UHPC外包RC柱軸壓力學性能模擬研究

戚曉楠，薛大鵬

(大連海事大學交通運輸工程學院，遼寧 大連 116026)

1 概述

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete-UHPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料。由于采用了不同于普通混凝土的配合比設(shè)計，UHPC具有相較于普通混凝土更強的耐久性和更高的力學強度[1]，被公認為極具發(fā)展前景和工程應(yīng)用價值[2]。

UHPC在20世紀70年代起源于丹麥[3]，1998年由清華大學的覃維祖教授首次引入國內(nèi)[4]，近年來已成為國內(nèi)外土木領(lǐng)域研究的熱點[5]。但目前國內(nèi)外學者對于UHPC外包構(gòu)件力學性能的研究更多地集中在梁板，對于墩柱的研究相對較少。本文擬通過有限元模擬的方法研究UHPC外包RC柱的軸壓性能，以及外包層厚度、箍筋間距、混凝土強度、縱筋配筋率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對于外包柱軸壓性能的影響，為UHPC工程應(yīng)用提供一定的參考。

2 UHPC加固RC柱有限元模型的建立

本論文基于理論與模擬結(jié)合的思想，采用大型有限元軟件ABAQUS進行UHPC加固RC柱軸壓性能的模擬研究。為保證模擬的合理性及正確性，以文獻[6]中的普通RC柱軸壓試驗為參考，繪制與其相同的模型，并將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比；若兩者吻合得較好，則可驗證有限元模型的合理性，可將其作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。

2.1 材料本構(gòu)

UHPC本構(gòu)及鋼筋本構(gòu)采用與文獻[6]相同的本構(gòu)模型；將模擬試件所采用的混凝土本構(gòu)分為兩個部分：外部無箍筋約束的混凝土和核心區(qū)受箍筋約束的混凝土，兩部分混凝土采用不同的本構(gòu)模型，無約束的普通混凝土采用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范所推薦本構(gòu)模型[7]；核心區(qū)受箍筋約束的混凝土采用過鎮(zhèn)海提出的矩形箍筋約束混凝土本構(gòu)[8]。首先需要計算約束指標λt以判斷箍筋約束作用的強弱。約束指標以0.32為臨界，λt>0.32為強約束，反之為弱約束。強弱約束采用不同的本構(gòu)計算公式，具體計算公式如圖1所示。

圖1 計算公式

2.2 對比柱及UHPC外包柱有限元模型建立

本模擬采用的試件尺寸，部件配置全部參考文獻[6]中的設(shè)置。用于對比的普通RC柱所采用的混凝土強度、彈性模量及CDP模型參數(shù)的選取均與文獻[6]相同，以保證用于對比的未加固柱模型準確合理。

普通強度混凝土NSC及超高性能混凝土UHPC采用C3D8R單元繪制網(wǎng)格，鋼筋則采用兩節(jié)點線性三維桁架單元T3D2繪制網(wǎng)格，假定內(nèi)部核心區(qū)混凝土與外部普通混凝土之間不存在相對滑移，采用tie約束連接兩種材料；鋼筋使用embeded region約束內(nèi)置于RC柱中；在模型兩端設(shè)置參考點，并將參考點與平面耦合，作為荷載及邊界條件作用點；模型采用位移加載控制荷載的施加，邊界條件為完全固結(jié)，建立模型如圖2所示。

2.3 UHPC外包柱模型合理性驗證

由于模擬無法像試驗一樣直觀地觀察試件破壞情況，因此在本模擬中定義模擬試件到達峰值承載力即為結(jié)構(gòu)破壞，荷載-位移曲線以峰值承載力點為臨界點截斷。通過對比本模擬與文獻[6]的荷載-位移曲線(見圖3)，發(fā)現(xiàn)兩條曲線吻合較好，且模擬承載力與試驗承載力基本相同，表明模型可用于后續(xù)研究。

3 UHPC外包RC柱軸壓性能模擬研究

UHPC外包RC柱模擬試件的模型是在前述對比柱模型的基礎(chǔ)上，剝落原有保護層混凝土，代以UHPC外包層建立而成，模型的其他設(shè)置與前述對比柱相同；各模擬試件的具體設(shè)計如表1所示。

表1 各模擬試件配置表

UHPC外包RC柱軸壓模擬通過改變UHPC外包層厚度、縱筋配筋率、箍筋間距、核心區(qū)NSC強度等結(jié)構(gòu)參數(shù)來研究UHPC外包RC柱軸壓性能，分析模擬試件的承載力及應(yīng)變等指標，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)對于試件承載力和應(yīng)變的影響規(guī)律并確定主要影響參數(shù)。

3.1 承載力分析

RC柱是主要承受豎向荷載的構(gòu)件，承載力是評價UHPC外包RC柱效果的重要指標，因此對各模擬試件的峰值承載力進行對比及分析，各模擬試件的承載力如表2，圖4所示。

表2 各試件模擬承載力結(jié)果匯總表

表2中PDBZ為未加固柱峰值承載力。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，當RC柱保護層混凝土由普通混凝土替換為UHPC后，試件在軸壓作用下的峰值承載力得到顯著提升；當UHPC外包層厚度為15 mm，20 mm，25 mm，30 mm(WBZ1，WBZ2，WBZ3，WBZ4)時，模擬試件的峰值承載力較對比柱峰值承載力的提升幅度分別為73.69%，93.35%，121.53%，151.42%，說明隨著UHPC外包層厚度的增大，峰值承載力的提升幅度亦逐步增大。

對比WBZ4，WBZ5，WBZ6的峰值承載力可以發(fā)現(xiàn)，當箍筋間距加密至50 mm時，軸壓條件下的峰值承載力提升幅度為6.51%；當箍筋間距增大至125 mm時，峰值承載力的降低了5.16%，說明改變模擬試件的箍筋間距對峰值承載力的影響并不顯著。對比WBZ4，WBZ7，WBZ8模擬數(shù)據(jù)可知，縱筋配置變?yōu)?φ14，4φ18時，試件的峰值承載力變化幅度為1.08%，7.47%，說明在軸向加壓條件下，改變縱筋配置對于試件的峰值承載力影響不大。對比WBZ4，WBZ9，WBZ10的模擬承載力可知，當核心區(qū)NSC強度等級變?yōu)镃20，C50時，試件的峰值承載力變化幅度分別為5.8%及2.25%，說明外包層厚度一定時，改變核心區(qū)NSC強度對試件峰值承載力的影響不大。

3.2 荷載-位移曲線

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下模擬試件荷載-位移曲線如圖5所示。

通過比較各模擬試件的曲線可知，加固層厚度越大，曲線上任意一點的切線斜率就越大，表明模擬試件的剛度會隨著加固層厚度的增大而增大；且經(jīng)過UHPC加固的所有模擬試件的峰值位移均較未加固的DBZ大，這是因為加固柱的極限狀態(tài)為UHPC達到峰值應(yīng)變，而UHPC的峰值應(yīng)變遠遠大于核心區(qū)NSC，故所有加固柱的峰值位移均大于未加固柱。

3.3 應(yīng)變分析

圖6為各模擬試件的荷載-應(yīng)變曲線，其中NSC1代指核心區(qū)NSC橫向應(yīng)變，NSC2代指核心區(qū)NSC縱向應(yīng)變，UHPC1代指外層UHPC橫向應(yīng)變，UHPC2代指外層UHPC縱向應(yīng)變。從圖6中可以看出，在軸向荷載從零逐漸增加到峰值的過程中，核心區(qū)NSC和外圍UHPC的橫向應(yīng)變基本相同，說明外圍的UHPC并未對核心區(qū)NSC產(chǎn)生約束作用，兩種混凝土之間亦不存在相互作用；并且核心區(qū)NSC和外圍UHPC的縱向應(yīng)變亦基本相同，說明軸力作用于模擬試件時，兩種混凝土之間并無相對滑移，可共同承擔荷載。

4 結(jié)語

本文利用有限元軟件ABAQUS對UHPC外包RC柱軸壓性能進行了模擬，主要研究了外包層厚度、箍筋間距、縱筋配置及核心區(qū)NSC強度等級對于模擬試件峰值承載力及應(yīng)變的影響，通過分析模擬試件的荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線，得出了以下結(jié)論：

1)使用UHPC替換RC柱外層保護層普通混凝土可顯著提升RC柱在軸壓下的峰值承載力，并且隨著UHPC外包層厚度的增大，峰值承載力亦逐漸增大，峰值承載力的提升幅度也逐漸增大；

2)使用UHPC外包RC柱亦會提升RC柱的剛度及變形能力；

3)在本模擬設(shè)計下，箍筋間距、縱筋配置及核心區(qū)NSC強度對UHPC外包RC柱的峰值承載力影響較小。