碳纤维宽度对加固钢筋混凝土柱偏压性能的影响

碳纤维宽度对加固钢筋混凝土柱偏压性能的影响

葛,楠

东北石油大学土木建筑工程学院 黑龙江大庆 163318

摘要：随着我国城市化进程的不断加剧，许多城市内老旧房屋急需加固改造，本文意在利用CFRP的优势，加固城市内老旧房屋。本文采用ABAQUS有限元模拟的方法，探究了不同探究不同CFRP宽度下组合柱的极限承载力。结果表明：CFRP条带能提高混凝土柱的极限承载力，但不同CFRP宽度对提高混凝土柱极限承载力并不明显。

关键词：CFRP条带；宽度；组合柱；abaqus模拟

中图分类号：TU352.1文献标识码：A

近年来，随着我国城市化进程的不断加剧，许多城市内老旧房屋急需加固改造，CFRP凭借其经济、重量轻和施工方便等特点，逐渐成为老旧房屋加固的首选。近年来，许多学者对CFRP加固钢筋混凝土柱进行了研究[1]-[5]，研究包括：偏心距、层数、间距和长径比等因素，对CFRP条带宽度的研究较少。鉴于此，本利用ABAQUS对不同CFRP条带宽度的钢筋混凝土柱进行模拟，探究不同CFRP宽度下组合柱的极限承载力，为日后的工程实践提供技术支撑。

1  有限元建模

1.1  试件设计

为了探究不同CFRP条带宽度对混凝土柱偏压性能的影响，现设计12根直径为600mm，高度为2700mm的混凝土柱，模拟试件CFRP条带宽度取100mm，200mm，300mm；CFRP层数取一层和三层；条带间距取100mm，300mm，偏心距为25mm和50mm分组由I、J、K和L四组组成。

1.2  模型建立

混凝土本构采用滕锦光提出的FRP约束混凝土模型；钢筋本构采用符合VonMises屈服准则的双线性理想弹塑性模型；CFRP在构件上主要功能为约束核心混凝土，主要受到环向的拉应力，当构件受到荷载时，CFRP随着荷载增加逐渐增加到极限荷载时退出工作状态，具体本构模型如图一所示。

混凝土均采用C30，弹性模量为3.0×104MPa，泊松比为0.2，定义为C3D8R六面体减缩积分单元；纵筋和箍筋分别为HRB400和HRB335，弹性模量和泊松比均为2.0×105MPa和0.3，钢筋笼采用T3D2三维二节点析架单元；CFRP[6]厚度为0.167mm，定义为M3D4膜单元。

利用ABAQUS建立CFRP条带、混凝土柱和钢筋笼模型，其中CFRP采用“Hashin”损伤模型，条带和混凝土采用“tie”绑定，钢筋笼内置进混凝土柱。底端完全固定即（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0），网格划分为0.1。

2  有限元结果分析

2.1荷载-位移曲线

荷载-位移曲线如图1所示：

图1  不同CFRP宽度下荷载-位移曲线图

根据以上4组构件的荷载-位移曲线可知出，曲线都是一开始处于弹性阶段，荷载随着位移的增加而线性增大，随着荷载的增加，CFRP条带逐渐介入工作区，使其处于非线性状态，曲线趋于平缓。

结合应力云图和荷载-位移曲线可知，CFRP条带宽度变大可以使试件在偏心受压下的变形过程变得略微缓慢。试件CRC-23, CRC-10, CRC-24, CRC-19中混凝土所受的最大应力分别为35.00MPa, 37.22MPa, 43.69MPa和47.42MPa。当CFRP条带宽度变大时整个试件的极限承载力有所提高。在加载后期，CFRP条带对核心混凝土的被动约束效果逐渐加强，提高了混凝土的极限压应变而且使构件受拉侧的整体抗拉强度有所提高，从而改善了构件的受力性能。

从J、K和L可知，J组增大了条带宽度，极限承载力略有提升，使其斜率变化要大于另外两组参数，应选择合适宽度的试件使其能节省材料并满足使用需要；而增大CFRP条带层数可以提高CFRP条带宽度对极限承载力的优化作用；在增大CFRP条带间距时，试件的力学性能略有减弱，但极限承载力与极限位移下降程度不大。

2.2  极限承载能力分析

各组试件的极限承载力和条幅宽度的曲线如图2所示

图2  不同因素下极限荷载曲线图

由曲线可知：I组试件最大承载力分别提升了2.68%和3.79%，J组试件最大承载力分别提升了8.80%和5.23%，J组试件最大承载力分别提升了2.41%和3.23%，J组试件最大承载力分别提升了3.00%和2.81%，可见，提高CFRP的条幅宽度对整体的承载力有所提升，但提高程度有限。但在CFRP层数有所增加时，增加CFRP的条幅宽度对整体提升有帮助，这是由于层数的增加，在加大CFRP宽度的同时能有力的加强柱的整体刚度，提高其承载能力。

3  结论

为探究CFRP条带宽度对钢筋混凝土柱偏压性能的影响，本文设计了12个不同碳纤维层数、偏心距、宽度和间距的组合柱，对其进行偏压模拟分析，通过荷载-位移曲线，现得到以下结论：

1）ABAQUS能有效的模拟CFRP混凝土柱的受力过程

2）混凝土柱上缠绕CFRP能有效提高柱子的极限承载力。

3）CFRP宽度能改变柱子的极限承载能力，但改变幅度十分有限，但增加

CFRP的层数对提高CFRP组合柱的承载力提升较大。

参考文献：

[1]程亚鹏,邹超英.碳纤维条带加固混凝土短柱的试验研究[J].低温建筑技术,2005(05):44-45.

[2] 钱稼茹,刘明学.FRP-混凝土-钢双壁空心管长柱轴心受压试验[J].混凝土,2006(09):31-34.

[3] 李趁趁,刘丽娜,刘清霞.冻融环境下FRP条带加固钢筋混凝土圆柱受力性能试验研究[J].

建筑科学,2009,25(09):53-57+47.

[4] 彭亚萍,刘增夕,马明.条带式FRP约束混凝土方柱的轴压承载力分析[J].

武汉理工大学学报,2010,32(03):24-28.

[5] 梁猛,曲增民,郑述海.CFRP约束圆形混凝土柱尺寸效应试验研究[J].建筑技术,2015,46(S2):160-163.

[6] 陈伟鹏. CFRP条带约束混凝土试验研究[D].广东工业大学,2017.

葛楠（1996年-），男（汉族），东北石油大学硕士研究生，土木水利（结构工程方向）