构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响.pdf

第2 0 卷第9 期2023年9月D0I:10.19713/ki.43-1423/u.T20221865铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and Engineering构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响Volume 20Number 9September2023卢春玲1,2 3.4，雷振新，郭铖，王强1,2(1.广西绿色建材与建筑工业化重点实验室，广西桂林5410 0 4；2.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林5410 0 4；3.桂林理工大学广西有色金属隐伏矿床勘查及材料开发协同创新中心，广西桂林5410 0 4；4.广西壮族自治区智慧结构材料工程研究中心，广西桂林5410 0 4)摘要：为研究高轴压比下配筋率、配箍率和剪跨比对预应力碳纤维布加固钢筋混凝土方柱抗震性能的影响，设计并制作5根钢筋混凝土方柱(包括1根未加固柱和4根加固柱)，对其进行低周往复荷载试验。分析在0.7 轴压比下配箍率、配筋率和剪跨比对预应力CFRP加固钢筋混凝土方柱的破坏模式、滞回特征、骨架曲线、刚度退化、延性性能和耗能能力的影响，并利用ABAQUS软件建立有限元模型对试验进行模拟，在验证模型的准确性后，对本次试验进行了扩充参数分析。研究结果表明：高轴压比下，预应力CFRP布加固能有效提高柱的水平承载能力和变形能力，对提高柱的抗震性能有利；配箍率的变化对加固柱的初始刚度和水平承载力影响较小，但对其变形能力和耗能能力影响较大，增大配箍率有利于提高加固柱的变形能力和耗能能力；配筋率对加固柱的水平承载力和变形能力有一定的影响，且与加固柱柱底塑性铰长度正相关，加固设计时应注意CFRP布约束范围完全覆盖塑性铰区；剪跨比的增大对柱的变形能力有明显的提高，但对水平承载力和刚度有极为不利的影响，对于剪跨比较大的柱，CFRP布的利用率较低，加固效率不高。研究成果可为高轴压比下预应力碳纤维布加固桥墩设计和工程应用提供试验依据。关键词：预应力碳纤维布；钢筋混凝土方柱；抗震性能；配筋率；配箍率；剪跨比中图分类号：TU375.3文章编号：16 7 2-7 0 2 9（2 0 2 3）0 9-3437-16文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)Influence of member properties on seismic performance ofprestressed CFRP reinforced pier columnsLU Chunling.*2.3,LEI Zhenxin,GUO Cheng,WANG Qiangl.2(1.Guangxi Key Laboratory of Green Building Materials and Building Industrialization,Guilin 541004,China;2.College of Civil and Architecture Engineering,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;3.Collaborative Innovation Center for Exploration of Hidden Nonferrous Metal Deposits andDevelopment of New Materials in Guangxi,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China;4.Guangxi Engineering Research Center of Intelligent Structural Material,Guilin 541004,China)收稿日期：2 0 2 2-0 9-2 7基金项目：国家自然科学基金资助项目(5156 8 0 15)；广西创新驱动发展专项(桂AA20302006)；广西绿色建材与建筑工业化重点实验室基金资助项目(2 2-J-21-10)；广西重大科技创新基地建设项目(2 0 18-2 42-G02)通信作者：王强(197 9)，男，河南焦作人，副教授，博士，从事结构加固、高性能混凝土方面的研究；E-mail：6 32 544958 q q.c o m3438Abstract:In order to study the effects of reinforcement ratio,stirrup ratio and shear span ratio on the seismicperformance of RC square columns strengthened with prestressed CFRP fabric under high axial compressionratio,the low cycle reciprocating load test of 5 reinforced concrete square columns(including 1 unreinforcedcolumn and 4 reinforced columns)was carried out.The effects of stirrup ratio,reinforcement ratio and shear spanratio on the failure modes,hysteretic characteristics,skeleton curve,stiffness degradation,ductility and energydissipation capacity of prestressed CFRP strengthened RC square columns under 0.7 axial compression ratio wereanalyzed.The finite element model was established with ABAQUS software to verify the test.After verifying theaccuracy of the model,extended parameter analysis was carried out for the tests.The results show that under highaxial compression ratio,prestressed CFRP fabric can effectively improve the horizontal bearing and deformationcapacity of columns,which is beneficial to improve the seismic performance of the columns.The change ofstirrup ratio has less influence on the initial stiffness and horizontal bearing capacity of the strengthened columns,but has greater influence on its deformation and energy dissipation capacity.Increase of stirrup ratio is conduciveto improving the deformation and energy dissipation capacity of strengthened columns.The reinforcement ratiohas a certain influence on the horizontal bearing and deformation capacity of the strengthened columns,and ispositively related to the plastic hinge length at the bottom of the strengthened column.In reinforcement design,itshould be noted that the constraint range of CFRP fabric completely covers the plastic hinge area.The increase ofshear span ratio can obviously improve the deformation capacity of the columns,but has a very adverse effect onthe horizontal bearing capacity and stiffness.For columns with large shear span ratio,the utilization rate of CFRPfabric is low and the reinforcement efficiency is not high.The research results can provide an experimental basisfor the design and engineering application of bridge piers strengthened with prestressed CFRP sheets under highaxialcompression ratio.Key words:prestressed CFRP fabric;reinforced concrete square column;seismic performance;reinforcementratio;stirrup ratio;shear span ratio铁道科学与工程学报2023年9月近年来，我国地震频发，例如2 0 0 8 年汶川8.0级地震、2 0 10 年玉树7.1级地震2、2 0 13年雅安7.0级地震3、2 0 17 年九寨沟7.0 级地震等。铁路桥梁是我国铁路基础设施的重要组成部分，也被认为是铁路网中最关键的环节，然而我国许多的铁路桥梁都建在地震频繁的地区。墩柱是桥梁重要的承重结构，研究表明，桥墩在地震荷载作用中容易发生破坏，桥墩受损严重会导致整个桥梁无法使用5，例如汶川地震导致广岳铁路穿心店大桥15号墩墩身破坏、宝成铁路上行线清江7 号特大桥桥墩剪切破坏、柿子坪大桥桥墩严重开裂等。地震后，对受损墩柱进行适当的加固改造通常比更换更经济有效0。采用碳纤维布(CarbonFi-ber Reinforced Polymer,CFRP)约束混凝土墩柱(Re-inforcedConcrete,RC)，可改善其变形能力与抗震性能7，但对柱的普通黏贴CFRP布加固研究中发现，CFRP布的应力和应变相对于核心混凝土与钢筋发展存在一定的滞后问题，加固柱破坏时CFRP布应力应变不大，未能充分发挥其抗拉强度8。而已有研究的预应力度比较低9，柱的加固效果并不理想。因此，本文采用一种新型多层预应力锚固装置，降低了预应力损失，增加了锚固效率，为较高预应力度碳纤维材料约束加固的研究提供了可行性。现有大量研究表明配筋率、配箍率及剪跨比等对钢筋混凝土柱的抗震性能有非常密切的联系。黄镜淳10 研究了BFRP加固低强度混凝土配筋柱的抗震性能，发现剪跨比对加固柱抗震性能的影响最大。张玥等探究了不同配筋率和配箍率对钢筋混凝土墩柱延性性能的影响，认为配筋率和配箍率都保持较低时不利于结构抗震。鲁锦华等12 研究了塑性铰区配筋率变化对桥墩抗震性能的影响，发现提高墩身底部配筋率可以提高墩柱的第9期承载能力、耗能能力及延性。ABDALLAH等13对GFRP加固RC圆柱的抗震性能进行了研究，发现剪跨比的增大对加固柱的承载力有不利的影响。REN等14研究了超高性能混凝土箱形桥墩的抗震性能，发现桥墩的延性随着纵筋配筋率的增加而降低。上述研究大多数是配筋率、配箍率与剪跨比对钢筋混凝土柱或低轴压比下粘贴纤维布加固墩柱的试验研究。而对高轴压比下的预应力CFRP布加固墩柱的抗震性能研究较少。考虑到近场罕遇地震下桥墩可能承受较大轴力，桥墩的轴压比可能较大，对墩柱的抗震性能产生不利影响。因此，本文在高轴压比下对配筋率、配箍率、剪跨比3种构件类型的预应力CFRP加固方柱进行低周往复荷载试验，分析其破坏形态、滞回特征、刚度退化、耗能能力等抗震性能参数的变化，为墩加载点0St应变片810030%L240430OSO I-7300CR1及RC16业16应变片应变815030元L240430300CR-GJ1200单位：mm图1试件几何尺寸及钢筋测点布置Fig.1Dimensions and location of strain gauges for rebar表1材料性能指标Table 1 Material performance indicators材料类型弹性模量/GPa混凝土33.7中8210业16200业2 0200CFRP238卢春玲，等：构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响试件设计和材料性能本文试验共设计5根同一批浇筑的钢筋混凝土方柱试件，其中RC1试件为未加固的标准柱，CR1是预应力CFRP布加固的标准柱试件，其余3根采用预应力CFRP布加固不同构件类型的对比柱。试件的具体设计尺寸及柱体配筋见图1。采用的CFRP布型号为CFS-I-300，CFRP条带的宽度和厚度分别为150 mm和0.17 5mm。混凝土、钢筋与CFRP布力学性能实测值见表1。试件的详细参数方案见表2。为防止加载时柱端发生局压与变形过于集中，导致试件过早发生破坏，在柱两端进行箍筋加密。4506业16.轴心抗压强度/MPa屈服强度/MPa36.13504544323439柱加固设计和工程应用提供试验依据。1试验概况1.1820应变片000810030240430300CR-ZJ6业10008应变片$810030m140元/30200CR-ZJ抗拉强度/MPa3.14886006213 643极限应变0.0030.010.010.010.01653440试件编号N/kNRC12274CR12.274CR-GJ2274CR-ZJ2.274CR-LD1011注：CR-GJ为降低配箍率试件，CR-ZJ为增加配筋率试件，CR-LD为增加剪跨比试件，N为轴向力，n为试验轴压比，n=N/(FA)，f 为混凝土轴心抗压强度实测值，A为柱横截面面积，P,为配筋率，P,为体积配箍率，L为试件水平加载点到柱底距离，D为截面高度，a为预应力度，入=8 mEm/f，m为张拉控制应变，Em为CFRP布的弹性模量，f.为CFRP布的极限拉伸强度。1.2试件的预应力加固方案本次试验所采用的新型楔片式锚具如图2 所示，该锚固装置分为张拉端(楔片端)和锚固端(套筒端)，可对2 层及以上偶数层纤维布进行张拉，在纤维布与锚具组装完成后，可通过拉紧锚固端(套筒端)使各层纤维布等长，避免因长度不一致导(a)(b楔片端套筒端1.3订试验装置与加载方案本试验的拟静力加载装置如图3所示。柱顶千斤顶施加轴向力，千斤顶与反力架之间采用滑动支座，以保证竖向荷载始终作用于柱顶中心，且与柱竖向变形同步，来维持竖向荷载的稳定。柱底为固定的地基梁，以满足固定支座的边界条件。水平荷载由液压伺服作动器提供，在距地梁底面1500mm高处施加。按照建筑抗震试验方法规程采用荷载-位移混合控制，加载制度如图4。纵筋屈服前，按照水平荷载控制，以每级级差50kN进行单次循环加载；纵筋屈服后，用位移控制加载，每级以屈服位移(A,为纵筋屈服时的位移)的倍数逐级进行3次循环加载，加至某级循环的荷铁道科学与工程学报表2 试件详细参数Table 2 Detailed parameters of test specimensn层数条带数0.730.740.740.740.741(a)楔片式锚具；(b)锚具加固实物图；(c)柱立面加固布置图(单位：mm)Fig.2CFRP cloth reinforcement plan and location载降至极限荷载的8 5%时停止。1.4测试内容与测点布置本试验主要测试柱加载点的水平力、水平位移、柱底座水平位移和纵筋、箍筋及CFRP布的应变。钢筋应变片粘贴位置见图1，碳纤维布应变片粘贴位置见图5。2试验现象及破坏形态2.1试验现象1)试件RC1试件RC1为0.7 轴压比下未加固的标准柱。加载初期，水平荷载较小，试件外观无明显变化，当水平荷载达到150 kN时，受拉侧距柱底50 mm2023年9月纵筋布置P/%一6#1630.330.330.330.3图2 CFRP布加固方案及位置箍筋布置P/%1.34中8 10 06#161.346#161.348业2 02.796#101.34致受力不均，影响加固效果。施加预应力时，通过自主设计的配套框架装置，采用千斤顶对其施加预应力，可保证整条碳纤维布在张拉过程中受力均衡，并通过观测贴近锚具端的应变片数值来调控施加的预应力，将其控制在目标值。楔片端osiOLosT套筒端剪跨比(L/D)0.843.5(1050/300)$81000.8481500.56中8 10 00.84中8 10 00.84(c)3.5(1 050/300)3.5(1 050/300)3.5(1 050/300)5.25(1 050/200)第9期处出现首条细微横向裂缝；随着荷载增加，水平裂缝不断增多、变宽，受压侧也开始出现竖向裂缝；加载至2 0 0 kN时，柱底起皮，裂缝不断发展延伸，部分纵向钢筋屈服，试件进入位移控制阶段；加载至1,时，水平荷载达到峰值点，混凝土卢春玲，等：构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响O3441保护层脱落，柱身出现多条竖向裂缝且不断向柱顶延伸，开展速度较快；加载至2,时，柱身斜裂缝增多，柱底塑性铰区箍筋外鼓，纵筋屈曲呈灯笼状，核心混凝土破坏严重，试件丧失承载能力试验结束。最终破坏形态见图6(a)所示。反力架水平滑动板OOO200150100500-50-100-150-200锚具200t液压千斤顶水平作动器试件地锚螺杆千斤顶定位图3试验加载测量示意图Fig.3 Test set up荷载控制图4试验加载制度Fig.4Loading program980uu/v位移控制锚具250201902)试件CR1，C R-G J和 CR-ZJ试件CR1，CR-G J和CR-ZJ为0.7 轴压比下0.3预应力度4层CFRP加固柱，较试件CR1，试件190250单位：mm图5试件测点布置Fig.5 Layout of test pointsCR-GJ和CR-ZJ分别降低了配箍率，增加了配筋率。各试件的破坏形态大致相同，柱底纤维布不同程度断裂或断丝，部分保护层混凝土脱落，延O203442性均优于未加固标准柱。试件CR1与CR-ZJ在加载至18 0 kN左右时，出现首条水平裂缝，分别距柱底10 mm和40 mm,相比试件CR-GJ，试件CR1与CR-ZJ开裂荷载较高；在随后的加载过程中，因预应力CFRP的约束，裂缝数量增加缓慢；进入位移控制阶段，加载至(4,-5,)时，水平荷载达到峰值点，箍筋与CFRP布应变增速加剧，柱底局部CFRP布外鼓，并伴随不同程度断丝。未加固区裂缝开展迅速，柱底混凝土多处脱落；加载至(5,-6,)时，试件CR1与CR-ZJ的纤维布断裂，部分核心混凝土压碎，而试件CR-GJ只是纤维布断丝加剧，柱底部分混凝土保护层脱落，试件CR-ZJ的破坏区域较试件CR1高。最后试件荷载下降至峰值荷载的8 5%时，试验结束。3)试件CR-LD较试件CR1，试件CR-LD剪跨比增大。当水平荷载达到53kN时，距离柱底部30 mm出现第1铁道科学与工程学报条水平裂缝；加载至7 3kN时，两侧纵向钢筋受拉屈服，进入位移控制阶段；加载至5，第1次循环时，荷载达到峰值140 kN，柱底未包裹的混凝土出现部分脱落，竖向裂缝与斜裂缝进一步发展并不断延伸；加载至6，时，承载力迅速下降，破坏突然，破坏时表面较完好，纤维布应变较低，无明显断丝现象。2.2破坏形态各试件的破坏形态与CFRP布破坏形态见图6，试件RC1发生柱底压剪破坏，试件CR1，C R-G J和CR-ZJ在柱底均发生压弯破坏、CR-LD为弯曲破坏。各加固柱与未加固柱RC1相比，破坏程度降低，破坏范围明显减小，钢筋未发生严重变形，核心混凝土没有出现大面积压碎现象。说明在高轴压比下，预应力CFRP布有效约束了钢筋与内部混凝土。2023年9月(a)RC1;(b)CR1;(c)CR-GJ;(d)CR-ZJ;(e)CR-LD图6 试件的破坏形态Fig.6Failure modes of specimens(c)(a)CRl;(b)CR-GJ;(c)CR-ZJ;(d)CR-LD图7 核心混凝土破坏形态Fig.7Core concrete damage patterns第9期对各加固柱破坏形态比较可知，由于试件CR-GJ较CR1配箍率低，箍筋对核心混凝土约束减弱，加载后期，试件承载力下降较快，柱表面混凝土与碳纤维布破坏程度较轻；试件CR-ZJ较CR1配筋率高，随着纵筋率的增大，试件的塑性铰区域范围从柱底向上增大15，该柱的塑性铰区范围已延伸至第2 条CFRP加固带，故该试件破坏时，位于第1条与第2 条CFRP加固带之间的未加固区破坏现象更为严重；试件CR-LD为长柱，预应力CFRP的加固有效地约束了柱身裂缝的发展，同时也提高了加固区柱的刚度，使得本应在柱底小范围的塑性铰区破坏现象转变成柱底第1条CFRP加固带与基础之间未加固区的单条水平弯曲裂缝引起的破坏，且裂缝一旦形成就会沿该区域迅速发展，该处纵筋迅速屈服，从而发生柱接近整体失稳的破坏，所以从图6(e)和图7(d)可以看出，CFRP布并未断裂，柱身加固范围混凝土并未发生明显破坏现象，材料性能并未充分发挥，并且使得柱破坏的区域更为集中，说明该加固方式并不适用剪跨比较大的柱。3试件结果与分析3.1荷载-位移滞回曲线各试件的荷载-位移滞回曲线如图8 所示，试件开始受荷时，加载与卸载的曲线基本在一条直线上，滞回环尚未形成，耗能较少，处于弹性阶段；随着荷载的增加，试件屈服后，开始处于弹塑性阶段，曲线斜率逐渐降低，滞回环面积逐渐增大，耗能不断增加；达到峰值荷载后，曲线斜率进一步降低，刚度退化速率减慢，滞回环形状愈加饱满。在同一批加载位移阶段，由于结构的强度与刚度退化，使后一次循环的荷载值与滞回环面积都较前一次循环小。试件RC1与CR-LD，共同点是滞回环面积都很小，破坏荷载较小，滞回环狭长，破坏较突然，耗能能力与抗震性能较差。不同点是试件RC1在达到水平峰值荷载后，承载力迅速下降，极限位移较小，呈现脆性破坏特征；而试件CR-LD循环次数较多，极限位移较大，呈现延性破坏特征。对比试件RC1与CR1，C R-G J和CR-ZJ可知，采用预应力CFRP加固，刚度退化速率降低，极限位移卢春玲，等：构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响3.2荷载-位移骨架曲线试件的荷载-位移骨架曲线如图9所示。加载初期，骨架曲线为斜直线。随着裂缝的开展，混凝土强度降低，试件的刚度开始退化，骨架曲线斜率减小；试件屈服以后，荷载增加变缓，刚度明显下降；到达峰值荷载后，曲线斜率继续减小，刚度退化衰减变慢，直至达到极限荷载。与试件RC1相比，试件CR1，CR-G J和CR-ZJ的水平承载力、屈服和极限位移都有不同程度的提高，这表明预应力CFRP布加固能有效约束混凝土，抑制裂缝的开展，提高柱的抗剪能力。比较试件CR1与 CR-GJ，CR-ZJ和 CR-LD发现：1)CR-GJ试件在达到峰值荷载之前，骨架曲线与CR1比较接近，但极限位移较小，说明配箍率的变化对承载力影响较小，对极限位移影响较大。2)随着配筋率增加，对骨架曲线初始刚度影响较大，屈服位移与极限位移显著提高，但水平承载力反而减小。3)剪跨比的提高对骨架曲线形状影响最大，试件CR-LD的水平承载力大幅度下降，峰值荷载后无明显下降段，破坏较突然。因此在本试验加固条件下减小箍筋间距、合理降低配筋率与限制剪跨比对加固柱抗震效果更好。3.3延性性能及承载能力延性是构件屈服后，承载力未发生大幅降低或仍具有较高承载力，且有足够塑性变形能力的一种性能。采用位移延性系数来说明试件的延性性能。其延性系数按式(1)计算：=A./,3443增加，滞回环更加饱满，耗能显著提高。对比试件CR1与CR-GJ可知，随着箍筋间距的增大，试件水平荷载略有降低，滞回曲线循环次数减少，极限位移减小，耗能显著降低，表明增加箍筋间距不利于改善高轴压比下加固柱的抗震性能。对比试件CR1与CR-ZJ可知，增加配筋率，水平荷载降低，极限位移增加，耗能降低，说明增加配筋率在本试验的加固条件下对柱抗震性能有减弱的影响。这是因为试件CR-ZJ的塑性铰长度增大，并且已延伸至第2 条CFRP加固带，破坏时，加固带之间的未加固区率先破坏，导致水平荷载与耗能降低。(1)3444式中：.是试件达到极限荷载时的柱顶平均水平位移，,是试件屈服时的柱顶平均水平位移。极限水平位移取水平荷载下降至峰值荷载的8 5%时所对应的水平位移，对于其他无下降段或下降段-3.8-2.9-1.9-1.0400RC1300CR1屈服200峰值100极限N/d0-100-200-300-400-40-30-20-1001020 30 40A/mm0./%-3.8-2.9-1.9-1.0400CR-ZJ300CR1屈服200峰值极限100NVd0-100-200-300-400-40-30-20-10010 2030 40A/mm(a)RC1与CRl；(b)CR-G J与CR1;(c)CR-ZJ与CR1；(d)RC1，CR1与CR-LDFig.8Hysteresis curves ofspecimens0./%-3.8-2.9-1.9-1.001.01.92.93.8400300200100NV/d0-100-200-300-400-40-30-20-10010203040/m m图9试件骨架曲线Fig.9Skeleton curves of specimen铁道科学与工程学报较小的试件，水平荷载未能下降至峰值荷载8 5%时，可取破坏时的最大位移。屈服位移基于荷载-位移骨架曲线，采用等效能量面积法确定。如图10所示。0u/%01.01.92.93.8(a)01.01.92.93.8(c)NVd-100-200-300-400.40-30-20-10010 203040/mm图：试件的滞回曲线P4PCR1CR-GJCR-ZJCR-LDRC12023年9月0./%-3.8-2.9-1.9-1.0400CR-GJ300CR1屈服200峰值100极限0-100-200-300-40040-30-20-10010203040A/mm0./%-3.8-2.9-1.9-1.0400CR-LD300-CR1RC1200屈服峰值100极限0BCD0图10能量等效法确定屈服点Fig.10Determining yield point by energy equivalent method01.01.92.93.8(b)01.0 1.9 2.93.8(d)第9期各试件的试验结果见表3。由表3可知，3个不同类型加固试件的极限位移角在0.0 340.0 45之间，均高于抗震设计规范关于结构柱极限位移角限制0.0 2 的规定，其延性系数在2.44.0 3之间，均大于未加固RC1试件的2.0 9，说明在高轴压比下不同构件类型的RC柱采用预应力CFRP布加固具有良好的弹塑性变形性能。其中，将试件CR1与CR-GJC R-LD 进行比较发现，箍筋间距的增大、配筋率的增加与剪跨比的减小会降低加固柱的延性，且配筋率与剪跨比的影响较大。试件开裂峰值试件编号P/kNP/kN4,/mmP./kN4./mmP/kN4,/mmRC1150CR1180CR-GJ173CR-ZJ182CR-LD53注：Pc为试件的开裂荷载；P,为屈服荷载；4,为屈服水平位移；P.为峰值荷载；4.为峰值水平位移；P,为破坏荷载；4,为破坏水平位移。较短，说明预应力CFRP布加固柱后，能有效降低00.51.01.41.92.42.93.33.860CR1CR-GJ50福(i_wu.N)/Y403020100Fig.11Curves of stiffness degradation3.4刚度退化各试件的刚度退化曲线如图11所示。由图11可知，试件RC1的刚度退化速率较试件CR1，C R-ZJ及CR-GJ快，后期表现最为明显。这是因为试件RC1没有预应力CFRP布加固，混凝土无侧向约束，导致其刚度退化速率较快，退化曲线总长度卢春玲，等：构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响柱有一定的强度储备能力。表3试件的试验结果Table 3 Test results of specimens屈服破坏2009.226010.725110.624215.5737.90./%-RC15101520253035 40/mm图11风刚度退化曲线3445CR1，C R-G J和CR-ZJ的屈服与峰值荷载较RC1均有不同程度提高，说明预应力CFRP布包裹对柱的抗剪承载力有利。试件CR-GJ，CR-ZJ较CR1的承载力有所降低，但试件CR-GJ降低幅度更小，说明配箍率对承载力的影响较配筋率小。试件CR-LD相比CR1，承载力下降幅度最为明显，说明增大剪跨比会严重影响试件的稳定性，对承载力最为不利。加固试件的峰值荷载均在屈服荷载的1.2 4倍以上，说明在地震作用时，预应力CFRP布加固延性系数从耗能总量E/(kNmm)23414.233028.532026.230133.514027.1-CR-ZJCR-LD207281272256139柱的刚度退化速率。将试件CR1与CR-GJ，C R-ZJ对比发现，试件CR-GJ的刚度退化速率与试件CR1接近，但曲线长度较短。试件CR-ZJ的前期刚度退化速率较快，后期退化较缓，曲线长度较长。说明配箍率减小对试件刚度退化影响不大，但对变形能力有明显降低；纵筋配筋率的增加对试件刚度退化影响较大，且能提高变形能力。试件CR-LD因承载力与稳定性因素，初始刚度最小，屈服位移较小，但后期有较长的平缓曲线，说明试件的延性较好。3.5耗能性能各试件的累积耗能如图12 所示。由图12 可知，加固试件CR1，C R-ZJ及CR-GJ的耗能能力远大于未加固试件RC1，表明采用预应力碳纤维布可以明显提高试件的耗能性能。与试件CR1相比，试件CR-GJ和CR-ZJ的耗能分别降低了45.9 7%和18.28%，说明配箍率的降低和配筋率的增大会降低加固柱的耗能，且配箍率对试件的耗能影响大于配筋率的影响。试件CR-LD的耗能比未加固试19.234.628.237.531.82.093.232.662.404.035 861.727090.314 637.922137.94.986.03446件RC1低，这说明剪跨比的提高对加固柱的耗能具有不利影响。300002500020000(u.N)/a15 0001000050000CR1CR-GJJCR-ZJ(CR-LDRC1试件编号图12 耗能柱状图Fig.12Energy consumption histogram4有限元模型的建立4.1木材料本构和单元类型本文采用ABAQUS有限元软件对本试验的5根试件进行抗震模拟分析。混凝土采用实体单元C3D8R，纵筋和箍筋采用桁架单元M3D4R，C FRP采用膜单元M3D4R。混凝土采用塑性损伤模型(Concrete Damageplasticitymodel，CD P)，该模型引入损伤指数，通过刚度矩阵折减，建立混凝土非线性行为，该模型对非线性分析有较好的适用性 6。依据Sidiroff17能量等效原理，混凝土损伤因子计算方法如下：D=1-Vo/(Eoe)(2)其中，和E分别为混凝土的应力、应变和弹性模量。混凝土的本构采用2 0 10 版混凝土规范建议的单轴受压、受拉应力-应变曲线，如图13所示。钢筋的应力-应变关系采用经典的双折线硬化弹塑性模型，如图14(a)所示。CFRP是各向异性材料，平行于纤维方向有极高的抗拉强度，当纤维应力小于极限抗拉强度时，认为处于弹性阶段。因此，CFRP的应力-应变关系采用理想的线弹性模型，如图14(b)所示。4.2边界条件及加载方式柱底座边界条件设置为X，Y，Z方向完全约束，限制柱底座转动和平动。钢筋与混凝土通过铁道科学与工程学报Embedded方式内嵌，实现钢筋与混凝土共同受力。CFRP布与混凝土通过Tie接触，共同工作。加载方式设置为3个分析步，第1步为初始状态分析步，对CFRP进行预应力的施加，预应力的施加可通过温度法实现 8；第2 步在柱端施加恒定轴向荷载；第3步按照试验加载制度在柱端施加水平位移荷载。(a)0uEo(b)t(1-D)EozP(a)单轴受压应力-应变关系曲线；(b）单轴受拉应力-应变关系曲线图13混凝土塑性损伤模型应力-应变关系Fig.13 Stress-strain relationships for concrete plasticdamagemodels4.3模型验证图15为模拟与试验骨架曲线的对比，表4为各试件峰值荷载模拟值与试验值的对比结果。结合图15和表4可知，各试件有限元分析结果与试验结果在整体趋势、初始刚度和峰值位移方面皆吻合较好，但在承载力方面较试验值稍偏大，最大偏差为7.6 4%，可能的原因在于有限元模型未能2023年9月80c.plEoE&t第9期考虑：1)钢筋与混凝土之间的黏结滑移。2)加载装置与试件之间的滑移。图16 为试件单推模拟损伤云图(柱底座已隐藏)与试验破坏形态的比较。由图16 发现，各试件的损伤情况与试验单侧破坏情况基本吻合，破坏范围均靠近柱身底部。相对于试件RC1，各加固柱的破坏范围较小，且试件0s(a)B卢春玲，等：构件性能对预应力CFRP加固墩柱抗震性能的影响E-0.01Es3447CR1，CR-G J和CR-ZJ的损伤情况相似，这与试验结果相一致。试件CR-LD损伤范围最小，混凝土仅发生较小面积的破坏，这与试验破坏形态相吻合。总体来说，试验结果与模拟结果吻合较好，该模型可用于进一步探究构件性能对加固柱抗震性能的影响。4(b)EE0350(a)300250200力150100500&u8&s(a)钢筋应力-应变模型；(b)CFRP应力-应变模型图14钢筋、CFRP应力-应变模型Fig.14 Stress-strain model of steel bar and CFRPCR1RC1CR-LD试验模拟510152025303540位移/mm350(c)300250N/4200150100500(a)CR1,RC1及 CR-LD;(b)CR-GJ;(c)CR-ZJ图15模拟与试验骨架曲线对比Fig.15 Comparison of skeleton curves between simulation and test8f350(b)300250NV/2001501005001510152025 303540位移/mm8试验模拟510152025303540位移/mm试验模拟3448铁道科学与工程学报2023年9月(a)DAMAGEC(平均:7 5%)+8.95810*l+8.21210-1+7.465101+6.71910-1+5.97210+5.22610-+4.47910-+3.73310l+2.98610-+2.24010-+1.49310l+7.46510-2+0表4峰值荷载模拟值与试验值对比Table 4Comparison of simulated and tested peak load values试件编号试验结果/kN模拟结果/kNRC1234CR1330CR