CFRP加固銹蝕混凝土柱抗震性能數(shù)值模擬研究

張鵬飛，冷玲倻

（江西科技學院 土木工程學院，江西 南昌 330098）

CFRP加固銹蝕混凝土柱抗震性能數(shù)值模擬研究

張鵬飛，冷玲倻

（江西科技學院 土木工程學院，江西 南昌 330098）

近些年，CFRP在國內外被廣泛的應用，關于CFRP加固銹蝕混凝土柱的研究，試驗多于數(shù)值模擬。采用OpenSEES，對CFRP加固銹蝕混凝土柱的抗震性能進行非線性分析，并與試驗結果進行了比較，分析結果表明，考慮銹蝕鋼筋粘結滑移并選擇合理的材料，可以很好的預測纖維加固銹蝕混凝土的柱抗震力學性能。

OpenSEES；CFRP加固；銹蝕鋼筋混凝土柱；抗震性能；水平往復荷載；滯回性能

0 引言

CFRP加固混凝土柱抗震性能的研究是加固結構抗震研究的基礎。為了能夠更好的、更加全面的研究其抗震性能，則需要對多組柱子在往復荷載下進行抗震性能的試驗研究。但對于CFRP加固銹蝕混凝土柱的試驗研究有一定的局限性，如試件的制作周期長、工序較復雜等等；目前，多數(shù)研究是基于試驗數(shù)據(jù)的分析，采用數(shù)值方法模擬其抗震性能的研究還很少。因此，基于上述兩點原因，很有必要選擇一款實用的有限元軟件，對CFRP加固銹蝕混凝土柱抗震性能進行快速的預測。

1 試驗概況

1.1 試驗數(shù)據(jù)

試驗數(shù)據(jù)來源于河北聯(lián)合大學，本次試驗的柱子共分為3組共六根。其中，四根通過一定的方法進行加速銹蝕處理，再把其中銹蝕的兩根柱子做加固處理。實測混凝土強度為36Mpa。所有的柱子均采用HRB400的變形鋼筋，直徑為12mm，屈服強度429 N/mm2，箍筋采用HPB235，直徑為6mm，屈服強度320 N/mm2，雙肢箍，間距加密區(qū)50mm，非加密區(qū)100mm，截面配筋率為2.01%。柱子高度1100mm，截面尺寸為150mm×150mm。混凝土保護層厚度為15mm。試件截面及配筋具體如圖1所示。

圖1 未銹蝕鋼筋混凝土柱的尺寸

1.2 CFRP加固銹蝕混凝土試件的制作

試件銹蝕完成后進行縱向鋼筋的除銹工作，由于混凝土表面出現(xiàn)了沿縱向鋼筋的順筋裂縫，所以需要剔除裂縫處的混凝土保護層，用鋼絲刷除去縱向鋼筋表面的銹。除銹完成后，并用聚合物砂漿修復混凝土保護層，最后進行CFRP加固。碳纖維布的力學性能如表1所示。

表1 碳纖維布的主要力學性能指標

2 OpenSees數(shù)值模擬

2.1 混凝土本構模型

鋼筋銹蝕后，鋼筋與混凝土之間的粘結力會下降，為了考慮鋼筋粘性退化的影響，需要在桿件單元的端部增加一個零長度截面單元。這使得桿件單元的鋼筋本構和零長度截面單元的鋼筋本構不盡相同。在加載的過程中，為了使這兩種鋼筋協(xié)同工作，混凝土的本構模型采用的是Concrete01材料，本構模型采用的是Mander模型[1]，如圖2所示。

圖2 Concrete01材料的參數(shù)

式中：fcc'，εcc—分別為約束混凝土極限應力和應變；

fco'、εco—分別為無約束混凝土峰值應力和應變；

Ass、s—箍筋的截面面積、箍筋的間距；

fl'—箍筋提供的側向約束應力，fsy—箍筋屈服強度。

2.2 鋼筋本構

鋼筋采用的模型為：這個材料模型的本構是由Menegotto和Pinto(1973)[2]提出的，采用的表達式為應變的顯函數(shù)，可以很好的反應Bauschinger效應，且計算效率很高。模型的表達式如下所示：

Steel02本構關系的數(shù)學表達式為：

公式中的（σ0，ε0）和（σr，εr）的含義具體見圖3，b為應變硬化率，R是影響過度曲線形狀的參數(shù)，它反映了Bauschinger效應。

該模型在進行參數(shù)輸入時，對模擬結果起決定性作用的兩個參數(shù)是屈服強度fy和鋼筋的硬化率α。R0、CR1、CR2為控制鋼筋從彈性階段向硬化階段過渡的三個參數(shù)，取 R0=16、CR1=0.925、CR2=0.15，另外為了便于考慮材料各向同性硬化，α1和α3取值為1.0，α2和 α4取值為 0。

圖3 Steel02材料的參數(shù)

2.3 鋼筋銹蝕后粘結滑移的本構

處理粘結滑移用的材料單元為：Bond_SP01[3]。這個命令是用于構造一個單軸材料對象用于捕獲在柱腳的節(jié)點處應變滲透效應。Bond_SP01的單調加載的本構關系如圖4所示，σˉ是標準的鋼筋應力；Sˉ是標準的鋼筋滑移；b是剛度折減系數(shù)，代表最初的曲線部分開始屈服的初始斜率；fy和fu代表的是鋼筋的屈服強度和極限強度；Sy和Su是鋼筋在加載部位分別對應達到鋼筋屈服強度和極限強度的滑移。考慮粘結滑移最關鍵的為屈服滑移量的確定，其公式如式（7）所示。

圖4 Steel02材料粘結滑移本構

式中，α為局部粘結滑移系數(shù)，在本文的研究根據(jù)CEB-FIP Model90規(guī)范，取α為0.4；剛度折減系數(shù)b以及鋼筋直徑同樣也是決定鋼筋和混凝土粘結滑移性能的參數(shù)。然而，現(xiàn)在卻沒有足夠的試驗數(shù)據(jù)用來進行線性回歸去建立這個函數(shù)。本文只能根據(jù)趙健的建議取Su=30～40Sy，b=0.3～0.5。

2.4 建立模型

本文采用的為二維坐標下三個自由度的建模方法，節(jié)點的編號、零長度單元的位置和單元劃分如圖5所示。

圖5 節(jié)點編號及單元劃分

分析計算時采用細化的纖維模型—Fiber Section。采用纖維模型分析時，對構件的橫截面進行了分區(qū)，混凝土根據(jù)所受約束的情況分為約束混凝土部分和非約束混凝土部分；鋼筋按照其與混凝土的位置劃分為不同的纖維，具體劃分如圖5中SectionAA所示。橫截面纖維劃分的密度決定數(shù)值計算的精度，經(jīng)過大量的模擬計算發(fā)現(xiàn)，對于矩形截面，纖維數(shù)目達到40左右即可取得足夠的計算精度[4]。對于整個構件，計算構件的柔度矩陣采用的是Newton積分法，每個積分點位置處的截面都采用纖維模型模擬，積分點的數(shù)目通常為4到5個。

建立模型采用的各個參數(shù)均是由材料的本構關系計算得出的，具體的數(shù)值見表2～4。

表2 混凝土材料控制點參數(shù)

表3 鋼筋本構關系控制點輸入

表4 鋼筋粘結滑移本構關系控制點輸入

3 結果分析

圖6為箍筋約束混凝土的柱頂位移與柱底剪力的關系曲線，其中Z7-F-考慮了粘結滑移的影響，Z7-U-不考慮粘結滑移的影響。圖 6（a）和圖 6（b）為考慮粘結滑移時，模擬結果和試驗結果的對比圖，通過對比分析可知：考慮粘結滑移的建模方法可以很好的模擬箍筋約束混凝土柱的力學性能。圖6（c）和圖26（d）為考慮粘結滑移與不考慮的結果對比，從對比中可以看出，考慮粘結滑移后，柱的剛度相對于不考慮粘結滑移情況的有所減弱，柱的柔度相對增加，其抗震性能相對有所增強。

圖6 箍筋約束混凝土柱頂位移與柱底剪力關系

圖7為Z7和Z8柱頂位移和柱底剪力的關系曲線圖，從圖可以分析得到：無論是否考慮縱筋粘結滑移，所得的計算值和試驗值的極限強度相差不大，在破壞時所承受的極限力基本相同；但考慮粘結滑移的情況和試驗結果更加吻合，這是因為不考慮粘結滑移時，柱的剛度較大，較小的變形下，力的增長速度較快。所以，在上升段不考慮粘結滑移情況的柱頂?shù)奈灰菩∮诳紤]粘結滑移的。

圖7 箍筋約束混凝土柱頂位移與柱底剪力關系

4 結論與展望

鋼筋銹蝕后，其本身截面和力學性能都會發(fā)生一定的變化，通過考慮銹蝕鋼筋通過選擇合理的混凝土和鋼筋的材料本構，用零長度截面單元將纖維單元組合成構件單元的方法，可以較好的模擬CFRP加固銹蝕混凝土柱的抗震性能。

[1]Mander J R,Priestley M J N,Park R.Theoretical Stress-strain Model for Concrete [J].Journal of Structural Engineering.1988,114(8)：1804-1826.

[2]MAZZONI S,MCKENNA F,SCOTT M H,et al.OpenSees users manual [R].Berkeley：Univ.of California,2006.

[3]Jian Zhao, SriSritharan. Modeling of Strain Penetration Effectsin Fiber-Based Analysisof Reinforced Concrete Structure[J].ACI Structural,2007,104-S14：133-141.

[4]陳滔.基于有限單元柔度法的鋼筋混凝土框架三維非彈性地震反應分析[D].重慶大學博士學位論文.2003.

（責任編輯：陳 輝）

Simulation Research on CFRP Strengthening Corroded Reinforced Concrete Columns in Seismic Performance

ZHANG Peng-fei LENG Ling-ye
(The Civil Engineering Department of Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China)

In recent years,CFRP is widely used both at home and abroad.The numbers of experiments about the research on CFRP reinforcing corrosion concrete are more than numerical simulation.In this paper,OpenSEES has been used to make the numerical simulation on nonlinear analysis of the CFRP reinforcement corrosion concrete column seismic behavior.And they were compared with the results of the experiments.The results of analysis show that we can well predict seismic performance of CFRP strengthening corrosion concrete by choosing reasonable material bondslip constitutive.

OpenSEES；CFRP reinforcement；corroded reinforced concrete column；seismic performance；horizontal reciprocating load

TU377

A

123（2014）01-0050-04

2013-11-19

張鵬飛（1986-），男，河北鹿泉人，江西科技學院，碩士。

研究方向：結構工程和防震減災。

河北省科技支撐計劃項目資助（11276912D）。