CFRP加固鋼筋混凝土柱承載力模擬分析

李路彬

(中國建筑設計研究院有限公司,北京 100032)

混凝土結構在現代建筑中應用廣泛而普遍,結構在服役過程中隨時間推移和外界影響因素的侵蝕,結構會出現開裂、變形和強度損失等問題。為保證結構服役期內的使用安全性,混凝土加固設計成為一項重要任務。長期荷載和外部侵蝕對結構的材料性能影響顯著,混凝土結構可能出現裂縫、變形和強度下降等問題,這些問題對結構的穩定性和安全性構成威脅。通過加固設計,可以修復和強化受損的混凝土結構,延長其使用壽命,降低維護成本,并確保人們的生命財產安全。

李鵬鵬[1]進行了CFRP布加固砌體結構的抗壓強度試驗,同時分析了粘貼2層和3層CFRP布對砌體抗壓承載力的增強效果,并對加固結構的裂縫形態、破壞模式和加固原理進行總結,研究發現粘貼CFRP布的加固方式可提高混凝土結構的承載能力和抗震性能。通過不同的加固材料和加固技術可提高結構的承載能力及剛度,抗震性能顯著提升,從而減少地震荷載激勵對結構的危害[2-4]。加固設計可以修復和加固老化和受損的混凝土結構,避免結構失效和意外事故的發生。程東輝等[5]對3組翼緣與腹板轉角處CFRP布錨固的鋼筋混凝土柱進行軸心受壓試驗,得到了試件的極限荷載、軸向變形及破壞模式,提出了CFRP約束下鋼筋混凝土柱極限承載力的計算公式。

在混凝土加固設計的研究方法方面,需要對混凝土結構進行全面的檢測和評估,包括結構的承載能力、裂縫情況、變形程度等[6]。其次,根據結構的具體情況和問題,選擇合適的加固材料和技術,如碳纖維增強聚合物(CFRP)片材加固、鋼板加固等[7]。最后進行加固設計計算和分析,確定加固材料的數量和布置方式,進行施工過程的監控和質量控制,確保加固效果符合設計要求[8]。

混凝土加固設計對于保障混凝土結構的安全性和使用壽命具有重要意義。論文主要分析粘貼碳纖維布的加固方法,闡述了加固前后的措施及效果。

1 模型建立

以鋼筋混凝土加固柱為實例進行建模分析,所取廠房主體結構形式為混凝土框架結構,對易損混凝土柱進行粘貼CFRP的方式進行加固,加固柱后改造部位設計使用年限為30年。加固改造部位為框架結構,基本風壓為0.60 kN/m2,基本雪壓為0.20 kN/m2,抗震設防烈度為6°,地震分組為第一組,基本地震加速度為0.05g。對承載力不足的混凝土框架柱進行粘貼CFRP布進行加固;新增梁板與原有梁板柱采用化學植筋法連接。需加固混凝土柱在平面布置圖中位置示意如圖1(a)所示,采用CFRP布加固的混凝土柱建模流程如圖1(b)所示。混凝土和鋼筋均采用C3D8R模型單元,鋼筋的受拉本構關系采用彈塑性的雙直線模型,鋼筋的受壓本構關系采用完全理想彈塑性的雙折線模型,混凝土本構關系采用塑性損傷模型。CFRP的本構關系采用應力-應變關系表達式。共模擬了兩種尺寸的混凝土柱,其中8根CFRP加固柱和4根普通混凝土柱。

2 項目檢測與承載力計算

2.1 混凝土抗壓強度

通過對實際混凝土柱的抗壓強度進行鉆孔取樣,然后分別進行重新養護后再進行混凝土抗壓強度試驗,混凝土取芯示意如圖2(a)所示,結構材料強度檢測結構見表1。為準確對比粘貼CFRP對混凝土抗壓強度的影響,采用混凝土碳化深度測量儀分別對粘貼CFRP和不粘貼CFRP的抗壓強度試件進行碳化深度測量,混凝土碳化深度測量完畢后,應選擇測區內部平均測量碳化深度值對混凝土材料強度進行修正。最后對兩組圓柱體試件進行抗壓強度試驗,測得的粘貼CFRP和不粘貼CFRP的試件抗壓強度變化趨勢如圖2(b)所示。不同養護時間對應的混凝土抗壓強度值可由式(1)計算得到。

(1)

式中,t為試件養護時間(d);fcu(t)和fcu(28)分別為養護td和28 d時的混凝土抗壓強度值(MPa)。

表1 結構材料強度檢測

采用濃度為1%的酚酞酒精溶液測試該結構混凝土構件的碳化深度,結果表明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。鋼筋混凝土柱應力集中顯著的區域位于柱中區域,在加固混凝土柱的同時增設混凝土梁和板,新增梁板與原有梁板柱采用化學植筋法連接。對混凝土強度不足且碳化深度較大的混凝土框架柱進行加大截面法加固、對混凝土強度不足且配筋與設計不符的柱進行粘貼碳纖維布法加固。

2.2 結構鋼筋應力分析

為分析內部結構鋼筋在荷載作用下的應力-應變關系,對CFRP加固柱和普通柱的內部鋼筋進行檢測,同時采用ABAQUS模擬荷載激勵作用下的應力分布。鋼筋外形系數取0.14,銹蝕程度對鋼筋應力-應變的關系忽略不計,混凝土表面的蜂窩、麻面等現象因對極限荷載影響較小,模擬時不予考慮。加固柱的內部鋼筋應力檢測示意圖如圖3(a)所示。通過結構鋼筋尺寸、間距、外形和銹蝕情況的檢測可粗略估計結構的質量狀況,上部承重混凝土柱的鋼筋應力水平較低。鋼筋內部應力模擬如圖3(b)所示,鋼筋采用TRUSS單元模擬,縱向鋼筋和橫向箍筋裝配形成鋼筋籠,并采用桁架T3D2單元模塊。經模擬發現:加固柱內部鋼筋應力水平大于普通柱的內部鋼筋最大應力,鋼筋最大應力為250.8 MPa,以此可看出CFRP加固措施對結構質量的評估有利。

2.3 黏結強度與受拉損傷關系

評估CFRP加固柱的黏結性能有利于結構承載力的準確預測,因此采用黏結強度儀對梁構件的碳纖維片材粘結質量進行現場檢驗。隨機選取10%混凝土加固柱,以每根受檢構件為一檢驗組,每組3個檢驗點。碳纖維加固柱的損傷模擬示意圖如圖4(a)所示,柱內黏結應力計算如式(2)所示,鋼筋內部拉力由式(3)計算得到。黏結應力在柱中分布與柱中受拉損傷分布相近,黏結強度最大值位于柱中位置處。同時采用拉拔測試儀對加固前后的混凝土柱進行粘結質量檢測,對各樓層的承重部位進行拉拔粘結推定,發現拉拔強度推定值穩定在2.1 MPa左右。加固柱的正粘結強度提升約10%,模擬結果顯示柱中損傷程度降低12%。加固柱的荷載撓度曲線如圖4(b)所示,可以看出CFRP加固柱的撓度顯著小于普通混凝土柱和素混凝土柱的柱中撓度。

(2)

(3)

式中,F為柱內鋼筋拉力(kN);τ為計算黏結應力(MPa);Es為鋼筋彈性模量(MPa);ε為鋼筋應變;d為鋼筋直徑(mm)。

2.4 位移及應力模擬分析

根據結構靜載荷試驗區間的選取原則,選取直徑600 mm的混凝土加固柱進行位移模擬和應力模擬試驗。模擬試驗結果表明,柱的撓度限值為15.3 mm,現場實測加固柱的撓度最大值0.06 mm,說明粘貼CFRP布的撓度符合承載力要求,卸載后加固柱最大殘余應變約為3.8×10-6,此時粘貼CFRP布的加固柱在正常使用極限狀態下結構處于彈性變形階段。粘貼CFRP布加固柱的位移模擬試驗結果如圖5(a)所示,可以看出頂端荷載激勵處的位移處于最大值,最大位移為15.3 mm,位移沿柱頂向柱底逐漸降低。位移模擬圖網格尺寸選用20 mm和40 mm兩種規格,網格尺寸小的模擬結果更準確。CFRP加固柱應力模擬結果如圖5(b)所示,應力模擬結果為鋼筋混凝土共同作用下的結果。結果表明:柱頂和柱底的應力大于柱中應力,應力分布與位移分布存在微小差異,距離柱頂400 mm處存在應力集中現象。裂縫的出現與結構承載力發展水平密切相關,因此對加固后的混凝土構件進行裂縫測量十分必要。應力集中斑點處產生最大寬度裂縫,損傷程度隨裂縫寬度增大而增大。加載過程中,出現最大裂縫寬度為0.18 mm,最大裂縫寬度限值為

0.3 mm,裂縫寬度沒有超限,而卸載后,裂縫恢復,應力水平小幅回升。

2.5 應變測量

每根混凝土柱的跨中布置5個應變測點,應變模擬見圖6(a)。可以看出應變分布與受拉損傷區域的分布相近,將模擬數據進行后處理,得到CFRP加固柱和普通柱的荷載撓度曲線,如圖6(b)所示。由圖6(b)可以看出:CFRP加固鋼筋混凝土柱的荷載撓度曲線較普通柱的荷載撓度曲線更高,極限承載力提升了12.8%。荷載撓度曲線顯示CFRP加固柱的殘余撓度小于普通柱的殘余撓度,加固柱的剛度比普通鋼筋混凝土柱的剛度要大,且加固的鋼筋混凝土柱延性更低,脆性更大。CFRP保護層的應用改變了鋼筋混凝土柱的極限承載力、耗能能力、剛度、延性和變形能力,出現這一情況的原因是粘貼CFRP相當于增大了試件截面,極限承載力等因素也隨之相應改變,從而顯著改變了鋼筋混凝土柱的承載能力。

3 結 論

通過有限元模擬CFRP加固混凝土柱的軸壓性能,進行了混凝土抗壓強度、鋼筋應力-應變分析及荷載撓度測定,確定了CFRP加固柱的性能評估方法,得到了以下結論:

a.CFRP加固的鋼筋混凝土柱使承載能力提升了112.8%,且加固柱承載能力隨損傷程度增大而不斷降低,CFRP加固也可降低混凝土的碳化程度,提高柱內鋼筋應力水平。

b.根據有限元模擬CFRP加固柱的位移、應力、應變及損傷程度,分析發現加固柱的破壞發生在柱中位置處,損傷程度沿著應力降低水平而降低。CFRP加固混凝土柱的應力-應變分布規律與位移分布規律相近。

c.粘貼CFRP纖維布的加固方式大大提高了結構的承載力及耐久性,可快速滿足災后結構加固承載力要求。