UHPC加固鋼筋混凝土柱軸壓模擬研究

摘 要：【目的】為研究超高性能混凝土（Ultra－High Performance Concrete，簡稱 UHPC）對鋼筋混凝土柱的軸壓性能的影響?！痉椒ā窟x取1個普通混凝土柱和3個UHPC加固的鋼筋混凝土柱進行豎向軸壓模擬試驗，研究不同加固材料、加固層厚度對鋼筋混凝土柱軸心受壓性能的影響情況。【結果】研究結果表明：UHPC加固的鋼筋混凝土柱和普通鋼筋混凝土柱的荷載—位移曲線趨勢基本一致，但UHPC加固的鋼筋混凝土柱軸壓承載力提升更為明顯，并且隨著加固層厚度的增加，承載不斷提高。本研究分別選取20 mm、30 mm、40 mm厚度的UHPC加固層鋼筋混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱進行承載力比較，加固后的鋼筋混凝土柱承載力分別提高了154.6%、192.9%、264.1%?！窘Y論】對試驗結果進行分析，為進行承載力試驗提供了數據支持，也為工程實際提供理論依據。

關鍵詞：鋼筋混凝土柱；軸壓性能；有限元分析；承載力

中圖分類號：TU375.3" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）13-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.014

Simulation Study on Axial Compression of UHPC Consolidated

Reinforced Concrete Columns

WANG Zhongqiang HUANG Guan

（ Changsha University of Technology， Changsha 410000，China）

Abstract： [Purposes] This paper is to study the effect of ultra-high performance concrete （ UHPC ） on the axial compression performance of reinforced concrete columns. [Methods] Simulation experiments of vertical axis pressure were conducted for one ordinary concrete column and three reinforced concrete columns consolidated by UHPC. The effects of different reinforcing materials and thickness of reinforcing layer on the axial pressure performance of reinforced concrete columns were examined. [Findings] The results show that the load bearing curve and displacement curve of UHPC consolidated reinforced concrete columns and ordinary reinforced concrete columns are basically the same， but the bearing capacity of the axis of" the UHPC consolidated reinforced concrete columns is much better than conventional reinforced concrete columns and is continuously improved with the increase in the thickness of the reinforcing layer. In this study， 20 mm， 30 mm and 40 mm of the UHPC consolidated reinforced concrete columns were selected. They are compared with the conventional reinforced concrete columns in terms of the bearing capacity， and the bearing capacity of the consolidated reinforced concrete increased by 154.6%， 192.9% and 264.1% respectively. [Conclusions] The analysis of the test results provides data support for the bearing capacity test and also provides a theoretical basis for engineering practice.

Keywords： reinforced concrete column; axial compression performance; finite element analysis; bearing capacity

0 引言

根據最新統計，在我國城鎮現有的150億m2建筑面積中，近45億m2的建筑因長時間運行而產生安全問題或已步入功能退化期［1］。鑒于當前社會各種資源的耗費，結構加固改造技術顯得尤為重要，它不但能夠有效降低各種資源的消耗，還能夠最大限度地保護建筑物的歷史文化藝術價值。有學者指出的結構加固方式，如增大截面法、置換混凝土加固法和粘鋼法，雖然能夠滿足一定的要求，但是在需要大幅度提高結構承載力和剛度時，仍然存在一定的局限性［2］。因此，在改進傳統的加固方法的基礎上，出現了很多新的加固材料和加固方法。

二十世紀末，研究者們發現了一種全新的結構材料——超高性能混凝土（UHPC），它不但擁有極高的硬度和耐久，而且還擁有出色的耐磨、抗爆、耐腐蝕及快速硬化等特性［3-4］。到目前為止，UHPC已被廣泛運用到橋梁、建筑、市政、核電等工程之中，深受加固行業研究者們的青睞［5-6］。UHPC加固法也代替了很多傳統的加固方法，運用到大型的橋梁和建筑的加固中。

UHPC成為近年來學者們研究的一個熱點話題，Alaee等［7］首次將摻入鋼纖維的UHPC材料對混凝土梁進行加固， TanafsLar［8］提出了一種新的加固技術，將預制 UHPC薄板與鋼筋混凝土梁結合起來，以提高橋面的抗剪特性；Bruhwiler［9］將 UHPC加固技術與材料防水性能相結合，應用于橋面補強中；Bahraq等［10］研究了 UHPC增強梁的抗剪特性；Lam等［11］對FRP約束 UHPC受壓特性進行了深入研究；Azad等［12］采用外包法對鋼筋混凝土梁進行補強；本研究采用Abaqus有限元軟件對UHPC加固的鋼筋混凝土圓柱進行模擬計算分析，得到受壓過程中的應力分布規律和荷載變化規律，從而揭示加固柱在軸壓作用下的受力機理，為相關規范編寫提供依據。

1 有限元模型建立

1.1 材料本構選取

1.2 UHPC加固鋼筋混凝土柱有限元模型

本研究共模擬了4根鋼筋混凝土短柱，分為兩組。第一組為普通混凝土柱，強度等級為C30，縱向受力鋼筋采用12根HRB400，直徑為18 mm的鋼筋，并沿著組合柱截面周圍均勻布置，柱截面尺寸為300 mm，高度為900 mm，保護層厚度為20 mm。第二組為UHPC組合柱，內部核心混凝土的強度等級為C35，加固層厚度為20 mm、30 mm、40 mm，組合柱外徑為300 mm，高度為900 mm，縱筋布置與第一組相同，纖維網采用耐堿玻璃纖維螺旋環繞鋼筋充當內模。Z1～Z4的配筋圖如圖5、圖6所示。

本次模擬共創建了5種材料屬性，分別為內部核心混凝土柱、原柱縱筋、原柱箍筋、普通混凝土保護層、UHPC保護層。采用位移控制加載使整個圓柱截面隨之產生相同大小的位移。桁架單元由縱向鋼筋和箍筋組成，在柱的上表面施加豎向位移，下表面則創建完全固定的邊界條件U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，試驗柱荷載及邊界條件如圖7所示，有限元模型截面網格劃分如圖8所示。

2 有限元分析

2.1 荷載—位移曲線

Z1～Z4荷載—位移曲線如圖9所示。由圖9可知，在其他條件相同的情況下，隨著加固層厚度的增加，四根試驗柱的荷載—位移曲線的總體趨勢大致類似。

與控制試件Z1相比，UHPC保護層的應用能夠顯著提高試驗的承受能力，其中，當保護層厚薄分別為20 mm、30 mm、40 mm時，強度分別提升了154.6%、192.9%和264.1%，這表明UHPC保護層能夠有效提升試件的承受能力，而且由于保護層厚度的增加，強度也會隨之提升。這種情況的出現，一方面是由于UHPC增大截面法，增大后的截面會承受額外的荷載，另一方面也是由于UHPC保護層的應用能夠有效減少試驗的荷載，從而大大提高試驗的承受能力。UHPC保護層的存在使得它們與內部核心混凝土產生了一種約束作用，而且由于箍筋的存在，這種約束作用還能夠提升加固柱的強度。

2.2 受壓損傷云圖

選取試件Z1、Z2進行對比研究，兩組試件除了保護層的材料不同之外，其他條件都相同的，二者的混凝土受壓損傷云圖如圖10、圖11所示。

通過分析受壓損傷云圖可知：①兩組試件都是混凝土柱中間受損最為嚴重，受損情況由柱中間向柱兩端逐漸減弱，且最大損傷因子為0.967，出現此情況，是因為柱中間地方受約束最弱，導致該位置損傷發展最充分；②UHPC保護層相較于普通混凝土保護層有更好地抑制內部核心混凝土受損的能力，Z2試件柱中心處受損依然嚴重，但是損傷因子超過0.9的區域較試件Z1明顯減小且損傷因子小于0.5的區域超過了50%。

2.3 應力應變云圖

Z1試件的應力應變云圖如圖12、圖13所示，Z2試件的應力應變云圖如圖14至圖16所示。

通過分析應力應變云圖可知：①加固后的混凝土柱出現了較為明顯的剪切破壞，原混凝土柱和UHPC加固層出現了“波浪”形的混凝土損傷模式；②混凝土的等效塑性應變（PEEQ）最大值由普通混凝土加固的0.027 9增加到UHPC加固的0.037 9，UHPC的PEEQ為0.046 3；③兩種加固柱中縱筋的最大應力遠小于其屈服強度，然而箍筋的最大應力都達到了其極限強度，其中位于柱中間部位的鋼筋最易屈服，柱兩端的箍筋應力值都比較低，出現此情況是由于柱中間的混凝土先強度退化，相當于最早內應力重分布。

3 結論

通過有限元模擬UHPC加固鋼筋混凝土柱軸心受壓承載力，得出以下結論。

①UHPC加固鋼筋混凝土柱能夠較大程度地提高其承載力，并且承載能力隨著加固層的增加而不斷提高。

②無論用何種材料加固混凝土柱，柱中間部位混凝土受損都是最為明顯的，損傷發展也最為充分，因此也會導致相應部位的鋼筋最先屈服。

③對鋼筋混凝土圓柱進行UHPC加固模擬，為實際工程應用提供了理論依據。

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