UHPC加固钢筋混凝土柱轴压模拟研究.pdf

交通与土木工程河南科技Henan Science and Technology总第807期第13期2023年7月收稿日期：2023-02-12作者简介：王中强(1974)，男，博士，副教授，研究方向：结构工程防灾减灾、工程鉴定与加固；黄冠(1997)，男，硕士生，研究方向：钢筋混凝土结构加固及抗震。UHPC加固钢筋混凝土柱轴压模拟研究王中强黄冠（长沙理工大学，湖南长沙410000）摘要：【目的目的】为研究超高性能混凝土（UltraHigh Performance Concrete，简称 UHPC)对钢筋混凝土柱的轴压性能的影响。【方法方法】选取1个普通混凝土柱和3个UHPC加固的钢筋混凝土柱进行竖向轴压模拟试验，研究不同加固材料、加固层厚度对钢筋混凝土柱轴心受压性能的影响情况。【结结果果】研究结果表明：UHPC加固的钢筋混凝土柱和普通钢筋混凝土柱的荷载位移曲线趋势基本一致，但UHPC加固的钢筋混凝土柱轴压承载力提升更为明显，并且随着加固层厚度的增加，承载不断提高。本研究分别选取20 mm、30 mm、40 mm厚度的UHPC加固层钢筋混凝土柱与普通钢筋混凝土柱进行承载力比较，加固后的钢筋混凝土柱承载力分别提高了154.6%、192.9%、264.1%。【结论结论】对试验结果进行分析，为进行承载力试验提供了数据支持，也为工程实际提供理论依据。关键词：钢筋混凝土柱；轴压性能；有限元分析；承载力中图分类号：TU375.3文献标志码：A文章编号：1003-5168（2023）13-0072-06DOI：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2023.13.014Simulation Study on Axial Compression of UHPC ConsolidatedReinforced Concrete ColumnsWANG ZhongqiangHUANG Guan(Changsha University of Technology,Changsha 410000，China)Abstract:Purposes This paper is to study the effect of ultra-high performance concrete(UHPC)onthe axial compression performance of reinforced concrete columns.Methods Simulation experiments ofvertical 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 reinforcinglayer on the axial pressure performance of reinforced concrete columns were examined.Findings Theresults 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 capacityof 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 ofthe bearing capacity,and the bearing capacity of the consolidated reinforced concrete increased by154.6%,192.9%and 264.1%respectively.Conclusions The analysis of the test results provides datasupport for the bearing capacity test and also provides a theoretical basis for engineering practice.Keywords:reinforced concrete column;axial compression performance;finite element analysis;bearingcapacity第13期730引言根据最新统计，在我国城镇现有的150亿m2建筑面积中，近45亿m2的建筑因长时间运行而产生安全问题或已步入功能退化期1。鉴于当前社会各种资源的耗费，结构加固改造技术显得尤为重要，它不但能够有效降低各种资源的消耗，还能够最大限度地保护建筑物的历史文化艺术价值。有学者指出的结构加固方式，如增大截面法、置换混凝土加固法和粘钢法，虽然能够满足一定的要求，但是在需要大幅度提高结构承载力和刚度时，仍然存在一定的局限性2。因此，在改进传统的加固方法的基础上，出现了很多新的加固材料和加固方法。二十世纪末，研究者们发现了一种全新的结构材料超高性能混凝土（UHPC），它不但拥有极高的硬度和耐久，而且还拥有出色的耐磨、抗爆、耐腐蚀及快速硬化等特性 3-4。到目前为止，UHPC已被广泛运用到桥梁、建筑、市政、核电等工程之中，深受加固行业研究者们的青睐 5-6。UHPC加固法也代替了很多传统的加固方法，运用到大型的桥梁和建筑的加固中。UHPC 成为近年来学者们研究的一个热点话题，Alaee等7首次将掺入钢纤维的UHPC材料对混凝土梁进行加固，TanafsLar8提出了一种新的加固技术，将预制 UHPC 薄板与钢筋混凝土梁结合起来，以提高桥面的抗剪特性；Bruhwiler9将 UHPC加固技术与材料防水性能相结合，应用于桥面补强中；Bahraq等10研究了 UHPC增强梁的抗剪特性；Lam 等11对 FRP 约束 UHPC 受压特性进行了深入研究；Azad等12采用外包法对钢筋混凝土梁进行补强；本研究采用Abaqus有限元软件对UHPC加固的钢筋混凝土圆柱进行模拟计算分析，得到受压过程中的应力分布规律和荷载变化规律，从而揭示加固柱在轴压作用下的受力机理，为相关规范编写提供依据。1有限元模型建立1.1材料本构选取根据混凝土结构设计规范（GB 500102010）13，选择混凝土的本构关系，具体见式（1）至式（5）。uc=()1-ducEuc（1）duc=1-ucnn-1+xnx 11-ucuc()x-12+xx 1（2）uc=fuc,rEucuc,r（3）n=Eucuc,rEucuc,r-fuc,r（4）x=uc,r（5）以上式中：根据 混凝土结构试验标准方法（GB501522012）14，fuc,r=0.76fcu，Euc=1052.2+34.7fcu，系数uc,r与c根据规范公式计算得出,因此计算出了混凝土的本构关系，其关系如图1所示。图1混凝土受压本构关系钢筋的受拉应力应变关系也参考 混凝土结构设计规范（GB 50010 2010）13，采用其中描述的 弹 塑 性 的 双 直 线 模 型，数 学 表 达 式 见 式（6）、式（7）。当S y时，S=ESS（6）当y S S,u时，S=fy+()s-ytan（7）以上式中：tan=fs,u-fyS,u-y,fy、fs,u、s、S,u。根据标准值给出，为方便计算，对所有数值都进行取整处理。钢筋受压时，当达到其屈服强度后，钢筋发生屈曲，不会再继续强化，因此钢筋的受压本构关系采用完全理想弹塑性的双折线模型，具体见式（8）、式（9）。由此得到钢筋的受压本构关系如图2所示。当S y时，S=ESS（8）当y S S,u时，S=fy（9）UHPC保护层的本构关系参考Graybeal等15-16的研究结果进行选择，其受压、受拉本构关系见式SDV3=（1-dc）E0，混凝土受压损伤后的抗压刚度SDV4为混凝土受压损伤后的抗压强度ccucoSDV4E0E0（1-dc）E0cocccc王中强，等.UHPC加固钢筋混凝土柱轴压模拟研究74第13期（10）、式（11），其受压、受拉本构关系如图 3、图 4所示。c=40 288.5 0.002 842-16 502.4-315+62.20.002842 0.006 130.006 13 0.017 21-1 090.2+75.50.017 21 0.040 04（10）t=48 750 0.000 21 111.1+9.50.000 2 0.001 1-1 557.9+12.50.001 1 （11）1.2UHPC加固钢筋混凝土柱有限元模型本研究共模拟了4根钢筋混凝土短柱，分为两组。第一组为普通混凝土柱，强度等级为C30，纵向受力钢筋采用12根HRB400，直径为18 mm的钢筋，并沿着组合柱截面周围均匀布置，柱截面尺寸为300 mm，高度为900 mm，保护层厚度为20 mm。第二组为UHPC组合柱，内部核心混凝土的强度等级为 C35,加固层厚度为 20 mm、30 mm、40 mm，组合柱外径为300 mm，高度为900 mm，纵筋布置与第一组相同，纤维网采用耐碱玻璃纤维螺旋环绕钢筋充当内模。Z1Z4的配筋图如图5、图6所示。图2钢筋受拉本构关系图4UHPC受拉本构关系图5Z1图6Z2Z4模拟柱参数详情见表1，内部核心混凝土材料力学性能见表2，钢筋材料力学性能见表3，UHPC材料力学性能见表4。表1模拟柱参数编号Z1Z2Z3Z4Z5混凝土强度等级C30C30C30C30C30加固方式普通混凝土UHPCUHPCUHPCUHPC加固层厚度/mm2020304050表2内部核心混凝土材料力学性能混凝土强度等级C30泊松比0.2抗压强度/MPa23.7抗拉强度/MPa2.37弹性模量/MPa23 027表3钢筋材料力学性能材料纵筋HRB400箍筋HRB400钢筋直径/mm186屈服强度/MPa400400弹性模量/MPa206 000206 000泊松比0.30.6fy-yyO-fy压应力c/MPa（0,fc）（cu,fc）O压应变图3UHPC受压本构关系拉应力r/MPa（el,ft）（tu,ft）拉应变O纵向受力钢筋d18普通混凝土保护层纵向受力钢筋d18UHPC保护层王中强，等.UHPC加固钢筋混凝土柱轴压模拟研究第13期75表4UHPC材料力学性能100 mm立柱体抗压强度/MPa200100 mm圆柱体抗压强度/MPa158弹性模量/MPa59 455峰值应变0.005抗拉强度/MPa15.8本次模拟共创建了5种材料属性，分别为内部核心混凝土柱、原柱纵筋、原柱箍筋、普通混凝土保护层、UHPC保护层。采用位移控制加载使整个圆柱截面随之产生相同大小的位移。桁架单元由纵向钢筋和箍筋组成，在柱的上表面施加竖向位移，下表面则创建完全固定的边界条件 U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，试验柱荷载及边界条件如图 7所示，有限元模型截面网格划分如图8所示。图7试验柱荷载及边界条件图8试验柱网格划分2有限元分析2.1荷载位移曲线Z1Z4荷载位移曲线如图9所示。由图9可知，在其他条件相同的情况下，随着加固层厚度的增加，四根试验柱的荷载位移曲线的总体趋势大致类似。图9荷载位移曲线与控制试件Z1相比，UHPC保护层的应用能够显著提高试验的承受能力，其中，当保护层厚薄分别为 20 mm、30 mm、40 mm 时，强度分别提升了154.6%、192.9%和264.1%，这表明UHPC保护层能够有效提升试件的承受能力，而且由于保护层厚度的增加，强度也会随之提升。这种情况的出现，一方面是由于UHPC增大截面法，增大后的截面会承受额外的荷载，另一方面也是由于UHPC保护层的应用能够有效减少试验的荷载，从而大大提高试验的承受能力。UHPC保护层的存在使得它们与内部核心混凝土产生了一种约束作用，而且由于箍筋的存在，这种约束作用还能够提升加固柱的强度。2.2受压损伤云图选取试件Z1、Z2进行对比研究，两组试件除了保护层的材料不同之外，其他条件都相同的，二者的混凝土受压损伤云图如图10、图11所示。图10Z1混凝土受压损伤云图Z4Z3Z2Z10246810129 0008 0007 0006 0005 0004 0003 0002 0001 0000位移/mm荷载/kN王中强，等.UHPC加固钢筋混凝土柱轴压模拟研究76第13期图11Z2混凝土受压损伤云图通过分析受压损伤云图可知：两组试件都是混凝土柱中间受损最为严重，受损情况由柱中间向柱两端逐渐减弱，且最大损伤因子为0.967，出现此情况，是因为柱中间地方受约束最弱，导致该位置损伤发展最充分；UHPC保护层相较于普通混凝土保护层有更好地抑制内部核心混凝土受损的能力，Z2试件柱中心处受损依然严重，但是损伤因子超过0.9的区域较试件Z1明显减小且损伤因子小于0.5的区域超过了50%。2.3应力应变云图Z1试件的应力应变云图如图12、图13所示，Z2试件的应力应变云图如图14至图16所示。图12Z1混凝土等效塑性应变云图图13Z1钢筋单轴拉压应力云图图14Z2混凝土等效塑性应变云图图15Z2钢筋单轴拉压应力云图王中强，等.UHPC加固钢筋混凝土柱轴压模拟研究第13期77图16Z2UHPC等效塑性应变云图通过分析应力应变云图可知：加固后的混凝土柱出现了较为明显的剪切破坏，原混凝土柱和UHPC加固层出现了“波浪”形的混凝土损伤模式；混凝土的等效塑性应变（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为0.046 3；两种加固柱中纵筋的最大应力远小于其屈服强度，然而箍筋的最大应力都达到了其极限强度，其中位于柱中间部位的钢筋最易屈服，柱两端的箍筋应力值都比较低，出现此情况是由于柱中间的混凝土先强度退化，相当于最早内应力重分布。3结论通过有限元模拟 UHPC加固钢筋混凝土柱轴心受压承载力，得出以下结论。UHPC 加固钢筋混凝土柱能够较大程度地提高其承载力，并且承载能力随着加固层的增加而不断提高。无论用何种材料加固混凝土柱，柱中间部位混凝土受损都是最为明显的，损伤发展也最为充分，因此也会导致相应部位的钢筋最先屈服。对钢筋混凝土圆柱进行UHPC加固模拟，为实际工程应用提供了理论依据。参考文献：1 吴冬.道路与桥梁施工质量问题管理 J.城市建设理论研究（电子版），2022，415（25）：28-30.2 中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构加固设计规范：GB503672013 S.北京：中国建筑工业出版社，2013.3 RICHARD P，CHEYREZY M.Composition of reactive 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