CFRP材料加固的鋼筋混凝土(RC)框架抗震性能研究

陳征鋒

(廈門市政府投資項(xiàng)目評審中心 福建廈門 361013)

0 引言

碳纖維增強(qiáng)聚合物(Carbon fiber reinforced polymer，簡稱 CFRP)，是一種重量輕、強(qiáng)度高和耐久性好的高性能材料。其體積小，方便折疊，施工也相當(dāng)便捷，在當(dāng)前橋梁與建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用，特別是用于結(jié)構(gòu)關(guān)鍵受力部位的加固或是震后的結(jié)構(gòu)損傷加固[1-5]。國內(nèi)外許多學(xué)者也對采用CFRP材料加固的框架、柱、橋墩等結(jié)構(gòu)的抗震性能、豎向與水平承載性能進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得了很好的加固效果，如韓強(qiáng)等[1]采用CFRP材料用于加固空心橋墩以研究其抗震性能，發(fā)現(xiàn)采用CFRP材料加固后，可以顯著提高結(jié)構(gòu)的地震耗能能力，延性也得到了很大的提高。黃俊豪等[4]采用CFRP材料對損傷后的RC梁進(jìn)行了加固，并開展了RC梁的豎向承載試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用CFRP材料加固后，RC梁的抗彎強(qiáng)度大大提高。樊彬彬等[6]采用GFRP材料加固RC短柱，并對結(jié)構(gòu)的滯回性能展開了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)采用GFRP材料加固RC短柱能顯著提高其耗能能力和延性。任宏偉等[7]采用CFRP材料加固RC框架柱，通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過CFRP材料加固后的RC框架，能達(dá)到強(qiáng)柱弱梁的目標(biāo)。李奉閣等[8]通過2榀鋼骨混凝土柱-鋼梁框架的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，對鋼骨混凝土組合框架的滯回性能、延性、耗能性能、剛度衰減等抗震性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)鋼骨混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)具有良好的抗震性能。此外，還有許多國外學(xué)者，如Yeh等[9]、Mirmiran等[10]、Lignloa等[11]、Yazdani等[12]也對CFRP加固的RC橋墩的受力性能進(jìn)行了研究，也發(fā)現(xiàn)采用CFRP加固后，橋墩的延性和抗剪能力都得到很好的改善。

因此，通過大量的研究可以發(fā)現(xiàn)，CFRP材料對結(jié)構(gòu)加固是有效的，特別適用于地震區(qū)橋梁和建筑結(jié)構(gòu)的抗震加固。為此，文中將在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，采用CFRP材料對RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，并改變CFRP層數(shù)，分析CFRP厚度對框架抗震性能的影響，為CFRP材料在地震區(qū)框架結(jié)構(gòu)的加固工程上的應(yīng)用提供參考。

1 RC框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文選取典型的一榀單層單跨RC框架進(jìn)行研究，外形尺寸如圖1所示。其中，RC柱高H=1200 mm，截面尺寸為b×h=200 mm×200 mm，RC梁長L=1400 mm，截面尺寸為b×h=150 mm×150 mm，均采用C50混凝土。墊板也采用了C50混凝土的長方體塊，截面尺寸為bc×hc×tc=600 mm×500 mm×100 mm。RC梁設(shè)置在距離柱頂100 mm位置。RC柱內(nèi)布置了8Φ12的縱向鋼筋和Φ6@100的多肢箍筋，RC梁內(nèi)布置了4Φ12的縱向鋼筋和Φ6@100的箍筋，鋼筋保護(hù)層厚度為15 mm，形成強(qiáng)柱弱梁形式。RC梁柱的截面尺寸與鋼筋配置如圖2所示。

圖1 RC框架外形尺寸(單位：mm)

(a)RC柱外形尺寸 (b)RC梁外形尺寸

2 RC框架結(jié)構(gòu)有限元模型

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

鋼筋的本構(gòu)關(guān)系采用用戶自定義材料及PQ-Fiber子程序中的Usteel02鋼筋本構(gòu)，模擬鋼筋受力行為，鋼筋材料參數(shù)如表1所示。

表1 鋼筋材料參數(shù)

混凝土塑性損傷模型適用于單調(diào)應(yīng)變、循環(huán)荷載、動力荷載的模擬，其可以模擬硬度退化機(jī)制以及反向加載剛度恢復(fù)的混凝土力學(xué)特性。故本文采用塑性損傷模型模擬混凝土本構(gòu)關(guān)系。C50混凝土的彈性模量Ec=3.45×104MPa，泊松比vc=0.2，密度ρc=2500 kg/m3，混凝土的抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fck=32.1 MPa，混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=2.64 MPa。

CFRP材料的強(qiáng)度很大，在受力中一般不會發(fā)生破壞，采用彈性本構(gòu)模型。

2.2 單元類型

運(yùn)用ABAQUS通用有限元軟件，建立CFRP加固的RC框架結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體有限元模型，如圖3所示。模擬RC柱和墊板時(shí)均采用C3D8R的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，縱筋和箍筋采用T3D2的Tress單元進(jìn)行模擬，CFRP材料采用S4R的Shell單元進(jìn)行模擬。CFRP加固的RC框架結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖3 三維RC框架結(jié)構(gòu)ABAQUS模型

(a)三維RC框架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分 (b)RC柱網(wǎng)格劃分 (c)RC梁網(wǎng)格劃分 (d)CFRP材料網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及加載制度

RC框架結(jié)構(gòu)的邊界條件，如圖5所示。其中，墊板底部采用固定約束，在RC柱側(cè)面設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)RP，RP點(diǎn)與柱側(cè)面采用Coupling的耦合約束，僅釋放水平向平動，約束其余方向的平動和轉(zhuǎn)動。鋼筋通過Embedded region的方式嵌入RC柱和RC梁中，故CFRP布置在柱底和與梁連接的柱端，與RC柱采用Tie綁定約束。模型中采用往復(fù)位移進(jìn)行加載，前期在0～±10 mm加載時(shí)的位移增量為±2 mm，超過±10 mm后，位移增量為±5 mm，一直加載至結(jié)構(gòu)破壞為止，設(shè)定最終加載位移為±30 mm，加載制度如圖6所示。

3 研究參數(shù)設(shè)計(jì)

在地震荷載作用下，RC框架結(jié)構(gòu)會發(fā)生往復(fù)位移，在地震荷載較大時(shí)，將直接造成柱底的破壞和梁柱節(jié)點(diǎn)破壞。所以需要增強(qiáng)柱結(jié)構(gòu)的抗震能力，避免柱早于梁發(fā)生破壞，即強(qiáng)柱弱梁。因此，對RC柱底和梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，非常有必要，見圖4(a)所示。為此，本文將以CFRP材料作為RC柱的加固材料，以CFRP層數(shù)(即厚度)作為研究參數(shù)，研究RC框架結(jié)構(gòu)在不同厚度CFRP材料加固下的抗震性能。試件的研究參數(shù)信息如表2所示。

圖5 結(jié)構(gòu)邊界條件及加載方式

圖6 詳細(xì)加載制度

表2 研究參數(shù)分析

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 RC框架結(jié)構(gòu)破壞模式

圖7(a)～(d)分別給出了CFRP-0～CFRP-3框架結(jié)構(gòu)的塑性破壞。由圖可知，RC框架結(jié)構(gòu)未采用CFRP材料加固時(shí)，柱底和梁柱連接處會發(fā)生混凝土開裂和壓碎。因此，這柱底和節(jié)點(diǎn)區(qū)域是地震中容易破壞的部位，需要進(jìn)行加固。采用CFRP材料進(jìn)行加固后，RC框架結(jié)構(gòu)的破壞模型會發(fā)生變化。隨著CFRP材料厚度的增大，RC柱得到更好的保護(hù)，在地震荷載下，RC梁端結(jié)構(gòu)發(fā)生損壞，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁的基本要求。此外，采用CFRP材料進(jìn)行框架加固后，混凝土的塑性應(yīng)變大大減小，結(jié)構(gòu)得到了更好的保護(hù)。

圖8給出了CFRP材料在地震荷載下的損傷情況。由于CFRP材料強(qiáng)度很高，在RC框架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)仍處于彈性階段，是結(jié)構(gòu)抗震加固的良好材料。

(a)CFRP-0 (b)CFRP-1

(c)CFRP-2 (d)CFRP-3

圖8 CFRP材料的塑性應(yīng)變分布

4.2 RC框架結(jié)構(gòu)滯回曲線與骨架分析

圖9分別給出了CFRP-0～CFRP-3框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線對比圖。由圖9可知， CFRP材料厚度對RC框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線有較大影響，CFRP材料越厚，框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線越飽滿，耗能能力越好，在地震荷載中，能更好地減小結(jié)構(gòu)的損傷。

圖10分別給出了CFRP-0～CFRP-3框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線對比圖。發(fā)現(xiàn)，CFRP材料厚度對RC框架結(jié)構(gòu)的骨架曲線有較大影響。在地震荷載較小(≤6 mm時(shí))，CFRP材料對RC框架結(jié)構(gòu)的受力無影響。隨著地震荷載的增大，CFRP材料越厚，框架結(jié)構(gòu)的承載力越高。此外，框架結(jié)構(gòu)的力-位移曲線大致可劃分為彈性段(OA段)、塑性階段(AB段)、破壞段(BC段)3個(gè)階段。

4.3 等效粘滯阻尼比分析

以下對CFRP-0～ CFRP-3框架結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼比進(jìn)行計(jì)算，采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如圖11所示。

(1)

式中：ξe為等效粘滯阻尼系數(shù)；S為滯回環(huán)面積；S1為位移軸與正向加載峰值點(diǎn)圍成的面積；S2為位移軸與負(fù)向加載峰值點(diǎn)圍成的面積。

由圖11可知，在6 mm內(nèi)時(shí)CFRP材料厚度對框架結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼比基本無影響。超過6 mm后，CFRP材料厚度對框架結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼比的影響很大。在4 mm前，等效粘滯阻尼比會下降，主要由于混凝土發(fā)生了較小裂縫，剛度有所下降，隨著加載繼續(xù)，此時(shí)鋼筋與CFRP材料發(fā)揮了作用，共同抵抗地震荷載。此外，隨著CFRP材料厚度的增大，框架結(jié)構(gòu)的等效阻尼比隨之下降。

(a)CFRP-0

(b)CFRP-1

(c)CFRP-2

(d)CFRP-3

圖10 CFRP-0～ CFRP-3的骨架曲線比較

圖11 CFRP-0～ CFRP-3的粘滯阻尼比

4.4 剛度退化曲線分析

以下對CFRP-0～CFRP-3框架結(jié)構(gòu)的等效剛度K進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算采用公式(2)，詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

(2)

式中：+Pn、-Pn為第n次位移加載時(shí)正、負(fù)向荷載(kN)；+Yn、-Yn為第n次位移加載時(shí)正、負(fù)向荷載對應(yīng)的位移(mm)。

圖12 CFRP-0～ CFRP-3的剛度退化曲線

由圖12可知，CFRP材料厚度對框架結(jié)構(gòu)的等效剛度退化曲線的影響不顯著。隨著位移荷載的增加，框架結(jié)構(gòu)的剛度退化速率隨著CFRP材料厚度的增大而降低。

5 結(jié)語

(1)采用CFRP材料加固后的RC框架，抗震性能明顯提升， CFRP材料對RC框架柱起到很好的保護(hù)作用，在地震荷載下，實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)柱弱梁的基本要求。

(2)采用CFRP材料進(jìn)行框架加固后，混凝土的塑性應(yīng)變大大減小，結(jié)構(gòu)的地震損傷降低。

(3)CFRP材料的強(qiáng)度很高，在RC框架結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)仍處于彈性階段，是結(jié)構(gòu)抗震加固的良好材料。

(4)CFRP材料越厚，框架結(jié)構(gòu)的滯回曲線越飽滿，耗能能力越好，在地震荷載中能更好地減小結(jié)構(gòu)的損傷。

(5)在地震荷載較小(≤6 mm時(shí))，CFRP材料對RC框架結(jié)構(gòu)的受力無影響，隨著地震荷載的增大，CFRP材料越厚，框架結(jié)構(gòu)的承載力越高。其力-位移曲線可分為彈性段、塑性階段與破壞段3個(gè)階段。

(6)在6 mm內(nèi)時(shí)，CFRP材料厚度對框架結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼比基本無影響。超過6 mm后，CFRP材料厚度對框架結(jié)構(gòu)的等效粘滯阻尼比的影響很大。隨之CFRP材料厚度的增大，框架結(jié)構(gòu)的等效阻尼比隨著下降。

(7) 隨著位移荷載的增加，框架結(jié)構(gòu)的剛度退化速率會隨著CFRP材料厚度的增大而降低。