CFRP加固H型鋼柱承載力分析

完海鷹， 陳 龍， 陳安英

(合肥工業大學 土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

H型鋼是屬于經濟斷面型材，由于其力學性能具有諸多優勢，如抗震性能較好、構造方便等，最近幾年被廣泛地應用在建筑中。在眾多鋼結構建筑中，H型鋼的用量占總用鋼量的40%～80%[1]。但在日常使用中，H型鋼構件難免會出現損傷現象，為了節約資源與經濟，有必要對其采取加固措施。傳統的加固效果往往有限，而CFRP材料具有輕質高強、耐腐蝕等優勢，已經被廣泛地應用在混凝土加固方面[2-5]，在鋼結構加固方面的應用也逐漸受到重視[6]，故采取CFRP對H型鋼柱加固是一種可行的方式。

本研究對CFRP加固軸壓H型鋼柱進行了數值模擬分析，探討了H型鋼柱在不同加固方式與CFRP層數下的補強效果及有效的加固方法。

1 有限元模擬

1.1 材料屬性

采用有限元模擬，一共設計了10根軸心受壓H型鋼柱構件，鋼材型號為Q235，構件長度均為1 500 mm，H型鋼柱截面高度為100 mm，寬為100 mm，腹板厚度為6 mm，翼緣厚度為8 mm。模擬所選用的CFRP材料為日本東麗高性能碳纖維單向布，具體材料屬性見表1。

表1 材料屬性

1.2 構件設計

本研究主要分析CFRP粘貼間距與CFRP層數對加固后H型鋼柱穩定承載力的影響。各構件的編號及相應的參數見表2，表中H代表鋼柱，T代表CFRP層數，S代表粘貼間隔。

表2 構件編號及參數

1.3 模型單元的選擇與建立

本研究采取了“實體-殼”有限元模型[7]，考慮到加載板對模型計算準確性的影響，故用C3D8R實體單元來建立H型鋼柱與加載板，膠層與CFRP材料可被看作一種新的復合材料來考慮，且兩者厚度均非常小，所以考慮用S4R殼單元來模擬膠層與CFRP復合材料，由于CFRP材料是單向受力特點，所以在模擬過程要給CFRP定義材料方向，本研究中CFRP布纖維方向均沿著柱高方向。為了防止計算不收斂，在建模過程中要使膠-CFRP復合材料與H型鋼柱的節點一一對應；同時為了方便施加荷載與邊界條件，在H型鋼柱兩端各建立一個參考點，分別將其與加載板耦合。此次將模型兩端考慮為鉸接，在加載端的參考點上施加一位移荷載。

1.4 初始缺陷的添加

在實際過程中，由于各種因素構件會產生較大的變形，往往需要對其進行非線性分析，在此之前需要對受壓構件進行線性屈曲分析，這個過程主要是獲得特征荷載值，可以進行預估屈曲荷載的大小，但是僅通過線性屈曲分析是很難對H型鋼柱模擬出精確的結果的，因此本研究重點通過非線性分析來得到H型剛柱的極限承載力。對于受壓構件要把其彎曲矢高控制在L/1 000(L為實際試件長度)內，選取L/1 000與5 mm中最小值作為所引入的幾何缺陷值，由于本研究設計的H型鋼柱長為1 500 mm，即L/1 000=1.5 mm。在模擬CFRP加固軸壓H鋼柱中既有幾何非線性又包括材料非線性，故采用Riks中的弧長法進行計算。模型單元劃分如圖1所示。

圖1 模型單元劃分

2 結果分析

通過有限元模擬分析發現，H型鋼柱在加載后期均為整體失穩破壞，在考慮了構件的初始幾何缺陷后，ABAQUS模擬的CFRP加固軸壓H型鋼柱極限承載力見表3。

表3 H型鋼柱極限承載力有限元模擬結果

從表3中可看出,采取間隔粘貼方式對H型鋼柱的補強還是有明顯的效果的，構件的極限承載力與剛度均有所提高。CFRP布的層數越多,加固后的H型鋼柱的剛度和承載力就越高。在三種間隔粘貼CFRP布加固中，H型鋼柱只粘貼一層CFRP布時，構件的承載力提升有限,并且粘貼CFRP布加固構件時，隨著其層數的增加，構件的補強效果與CFRP布層數呈近似正比例關系，由于在CFRP布粘貼到某一層時，構件的承載力不會隨著其層數的增加而提高得更明顯，在實際加固工程中對H型鋼柱只粘貼1層CFRP布時有效性可能不高,故本研究建議在間隔粘貼CFRP布時，對構件粘貼2層以上的CFRP布。

從圖2中得知，當構件在彈性階段時，CFRP布幾乎不承擔荷載，故在未達到構件極限承載力時，其位移-荷載曲線基本交叉重疊在一起，構件進入塑性階段后，CFRP布開始發揮作用，承擔部分荷載。由此可知，在CFRP布的加固間距保持不變時，且粘貼間距為50 mm，在CFRP布的層數增加時，其對H型鋼柱的約束作用有較大提升，由于CFRP布層數增加后對構件的約束能力越強，不僅使構件柱中位移減小而且使構件的極限承載力提高得也越大，但隨著CFRP布加固間距S增大時，通過增加CFRP布層數來加固H型鋼柱的效果則不明顯，其極限承載力提高的幅度非常小。

圖2 CFRP布層數對H型鋼柱承載力的影響

由圖3a可知，CFRP布層數與H型鋼柱承載力之間幾乎呈正比關系，當粘貼CFRP布間距不變時，尤其是粘貼間距為50 mm時，通過增加CFRP布層數后，H型鋼柱的極限承載力提高得較明顯；隨著CFRP布加固間距增大，通過增加CFRP布層數來加固H型鋼柱的效果越來越不明顯，其極限承載力提高的幅度非常小。由圖3b可知，在粘貼CFRP布層數保持一致的情況下，粘貼間距越小時，CFRP布可以很好地限制H型鋼柱柱中變形，從而CFRP布對H型鋼柱的極限承載力的提升越大，還可以得知CFRP布粘貼間距與H型鋼柱的承載力呈非線性反比關系。

圖3 CFRP層數與粘貼間距對H型鋼柱承載力的影響

通過分析上述幾種粘貼間距對H型鋼柱的加固效果，得知加固間距為50 mm時，對H型鋼柱極限承載力的提高幅度最大，因此有必要對加固間距為50 mm條件下進行更合理及更經濟的粘貼范圍分析。通過減小粘貼范圍后H型鋼柱的承載力見表4。

表4 縮小粘貼范圍后構件承載力模擬結果

由表4中各H型鋼柱承載力模擬結果可知，當H型鋼柱縮小粘貼范圍后，在相同CFRP層數下，各構件承載力之間相差很小，即使H型鋼柱粘貼范圍縮小至柱中750 mm時，H型鋼柱承載力與原來構件相比略有降低，但降低比例非常小。與未加固構件H-0T0S相比，對H型鋼柱承載力仍然有較大提升，故對于實際加固中且H型鋼柱粘貼間距為50 mm時，本研究建議可以采取柱中1/2高度進行加固，不僅經濟且更方便，可以作為H型鋼柱一種理想的加固方式。

3 結 論

論文采取了ABAQUS軟件建立了 “實體-殼”的H型鋼柱模型，分別模擬了10根相同截面的H型鋼柱，分析了不同粘貼間距及CFRP層數對加固后的H型鋼柱承載力并得到了如下結論：

(1) 采取間隔粘貼CFRP布對軸壓H型鋼柱有著較明顯的補強效果，構件的剛度與承載力均有所提高，且與CFRP布層數幾乎呈正比關系。在間距不變時，只粘貼1層CFRP布對H型鋼柱的承載力提高效果有限，因此建議可以考慮粘貼2層以上的CFRP布。

(2) 粘貼CFRP布間距為50 mm時，在CFRP布的層數增加時，H型鋼柱的極限承載力提高得較明顯，其中粘貼3層時H型鋼柱承載力提升幅度最大;在粘貼間距不變時，可以增加CFRP布層數來提升H型鋼柱極限承載力。且對于粘貼間距50 mm時，可以采取柱中1/2高度進行加固。

(3) 隨著CFRP布加固間距增大，通過增加CFRP布層數來加固H型鋼柱的效果越來越不明顯，其極限承載力提高的幅度也非常小。在粘貼間距達到150 mm，對H型鋼柱承載力提高最大的只有7.2%。故在對H型鋼柱進行間隔粘貼時可以考慮粘貼間距在50～100 mm。