預應力CFRP加固混凝土圓柱抗震性能分析

梁栩華

(桂林理工大學 土木與建筑工程學院, 廣西 桂林 541004)

現澆混凝土柱作為重要的結構構件,對建筑物整體的抗震性能起到至關重要的作用[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義。

纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer,FRP)具有高強度、輕質、高彈模等優點,已被廣泛用于結構加固領域。CFRP片材粘貼加固混凝土柱,可有效改善框架柱的位移延性和耗能能力[3-4]。但已有試驗研究表明CFRP粘貼包裹加固存在應力應變滯后效應,即在混凝土受力產生破壞后CFRP才對構件產生約束,未能充分發揮CFRP的優異特性[5]。為有效地改善應力應變滯后效應,預應力加固技術被提出[6-7],該技術還可以施加不同預應力度和不同層數的加固。Cheng等[8]等對碳纖維布加固混凝土圓柱和方柱的抗壓強度影響因素進行了試驗和數值研究,結果表明,兩層預應力CFRP約束混凝土圓柱與未加固混凝土柱相比,預應力為600 MPa時,承載力最高可提高170%。周長東等[9]研究了單層預應力CFRP加固對圓柱殘余承載力和延性的影響,對45個圓柱試樣進行了同心和偏心、單次和循環的加載。結果表明,在預應力為7%碳纖維布極限應變約束下的圓柱試件較未受約束試件軸壓承載力平均提高360%,位移延性提高了10倍。為研究單層不同預應力度的碳纖維布加固和高軸壓比下混凝土圓柱的抗震性能,王強等[10]對混凝土圓柱進行了低周往復荷載試驗。結果表明,高軸壓比下,較之未加固柱,預應力度0.2的單層CFRP主動約束混凝土加固柱側向承載力提高了50%,極限位移提高了3.75倍。在地震中柱底塑性鉸的開展對于結構整體的抗震性能有著重要的影響,在不同的預應力加固高度下,塑性鉸的開展情況會出現變化,影響構件的承載力和位移延性能力。所以不同的加固高度和層數,對加固效率和經濟效益也有著重要的影響。

本文對4根現澆混凝土圓柱進行了低周往復荷載試驗,從位移延性、耗能能力、破壞形態和承載力等方面,分析在不同軸壓比下預應力CFRP加固對現澆混凝土試件的抗震性能的影響,并利用Abaqus進行了不同CFRP高度和不同層數加固的有限元分析。

1 試驗

1.1 試件設計

本文試驗設計了4根混凝土圓柱,其中2根采用預應力CFRP加固,2根為未加固柱,試件參數見表1。圓柱截面直徑為300 mm。柱高為1 225 mm,所有柱的剪跨比為4.0,保護層厚度為25 mm,8根直徑為12 mm的縱筋。箍筋直徑為8 mm,間距100 mm,試件具體尺寸如圖1所示。RC代表現澆混凝土圓柱,S代表預應力加固,24與48分別對應0.24與0.48的軸壓比。加固試件的預應力度均為0.3,代表0.3倍的碳纖維布極限應變,用于表征預應力的大小。

表1 試件參數表

(a)試件加固

1.2 材料力學性能

各試件均采用C35等級強度混凝土,并在澆筑的同時制作試塊,測得標準立方體抗壓強度為43.65 MPa,棱柱體抗壓強度為36.85 MPa,混凝土極限應變為0.003。各試件縱筋均采用HRB400級鋼筋,箍筋選用HPB300級鋼筋。CFRP選用單向碳纖維布,寬度為150 mm,厚度為0.167 mm。各材料具體性能參數見表2。

表2 材料性能表

1.3 測試設置

在低周往復荷載試驗中,伺服作動器施加水平承載力,豎向力由液壓千斤頂施加,水平加載制度采用位移控制。在最初的4個位移角中(位移角從0.1%增加到0.33%),每級以單次循環加載,之后每級位移角以3次循環加載。當試件橫向承載力下降至85%以下,試件破壞,試驗結束。加載制度如圖2所示。

圖2 加載制度

1.4 錨具介紹

預應力由圖3中的錨具施加。預應力錨具[11]由楔片、錨固端、楔片端和高強螺栓組成。錨頭中縫邊緣采用倒圓角設計,以減少應力集中,防止其割壞CFRP布材。該錨具可根據建筑物受損情況,依需調整不同的預應力度和加固層數,快速完成受損結構的修復。

圖3 預應力錨具

1.5 試驗結果

如圖4所示,試件RC-24試驗現象:位移角至0.8%時,距柱底200 mm范圍內出現多條水平裂縫;位移角至1.1%時,縱筋屈服,裂縫沿柱表面貫通;最終位移角至2.7%時,柱根部混凝土出現少量脫落,試件水平荷載下降至峰值荷載的85%以下,試驗結束。RC-24的破壞形態為彎曲破壞。隨著軸壓比增加,試件RC-48的柱根部混凝土壓碎脫落,裂縫發展充分,底部混凝土脫落較為嚴重,破壞形態為彎剪破壞。

(a)RC-24

RCS-24現象:當位移角至1.1%時,試件屈服,隨著位移的增大,裂縫呈現多而密的趨勢;位移角至2.8%時,水平承載力達到峰值,底部水平裂縫不斷開展貫通,混凝土表面起皮加劇,首層碳纖維布出現多處斷絲;最后位移角加載到4.4%時,受壓側柱根部混凝土有少量壓碎,并伴隨有碳纖維布持續的斷絲,承載力下降至峰值荷載的85%以下,試驗結束。RCS-24的破壞形態為彎曲破壞。試件RCS-48的破壞過程與試件RCS-24大致相同,但有所區別,軸力的增大延遲了試件水平裂縫的形成與發展,斜裂縫的開展速度和裂縫寬度明顯增大,柱底表層混凝土剝落和碳纖維布斷絲更加嚴重。

1.6 滯回曲線

如圖5所示,試件加固后滯回曲線形狀飽滿,剛度退化速率降低,位移循環次數與極限位移顯著增加。破壞過程較緩慢,表現出較好的抗震性能,尤其是試件加固后的塑性變形和耗能提高幅度明顯。隨著軸壓比的提高,加固柱與未加固柱都表現出滯回曲線的飽滿程度下降的趨勢,試件滯回環所包圍的面積和殘余變形出現明顯的減小。峰值荷載后試件的承載力退化速率加快,滯回環循環數量減少,且未加固柱隨軸壓比的改變對各抗震特征值的影響較大,而軸壓比對加固柱的影響趨于減弱。

(a)RC-24

1.7 骨架曲線

從圖6骨架曲線中發現,混凝土圓柱經CFRP預應力加固后,其初始抗側剛度未出現增大,但屈服荷載有明顯的提高,試件屈服后塑性階段的位移明顯增大,其變形能力增強。對于加固后的高軸壓比試件該特點表現得尤為明顯,加固后峰值荷載也有一定程度提高。隨著軸壓比增大,未加固柱與加固柱都表現為彈塑性階段抗側剛度有所提高,屈服荷載與峰值荷載有不同程度增加,但未加固試件在峰值荷載后,骨架曲線的下降段較短較陡。這是因為軸壓比的提高雖限制了早期裂縫的開展,增加了混凝土受壓區高度,加快了剛度和強度退化速率;較為不同的是,隨著軸壓比的增大加固柱的變形和耗能能力依然具有良好的表現。

圖6 試驗骨架曲線

1.8 延性

采用位移延性系數表征是試件的延性性能按公式(1)計算

μ=Δu/Δy。

(1)

式(1)中:Δu是試件達到極限荷載時的柱頂平均水平位移,Δy是試件屈服時的柱頂平均水平位移。對比表3中的各組試件的延性系數和位移角后可知,試件加固后位移延性得到了較大幅度的提升。但未加固柱與加固柱的位移延性系數與極限位移角都隨著軸壓比的增加有所減小。主要由于軸力的增大,加速了混凝土斜裂縫的開展和損傷,減弱了縱筋的塑性變形能力。試件RC-48比RC-24的延性系數降低了16.3%,RCS-48比RCS-24則降低了18.6%。試件經加固后隨著軸壓比的增加延性系數下降程度減小,表明預應力CFRP有利于提高高軸壓比柱的延性。

表3 試件試驗結果

1.9 耗能

各試件累計耗能如表3所示。對比各試件耗能值發現,采用預應力CFRP加固可大幅改善試件的耗能水平。預應力CFRP加固對提試件的耗能能力效果顯著。加固柱與未加固柱的耗能能力伴隨著軸壓比的增大出現下降趨勢,其中試件RC-48較RC-24的耗能降低了39.5%,而RCS-48較RCS-24則降低了13.2%,即加固后柱的耗能水平隨軸壓比增加降低幅度減弱。表明采用預應力CFRP加固有利于抑制高軸壓比對試件的損傷。

2 數值分析

采用SIMULIA公司開發的Abaqus軟件,進行不同CFRP高度和不同層數加固下預應力CFRP加固混凝土圓柱的數值仿真模擬。

2.1 本構關系及材料性能

各材料應力-應變曲線如圖7所示?；炷敛捎盟苄該p傷模型本構,其單軸應力應變曲線[12]見圖7(a),縱筋和箍筋采用雙折線硬化彈塑性模型[9]。CFRP是各向異性材料,對其進行簡化處理,應力-應變曲線采用理想的線彈性模型[13]。

(a)混凝土應力應變曲線

(a)模型正視圖

混凝土單軸受壓時的應力-應變關系由(2)-(6)確定:

σ=(1-dc)Ecε,

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(2)～(6)中,σ為單軸應力值;dc為混凝土單軸受壓損傷參數;αd為受壓應力-應變下降段參數;fc.r為混凝土抗壓強度代表值;εc.r為混凝土單軸受壓峰值應壓變。

混凝土受拉本構模型的單軸受拉應力-應變曲線,由(7)～(10) 確定:

σ=(1-dt)Ecε,

(7)

(8)

(9)

(10)

式(7)～(10)中,αt為混凝土受拉下降段參數;ft.r為受拉混凝土強度代表值;εt.r為受拉混凝土峰值應變;dt為受拉混凝土損傷參數。

2.2 模型各材料參數的選定

混凝土模擬參數參考文獻[14]設置,見表4。鋼筋的材料參數依據試驗實測值選取,見表5。CFRP的各項材料參數取自文獻[15-16],如表6所示。

表4 CDP型材料參數

表5 鋼筋材料參數

表6 CFRP布的材料參數

2.3 邊界條件及加載制度

有限元模型的邊界條件依據試驗設置。柱底約束X、Y、Z方向的平移運動和旋轉運動的自由度。耦合點RP位于柱頂部,設置軸向荷載和位移控制循環加載。模型加載制度與試驗相同。

2.4 模型建立

模型依照試驗試件設置?；炷敛捎脤嶓w單元(C3D8R),縱筋與箍筋均采用桁架單元(T3D2)[11]。普通鋼筋通過Embedded命令嵌入到混凝土柱當中,鋼筋與混凝土之間的黏結為理想條件。CFRP的初始預應力采用“等效溫度法”施加[17]。

2.5 模型有效性對比

圖9為試驗滯回曲線與模擬滯回曲線的對比。圖10為試件的模擬損傷破壞云圖。由于有限單元和材料本構模型在模擬往復加載過程中損傷累積等方面的缺陷,以及在理想接觸條件下粘結劣化對于試件滯回性能影響較大,但對強度影響較小。這使得荷載變形曲線的初始剛度較大,同時在加載后期試件的強度下降不明顯,但總的來說數值模型曲線與試驗曲線吻合較好。損傷云圖與試驗破壞情況相似。未加固試件的柱角破壞嚴重。加固試件在CFRP的約束下,能量被均勻地耗散。

(a)RC-24

(a)RC-24

3 參數拓展

由于試驗試件數量有限,未能對預應力CFRP加固高度、加固層數等展開研究,為更大效度地利用CFRP材料的優異性能,充分發揮碳纖維布對混凝土柱抗震性能的提升,在模擬中將CFRP高度和加固層數作為參數在原有試件的基礎上進行拓展。

3.1 CFRP加固高度

從圖11可以看出,隨著CFRP加固高度的降低,試件的承載能力和延性性能有所下降,但是1/2加固與全加固相比,承載力和位移延性降低并不明顯。1/2加固較全高度加固位移延性下降了5.6%,1/3高度加固較1/2加固位移延性下降了28.4%。結果表明,在柱1/2處加固即可取得良好的加固效果。在柱底1/2處加固,可以有效地提高加固效率和節省經濟成本。

圖11 不同加固高度的骨架曲線

3.2 CFRP層數

不同層數下預應力CFRP加固混凝土圓柱的模擬骨架曲線如圖12所示。在全包裹加密下,分別模擬了兩層、三層、四層、六層預應力CFRP包裹的混凝土圓柱的抗震性能。從對比結果可知,CFRP層數對試件承載力有重要的影響。多層預應力CFRP加固可以顯著提升試件的初始剛度和承載力。六層CFRP加固較四層加固峰值承載力提升了5%,四層CFRP加固較三層加固峰值承載力提高了17.5%。結果表明,隨著加固層數的提高,加固的提升效果逐漸下降。主要表現為在四層加固以后,試件的承載力提升不明顯,且位移延性并未出現明顯的提高。因此在實際工程中,二至四層的預應力CFRP加固即可滿足使用要求。

圖12 不同CFRP加固層數的骨架曲線

4 結論

(1)預應力CFRP約束下的RC柱抗震性能得到極大改善,其滯回曲線形狀飽滿,延性、耗能均得到較大程度的提升,位移延性系數最高提升達到53%。

(2)未加固柱與加固柱隨著軸壓比的提升,延性與耗能都有所降低,水平承載力出現提高。軸壓比的改變對未加固柱各抗震特征值的影響要大于對加固柱的影響。采用預應力CFRP加固改變了高軸壓比試件的破壞形態,轉變為延性更好的彎曲破壞,即加固柱在高軸壓比下也能具有較強的變形與耗能能力。

(3)隨著CFRP加固高度的下降,試件的位移延性和承載力出現降低,但是1/2加固與全加固相比,各項抗震指標的下降并未出現太大差異,表明在1/2處加固可以達到與全高度加固同等的抗震效果。

(4)CFRP層數的增大對加固柱抗震性能有明顯的提升作用,但層數的過多增加,也出現提升效果不明顯的現象,故預應力CFRP在二至四層即可極大提高試件的抗震加固效果。