BFRP約束鋼筋混凝土方柱軸壓過程的有限元分析

吳秋蘭，童谷生，劉永勝

（華東交通大學土木建筑學院，江西南昌 330013）

纖維復合材料（fiber reinforced polymer or plastics，FRP）加固技術是一種新型的混凝土結構加固修補技術。它利用浸漬樹脂將纖維布粘貼于混凝土表面，共同工作，達到對混凝土結構構件的加固補強。較傳統的結構加固方法，FRP加固技術最明顯的優點主要體現在高強高效、施工便捷、具有極佳的耐腐蝕性能、適用面廣、施工質量易保證、耐疲勞性能好[1-2]。目前，國內外利用有限元分析軟件ANSYS對FRP加固混凝土梁的分析研究進行了不少，但對于FRP約束混凝土柱的非線性分析仍比較少[3-6]。本文采用ANSYS對玄武巖纖維增強復合材料（BFRP）約束幾何相似的鋼筋混凝土方柱進行了數值模擬，并與材料試驗得到的力學性能結果進行比較，結果表明，有限元法可以較好地模擬FRP鋼筋混凝土方柱軸壓的力學響應。

1 有限元模型的建立

1.1 基本假設

為了簡化計算，根據彈性理論和平截面假定，本文作如下假設：

1）鋼筋與混凝土材料之間為剛性聯結、無滑移。

2）碳纖維布與混凝土材料之間粘結完好，無脫落現象；碳纖維布和混凝土之間無相對滑移。

3）有限元模型在整個受力過程中始終保持平截面。

1.2 模型的建立

本文采用分離式建模[7]。混凝土采用SOLID65單元（8節點6面體單元），鋼筋采用Link8單元（材料為等質兩節點的桿單元）。用工作平面對模型劃分出體線，分別賦予體線為縱筋和箍筋的單元屬性。在模型表面賦予BFRP的單元屬性。合并壓縮所有節點，使混凝土與纖維布共用節點[8-9]。圖1為約束方柱的有限元分析模型。加載時假設柱兩端固定，自由度協調一致，采用等位移方式分級多荷載步加載。

2 模擬結果及分析

2.1 模擬結果

模擬得到方BFRP方柱試件的極限荷載如表1所示。

表1 模擬方柱極限荷載值Tab.1 Limit load value of simulation square columns

由表1可知：采用BFRP對鋼筋混凝土方柱進行約束加固后，可以明顯提高柱的極限強度，但強度提高幅度卻不是隨加固層數的增加而成線性增加的；另外，由表1可以看出，隨著試件尺寸增大，極限荷載增大，但強度卻下降。這說明采用有限元計算的方法同樣也證明了BFRP增強鋼筋混凝土方柱試件尺寸效應的存在。

圖2為典型應力應變云圖。從模擬得到的應力應變云圖可以看出，無論是未加固柱還是加固柱，在靠近柱兩端的部分區域應力大，變形也較大，中間區域應力相對柱兩端小。因此，為了防止柱兩端過早破壞而導致試驗的失敗，有必要試驗前對柱兩端進行加固。對于約束柱，應力在倒角處達到最大，倒角處容易產生應力集中。

2.2 不同尺寸試件的荷載-應變曲線對比分析

模擬得到不同尺寸試件的荷載-應變曲線如圖3所示。

從圖3可以發現：幾何相似的鋼筋混凝土方柱的尺寸越大，承受的極限荷載越大，但極限應變有所降低，即延性沒有隨著尺寸的增大而提高，反而下降。從模擬荷載-應變曲線可以看出，BFRP約束鋼筋混凝土方柱的強度具有尺寸效應，尺寸越大，強度越低。

3.3 模擬結果與試驗值的對比分析

為了驗證有限元分析的可靠性，本文將試驗中未加固柱和加固柱強度值和荷載值[10]與ANSYS模擬分析值進行了對比。對比情況如表2所示。

表2 試驗值與模擬值的對比Tab.2 Contrast of test value and the simulation value

從表2可以看出，ANSYS模擬值與試驗值相比，吻合良好，大部分差值都在15%以內，部分差值還在10%以內，采用ANSYS來分析BFRP布約束鋼筋混凝土軸心受壓柱破壞荷載和強度時，所選擇的計算模型和單元類型是合理的，計算結果是可靠的。

3 結論

本文采用的有限元模擬方法，對BFRP約束鋼筋混凝土方柱的軸壓過程進行了分析。得到了以下結論：

1）BFRP約束鋼筋混凝土方形柱的強度和延性相比相應尺寸的未加固柱均明顯提高，全包纖維布對混凝土的約束效果很明顯；

2）幾何相似的鋼筋混凝土方形柱強度存在尺寸效應現象，尺寸越大，極限荷載越大，但其極限強度反而越小；

3）有限元分析值與實驗值吻合較好，說明了模擬過程中所選擇的單元類型、本構關系和有限元模型是合理的。采用ANSYS分析BFRP布約束鋼筋混凝土軸心受壓柱破壞荷載和強度時，試驗結果是可靠的，其計算的值可供工程結構加固設計參考。

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