验区间的选取原则,选取直径600 mm的混凝土加固柱进行位移模拟和应力模拟试验。模拟试验结果表明,柱的挠度限值为15.3 mm,现场实测加固柱的挠度最大值0.06 mm,说明粘贴CFRP布的挠度符合承载力要求,卸载后加固柱最大残余应变约为3.8×10-6,此时粘贴CFRP布的加固柱在正常使用极限状态下结构处于弹性变形阶段。粘贴CFRP布加固柱的位移模拟试验结果如图5(a)所示,可以看出顶端荷载激励处的位移处于最大值,最大位移为15.3 mm,位移沿柱顶向柱底逐渐降低。位移模拟图网格尺寸选用20 mm和40 mm两种规格,网格尺寸小的模拟结果更准确。CFRP加固柱应力模拟结果如图5(b)所示,应力模拟结果为钢筋混凝土共同作用下的结果。结果表明:柱顶和柱底的应力大于柱中应力,应力分布与位移分布存在微小差异,距离柱顶400 mm处存在应力集中现象。裂缝的出现与结构承载力发展水平密切相关,因此对加固后的混凝土构件进行裂缝测量十分必要。应力集中斑点处产生最大宽度裂缝,损伤程度随裂缝宽度增大而增大。加载过程中,出现最大裂缝宽度为0.18 mm,最大裂缝宽度限值为

0.3 mm,裂缝宽度没有超限,而卸载后,裂缝恢复,应力水平小幅回升。

2.5 应变测量

每根混凝土柱的跨中布置5个应变测点,应变模拟见图6(a)。可以看出应变分布与受拉损伤区域的分布相近,将模拟数据进行后处理,得到CFRP加固柱和普通柱的荷载挠度曲线,如图6(b)所示。由图6(b)可以看出:CFRP加固钢筋混凝土柱的荷载挠度曲线较普通柱的荷载挠度曲线更高,极限承载力提升了12.8%。荷载挠度曲线显示CFRP加固柱的残余挠度小于普通柱的残余挠度,加固柱的刚度比普通钢筋混凝土柱的刚度要大,且加固的钢筋混凝土柱延性更低,脆性更大。CFRP保护层的应用改变了钢筋混凝土柱的极限承载力、耗能能力、刚度、延性和变形能力,出现这一情况的原因是粘贴CFRP相当于增大了试件截面,极限承载力等因素也随之相应改变,从而显著改变了钢筋混凝土柱的承载能力。

3 结 论

通过有限元模拟CFRP加固混凝土柱的轴压性能,进行了混凝土抗压强度、钢筋应力-应变分析及荷载挠度测定,确定了CFRP加固柱的性能评估方法,得到了以下结论:

a.CFRP加固的钢筋混凝土柱使承载能力提升了112.8%,且加固柱承载能力随损伤程度增大而不断降低,CFRP加固也可降低混凝土的碳化程度,提高柱内钢筋应力水平。

b.根据有限元模拟CFRP加固柱的位移、应力、应变及损伤程度,分析发现加固柱的破坏发生在柱中位置处,损伤程度沿着应力降低水平而降低。CFRP加固混凝土柱的应力-应变分布规律与位移分布规律相近。

c.粘贴CFRP纤维布的加固方式大大提高了结构的承载力及耐久性,可快速满足灾后结构加固承载力要求。