芳綸纖維加固RC 短柱抗震性能數值模擬研究

劉麗玲

（黎明職業大學 土木建筑工程學院，福建泉州 362000）

隨著我國城鎮化進程加速，高層建筑逐年增加，低層柱由于受荷大，其截面尺寸要求比較大，容易形成剪跨比小的短柱。短柱的破壞一般是脆性破壞，并且短柱由于其抗側剛度比較大，會吸收更多的地震力，容易遭受嚴重的破壞。歷次震害[1-2]結果調查表明：短柱容易遭受破壞，引發結構安全問題。因此，有必要對結構短柱的問題加以足夠的重視。《建筑抗震設計規范》規定：剪跨比不大于2 的柱，軸壓比限值應降低0.05；剪跨比小于1.5 的柱，軸壓比限值應專門研究并采取特殊構造措施；并且規定短柱要全高加密。然而早期建筑的房屋或者橋梁，其抗震構造措施無法滿足現行規范的要求。因此，研究短柱的抗震加固方法尤為重要。而復合纖維材料（FRP）加固RC短柱方法由于具有易施工、工作面小以及不增加短柱的體積等優點而備受青睞。復合纖維布可以任意裁剪，施工可操作性強，所以纖維布加固方法被廣泛應用于各個類型結構、各個形狀結構的各個部位，對于隧道、大型筒體等其他加固方法比較難實施的結構，纖維布加固都能解決。復合纖維布加固在國內外得到了廣泛的應用[3-4]。

目前，國內外學者對復合纖維加固短柱展開研究主要集中在碳纖維加固，對芳綸纖維加固短柱的研究比較少，而芳綸纖維具有較好的抗剪抗沖擊強度，柔軟易彎折，不會形成屏蔽等優點是碳纖維所無法比擬的[5]；且現有的研究多為試驗研究，受試驗條件限制，缺乏多參數作用下短柱加固性能的研究。因此，進行多參數下纖維加固短柱特別是芳綸纖維加固短柱的研究顯得很有必要。本文利用有限元OpenSees 軟件，通過改變參數，分析芳綸纖維加固短柱的抗震性能，以獲得不同參數作用下芳綸纖維加固短柱抗震性能方面的特點，給實際工程應用提供參考數據。

1 試件設計

本文設計了9 根鋼筋混凝土短柱，分別對比未加固柱、芳綸纖維（簡稱AFRP）加固柱在不同軸壓比、不同剪跨比和不同加固量情況下的抗震性能。未加固短柱設計為剪切破壞模式，尺寸為300×300mm，縱筋420，方箍配置為ф8，間距為60mm。短柱凈高0.5m（或0.6m），下端固定。混凝土強度等級為C30，保護層厚度為25mm。試件的剪跨比分別是1.67 和2.0；軸壓比分別為0.4 和0.5，加固層數分別為1 層和2 層，采用全高連續包裹的加固方式。試件幾何尺寸和配筋圖詳見圖1。各個試件的基本參數和各種材料性能指標見表1 和表2。ф

表1 各試件基本參數

圖1 試件幾何尺寸和配筋圖

2 數值模型

本研究采用OpenSees 軟件進行模擬。首先需要建立截面單元，分為未加固試件和加固試件截面單元，單元劃分如圖2。未加固試件截面單元劃分為縱筋纖維、核芯區混凝土纖維和保護層混凝土纖維；芳綸纖維加固試件單元劃分為縱筋纖維、保護層混凝土纖維、核芯區混凝土纖維和芳綸纖維加固層纖維。本試件模型經過多次試算，短柱豎向按高度平均劃分為4 個單元能得到較好的模擬效果，其中每個單元的積分點數為5 個。

圖2 短柱截面纖維和豎向單元劃分示意圖

經過前期試算和對比，數值模型中的材料本構關系選擇如下：縱筋纖維選擇OpenSees 軟件提供的Steel02 模型；除縱筋外的其他材料本構選擇軟件內的ConfinedConcrete01 模型，ConfinedConcrete01 模型是D’Amato M.[6]提出的混凝土約束模型，該模型考慮了截面形狀、箍筋放置方式和外包材料的約束作用，它將混凝土、約束材料和箍筋相關參數都集中于一條命令中，保護層混凝土、外包材料、箍筋的基本參數體現在ConfinedConcrete01本構模型中。利用ConfinedConcrete01 本構模型建模時需要提供未約束混凝土的抗壓強度、混凝土彈性模量、約束混凝土的極限應變、箍筋直徑、箍筋間距、箍筋屈服強度、箍筋的放置方式、纖維布的厚度和極限抗拉強度、纖維布的彈性模量等參數，這些參數值見表2 材料性能指標和圖1 試件幾何尺寸和配筋圖。

表2 材料性能指標

本模型采用基于力的非線性梁柱(Nolinear Beam Column)單元模擬加固墩柱的滯回性能。經過與文獻[7]中的試驗結果比對，采用非線性梁柱(Nolinear Beam Column)單元和ConfinedConcrete01本構模型，兩者搭配能得到較為理想的模擬效果。在進行數值分析計算時，首先把豎向荷載加到724kN（軸壓比0.4）或904.5kN（軸壓比0.5）,然后采用位移模式進行水平向加載，設置多種迭代算法、采用能量收斂準則計算中止條件。

3 結果及分析

3.1 滯回曲線

各個試件的滯回曲線圖見圖3。通過對比分析可以看出，未加固短柱的滯回曲線形狀扁平，加固后短柱的滯回曲線變飽滿，說明芳綸纖維加固短柱能提高其耗能能力；加固兩層纖維布比加固一層纖維布的曲線更飽滿，說明加固量變多，短柱的耗能更強；軸壓比越高且剪跨比越小，短柱的滯回曲線越扁平，說明耗能越差[8]。各個試件的能量耗散系數分析見表3。從表3 中可以看出剪跨比1.6、軸壓比0.4 的A0 試件加固后，其耗能系數提高較多，達到了35%（一層纖維布加固）和43%（二層纖維布加固）；軸壓比更大的B0 試件以及剪跨比更大的C0 試件加固后，其耗能系數提高程度沒有A0 試件加固后高，說明芳綸纖維加固低軸壓比和低剪跨比短柱的效果更顯著。

表3 試件耗能能力計算表

圖3 各試件滯回曲線圖

3.2 骨架曲線

各個試件的骨架曲線如圖4。從圖表中可以明顯看出，短柱加固后，破壞時的極限位移增大；并且隨著加固層數增多，短柱的極限位移有增大趨勢。編號為A 的試件以及編號為C 的短柱試件軸壓比為0.4，剪跨比則分別為1.67 及2.0，編號為C 的試件軸壓比為0.5，剪跨比為2.0。從骨架曲線中，可以看出剪跨比和軸壓比都會影響加固短柱的承載力：軸壓比增大，加固短柱的承載力增大；剪跨比增大，加固短柱的承載力變小。

圖4 試件骨架曲線圖

骨架曲線分析結果列于表4 中。從表中可以看到，短柱加固后其極限承載力也有所提升，但幅度不大；短柱加固后，短柱的延性得到大幅提高；本模型中，短柱經過一層芳綸纖維布加固后，其延性系數提高了50%左右，經過兩層芳綸纖維布加固后提高程度達到90%以上；由此可見，芳綸纖維布加固短柱對于提高短柱的變形性能效果良好。

表4 試件骨架曲線分析結果

4 結論

利用有限元軟件OpenSees 對芳綸纖維加固短柱進行模擬分析，考慮剪跨比、軸壓比和加固量對短柱的影響，分析芳綸纖維加固短柱抗震性能方面的特點，得到以下結論：

芳綸纖維加固短柱能有效提高短柱的耗能能力，其中對低軸壓比和低剪跨比短柱加固效果更好。芳綸纖維加固對于短柱極限承載能力提高程度有限，本文最大提高程度為5.1%；但芳綸纖維加固能有效提高短柱的延性，且加固短柱的延性隨著加固量增加而增加。本數值模擬未考慮短柱表面和芳綸纖維布的滑移現象，這個需要在后續的研究中考慮。