基于OpenSees的墩柱CFRP抗震加固研究

李 曉 蒙

(交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

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基于OpenSees的墩柱CFRP抗震加固研究

李 曉 蒙

(交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

以某墩柱的擬靜力試驗為基礎，通過OpenSees軟件，總結了CFRP抗震加固方法，對采用不同層數CFRP加固的墩柱的抗震性能進行了分析，結果表明，采用含纖特征值來表述CFRP加固量的方法簡單、有效、合理，經CFRP加固后墩柱的水平承載力、延性水平均得到了改善，但增加值不與CFRP層數成正比。

擬靜力試驗，CFRP，OpenSees，抗震加固

CFRP加固技術運用普遍、性能及加固效果較好，且對形狀復雜的結構或構件也可迅速便捷地加固，從而得到廣泛關注。Kumar K.等對梁柱結點處潛在塑性鉸區的縱筋搭接較差和橫向鋼筋約束不足的情況，進行了試驗研究，發現采用CFRP進行加固后模型滯回曲線更穩定，加固效果明顯[1]；Seible等[2]對破壞墩柱進行加固，給出了CFRP抗震加固設計方案，考慮了CFRP材料厚度及加固高度等因素，并進行了實驗，證明加固效果明顯；Triantafillou研究了CFRP加固量對構件達到最大承載力時CFRP有效應變的影響；崔海琴、賀栓海等[3]對CFRP約束空心薄壁墩抗震性能試驗進行研究，結果表明，隨著CFRP層數的增加，延性系數相應地增大，CFRP的最佳加固效果與結構設計參數有關;蔡曉萌[4]對不同軸壓比、加固量d的CFRP加固柱進行試驗，發現柱的延性、抗剪承載力得到明顯改善，構件耗能增加。由此，CFRP抗震加固粘貼層數(使用量)是一個重要影響因素，本文將圍繞CFRP粘貼量對墩柱的加固效果進行分析，分析方法可用于確定合理CFRP材料層數以達到經濟的目的。以清華大學完成的鋼筋混凝土柱的擬靜力試驗為工程背景，并采用OpenSees[5]建立模型，將分析結果與試驗結果進行對比，以校核有限元模型的正確性。建立不同CFRP粘貼層數的有限元模型，分析CFRP粘貼量對柱抗震加固效果的影響，并得出結論。

1 試驗模型

1.1 加固前模型

以清華大學完成的一根鋼筋混凝土柱的擬靜力試驗為工程背景，試驗模型如圖1所示。模型材料參數：φ10鋼筋，屈服強度和極限強度平均值分別為481 MPa和745 MPa，彈性模量為265 433 MPa；φ8鋼筋，屈服強度和極限強度平均值分別為582 MPa和855 MPa，彈性模量為289 850 MPa；φ6鋼筋，屈服強度和極限強度平均值分別為441 MPa和529 MPa，彈性模量為203 941 MPa；混凝土立方體抗壓強度為30.1 MPa。

1.2 CFRP加固模型

1)CFRP加固方法。大量文獻對CFRP加固墩柱進行了闡述，具體流程可總結為：處理墩柱表面，保證平整、清潔；對矩形截面邊角進行倒圓角處理；涂抹環氧樹脂，盡量使膠厚度均勻，且注意遮蓋，防止環氧樹脂被污染，影響加固效果；粘貼CFRP，注意輕拿輕放，且粘貼過程中不能出現空鼓情況，若出現則需切開注膠填補。為保證加固效果，可以采取粘貼鋼板壓條和澆筑小承臺的措施。而文獻[6]更是設計出了快速修復加固的早強混凝土配合比，可在應急加固中發揮重要作用。

2)對比模型。采用上述加固方法可對試驗墩柱進行加固，并利用OpenSees軟件對CFRP抗震加固效果進行預測，建立對比分析模型，見表1。

表1 對比模型

2 分析模型

2.1 混凝土本構關系

Scott等人對Kent-Park模型提出的混凝土受壓骨架曲線進行擴展，如圖2所示。該模型通過修改圖中混凝土受壓骨架曲線的峰值應力—應變以及軟化段斜率來考慮橫向箍筋的約束影響，而且可考慮混凝土的剩余強度；對于混凝土受拉時的上升段和下降段均為直線，可考慮混凝土的初始開裂。

2.2 鋼筋本構關系

鋼筋在反復荷載作用下的本構關系對墩柱滯回曲線的模擬有重要影響，選擇合理、恰當的鋼筋應力—應變滯回模型是可靠模擬鋼筋混凝土墩柱非線性滯回反應的關鍵。OpenSees中鋼筋采用Menegotto-Pinto模型，該模型采用了應變的顯函數表達形式，計算效率高，且與鋼筋反復加載試驗結果保持了較好的一致性，能夠反映Bauschinger效應。其本構關系如圖3所示。

2.3 CFRP約束混凝土模型

與鋼筋混凝土結構中的配箍率概念一樣，引入一個含纖特征值λ′來描述CFRP約束混凝土[8]，表達式為：

由此，可以得到考慮CFRP用量的CFRP約束混凝土的受壓應力—應變關系的表達式：

x>1，y=e·xA·e-xA。

其中，y=σ/σo,cfs；x=ε/εo,cfs,σo,cfs=(1+1.2λ′)·σo,εo,cfs=25λ′·εo。

對于系數A：

x≤1，Bcfs≤0.012 8，A=42.9Bcfs+0.45。

x≤1，Bcfs≥0.012 8，A=15e-180Bcfs+1.25。

x>1，A=-70(10Bcfs)25-0.65。

而σo和εo表示為：

σo=0.8fcu,

εo=1 300+10fcu。

3 結果分析及討論

3.1 模型驗證

利用OpenSees建立纖維模型來對試驗柱進行分析，材料參數模型如2中所述，分析模型的加載過程與試驗過程一致。將OpenSees計算得到的耗能系數進行對比，見圖4。可以看出，兩曲線比較吻合，說明此處采用的材料參數及所建纖維模型可有效模擬墩柱的抗震性能及倒塌過程，在此基礎上可進行下步的研究。

3.2 滯回曲線及骨架曲線

圖5為各加固模型的力—位移滯回曲線，從滯回曲線看，滯回環比較飽滿，呈梭形，存在較少滑移，抗震耗能能力較好。并根據滯回曲線對比各個曲線骨架，可以看出，經CFRP加固后的柱的峰值荷載和極限位移(取0.85峰值荷載所對應的位移)均有所增加，且隨CFRP層數(加固量)的增加而增加，但與加固層數不成正比。

表2列出了各骨架曲線的特征值，由數據表明經過CFRP加固后，在水平承載力上能得到一定的提高。對于位移延性，屈服位移沒有明顯增加，但是極限位移得到很大的提高，位移延性得到明顯改善。由此，CFRP加固效果相當明顯。

表2 骨架曲線特征值

模型屈服荷載kN屈服位移mm峰值荷載kN極限位移mm位移延性(極限位移與屈服位移之比)B0132.58.342.3535.84.32B01-133.28.540.8440.14.67JG137.49.246.947.15.12JG238.19.347.9548.35.2JG339.29.548.1849.65.22

4 結語

本文以清華大學所做柱的擬靜力試驗為工程背景，結合OpenSees分析軟件，在建立符合試驗結果的模型基礎上，對采用CFRP加固柱的抗震性能進行預測評價，得出以下結論：

1)由試驗結果曲線與OpenSees計算曲線對比可看出，論文建立纖維模型可以很好的模擬墩柱抗震特性及倒塌過程，其計算結果對實際研究具有很好的指導意義。2)總結的CFRP加固方法方便、加固效果可靠，推薦的粘貼鋼板、澆筑小承臺及早強混凝土等措施對墩柱的CFRP抗震加固具有較好實踐意義。3)采用含纖特征值來表述CFRP的用量，并引入約束混凝土模型中，以此來考慮CFRP的約束效果，該方法簡單明了，且在有限元分析中易實現。4)采用CFRP加固可提高構件的承載力，顯著改善結構延性，但加固效果不與CFRP加固層數成正比。

[1] Kumar K.Ghosh,Shamim A.Sheikh.Seismic upgrade with carbon fiber-reinforced polymer of columns containing lap-spliced reinforcing bars[J].ACI Structure Journal,2007，104(2)：227-236.

[2] F.Seible,M.J.Nigel Priestley,Gilbert A.Hegemier,et al.Seismic retrofit of RC column with continuous carbon fiber jackets[J].Journal of Composites For Construction,1997(1)：52-62.

[3] 崔海琴,賀栓海,趙小星，等.CFRP約束空心薄壁墩抗震性能試驗[J].長安大學學報,2010,30(3):53-59.

[4] 蔡曉萌.碳纖維加固鋼筋混凝土柱抗震性能研究[D].北京:北京建筑工程學院碩士學位論文,2006.

[5] Mazzoni S,McKenna F,enves G L.OpenSees Command Language Manual[D].Berkeley:PEER,University of California,2007.

[6] Sun Zhiguo,Wang Dongsheng,Du xiuli,et al.Rapid repair of severely earthquake-damaged bridge piers with flexural-shear mode[J].Earthquake Engineering and Engineering Vibration,2011,10(4):553-567.

[7] 趙 彤,謝 劍.碳纖維布補強加固混凝土結構新技術[M].天津：天津大學出版社,2002.

On CFRP seismic consolidation of pier column based on OpenSees

Li Xiaomeng

(ResearchInstituteofHighwayMinistryofTransport,Beijing100088,China)

Based on the pseudo-static test of some pier column, the paper sums up the CFRP seismic consolidation methods with OpenSees software, analyzes the seismic performance of the pier column with CFRP consolidation at various floors, proves by the result that it is easy, effective and reasonable to adopt the characteristic value of fiber to describe CFRP consolidation volume, improves the horizontal loading capacity and ductility of the pier column after the consolidation, but the addition value is not in the proportion to the CFRP floors.

pseudo-static test, CFRP, OpenSees, seismic consolidation

1009-6825(2016)16-0029-03

2016-03-27

李曉蒙(1991- )，男，在讀碩士

TU352

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