CFRP加固變電站鋼筋混凝土構架有限元模擬可靠性研究

劉軍，鐘小東，靳承霖

(1.國網湖南省電力有限公司岳陽供電分公司，湖南 岳陽 414000；2.湖南湘材微著檢測技術有限公司，湖南 湘潭 411105；3.湘潭大學材料科學與工程學院，湖南湘潭 411105)

0 引言

湖南電網初期建設的變電站框架大多為鋼筋與混凝土結構。受到環境條件、材料屬性、施工質量、工藝水平等因素的影響，框架使用了很長一段時間后，多存在表面碳化混凝土，混凝土膨脹、開裂、剝落，肉眼可見的裂縫，鋼筋的腐蝕等問題[1]，這些問題的存在將會嚴重影響框架的使用可靠性、安全性及壽命，因此對混凝土框架進行加固和維修是有必要的。碳纖維增強材料(CFRP)有著力學性能好、輕質、耐腐蝕且耐久等優點，采用外貼纖維增強復合材料(CFRP)加固框架是一種非常有效的方法。

利用FRP材料修復加固已破損的鋼筋混凝土結構的方法，在國內外已有相當多的試驗案例。最早于20世紀80年代末在發達國家興起，歐美、日本等已對FRP加固技術進行了許多階段的試驗研究[2－6]。日本神戶大地震和韓國的三豐百貨大樓倒塌后，碳纖維被廣泛用于修復受損的混凝土結構[7]；CFRP于1991年首次用于加固瑞士的伊巴赫大橋。國內對FRP加固技術的研究開展較晚，于20世紀90年代，東南大學、清華大學、同濟大學逐漸開始研究使用FRP加固混凝土結構[8－11]，并取得許多成果，形成了成熟的規范和標準。

本文運用ANSYS有限元模擬，對于采用外貼碳纖維增強復合材料(CFRP)加固變電站混凝土框架的方法進行模擬計算，依據計算得出的結果，總結加固方法及加固工藝。

1 有限元模型的建立

1.1 模型創建

由于實地測量的困難與誤差較大，同時客觀要求減少試驗次數，縮短試驗周期，節省開支，通過使用模擬分析工具ANSYS，可以提高效率，削減生產成本。以實際變電站A型柱結構的尺寸為參考，使用三維建模軟件建立的模型如圖1所示，A型柱的鋼筋骨架模型、A型柱的原始模型及使用CFRP包裹修復的計算模型分別如圖1(a)、(b)、(c)所示。在有限元模型中，鋼筋和混凝土相互作用通常被定義為:離散模型、整體模型和組合模型。本文所研究的混凝土構架中混凝土與鋼筋的力學性能差異較大，使用離散模型較為符合實際情況[12]。在鋼筋與混凝土的結構中，鋼筋與混凝土之間有良好的固結作用，不考慮鋼筋與混凝土之間的粘連和滑移，鋼和混凝土完全凝固，鋼筋嵌入整個模型中。在建立CFRP修復模型時，將CFRP布與混凝土梁通過節點耦合的方式進行模擬。

圖1 計算結構模型圖

1.2 材料本構模型

在有限元模型中，混凝土的單軸應力－應變關系可分為三個階段:彈性階段、屈服強化階段和軟化階段。拉伸應力－應變關系中，在峰值應變前假設為線彈性，隨后發生開裂，裂縫不斷展開，導致混凝土軟化。根據GB 50010—2010?混凝土結構設計規范(2015年版)》[13]，分別按照式(1)和式(2)計算得到混凝土的單軸拉伸應力－應變關系和壓縮應力－應變關系；混凝土材料的應力－應變關系如圖2所示；其余需要輸入的參數見表1。

表1 混凝土的材料屬性參數

圖2 混凝土應力－應變關系

式中，dt和dc分別為混凝土單軸受拉和受壓損傷演化參數；σ為應力；ε為應變；Ec為混凝土彈性模量。

鋼筋是金屬材料，通常使用理想的彈塑性模型[14]，在ANSYS程序中，鋼筋的屈服準則采用雙線性隨動強化材料BKIN[14]，鋼筋需要輸入的參數見表2，應力－應變公式如下:

表2 鋼筋的材料屬性參數

式中，σs為鋼筋的應力；εs為鋼筋的應變；εy為鋼筋的屈服應變；Es為彈性模量；σy為屈服強度。

將CFRP視作各向同性材料[15]。泊松比ν＝0.3，其拉伸強度是普通鋼筋的10倍以上，因此可以認為是只考慮極限強度而非屈服強度的理想彈性材料，當纖維超過其拉伸強度，纖維斷裂，計算即會停止。為簡化計算，假定CFRP與混凝土之間存在理想的粘結情況，兩者不會發生剝離，與混凝土協調變形[16]。對應的本構關系曲線如圖3所示。

圖3 CFRP本構關系

其余需要輸入的參數見表3。

表3 FRP布的材料屬性參數

2 變電站A型柱的加載與分析

2.1 加載方式和邊界條件

變電站構架實際主要受導線、避雷線及變電站自身的通風負荷和垂直載荷；其次，當導線被冰覆蓋時，相應的風載荷及垂直方向的載荷；導線的張力(拉力)會對變電站產生較大的扭力矩和剪力；并且考慮在安裝導線過程中，所施加在變電站構架上的力。荷載組合是變電站構架運行中常遇到的情況，而非重大極端載荷，合理的組合以上各種外部的載荷，選擇對變電站產生最大的力，從而確定適當的加載方式[17]。

混凝土構件和CFRP受到均勻載荷，在運算處理中，各載荷增量對應于各個應力狀態。在具體混凝土的部件模型中，底部施加固定約束，以模擬A型柱根部節點，保證底部沒有位移或者偏轉；將頂部進行約束，使其只可以在同一平面內的同一水平線上前后往復移動[15]。

模型中荷載沿A型柱頂端中心加載，荷載方向沿水平方向，按分級加載的方式施加水平載荷，直至破壞[18]。

2.2 計算結果與分析

對變電站A型柱的原始模型與用CFRP布包裹修復的模型進行對比分析。對單元定義實常數和材料特性，對模型進行網格劃分，設置分析類型與分析選項，并施加約束及荷載，運用載荷步施加載荷的方法，進行求解。檢查分析結果，輸出所需的數據與圖形結果。圖4為變電站A型柱原始模型達到極限荷載時的應力云圖。

如圖4所示，結構達到極限荷載時，鋼筋及混凝土的最大應力都出現在整個結構上部位置，梁柱節點是鋼筋混凝土框架結構的薄弱位置，重點要加固梁柱節點位置；從圖5應力－位移曲線可以看出，原混凝土A柱框架的極限所受應力為461.1 MPa，圖5中，位移為A柱框架的整體最大位移，極限位移為270.63 mm。

圖4 原始結構達到極限荷載時的應力云圖

圖5 原始結構模型應力－位移曲線

圖6為CFRP修復模型達到極限荷載時的應力云圖，圖6(a)、(b)、(c)分別為CFRP修復模型的鋼筋模型云圖、修復模型混凝土模型云圖及CFRP布模型云圖。

圖6 CFRP修復模型達到極限荷載時的應力云圖

如圖6(a)所示，CFRP布加固A型柱在受力過程中，出現上端鋼筋先屈服，此時整個結構進入屈服狀態；結構達到極限荷載時，如圖6(b)所示，混凝土的最大應力出現在結構上部的梁柱節點位置。從圖7應力－位移曲線可以看出用CFRP加固混凝土A形柱框架的極限所受應力為461.1 MPa；且加固后的A形柱的極限位移為328.16 mm。

圖7 CFRP布加固模型應力－位移云圖

通過上述計算，最終得到數值見表4。

表4 變電站混凝土原始結構與加固結構對比

由表4分析可知，在施加相同的水平荷載作用下，用CFRP布修復變電站混凝土構架與原始結構相比，所受最大應力增加大約39%；且加固后的A形柱的極限位移為328.16 mm，比原始結構的極限位移提高了21%，表明CFRP布加固后，混凝土框架的延性增強。

3 結語

對變電站混凝土框架利用CFRP加固的構架進行模擬仿真，由結果分析可知:

1)在施加相同的水平荷載作用下，使用CFRP包裹加固的變電站混凝土框架，極限所受應力得到有效地提高，提高了39%；極限位移也被提高了21%，混凝土構架的延性增加；

2)發現A型柱混凝土結構的弱點在于梁和傾斜柱之間的節點，具體表現為形式混凝土開裂和剝落，之后的強化需要集中在這個位置。為了達到約束效應，在節點位置應該保證有足夠的CFRP布加固量；

3)完善成熟的有限元分析軟件可以相對準確有效地對試驗提供指導，能全面地模擬分析構件的受力情況，有助于科學研究全面展開。