CFRP 筋替代鋼筋的劣化RC橋墩抗震性能分析

李全祥

（山東電力建設(shè)第三工程有限公司 青島 266100）

引言

橋梁作為交通互聯(lián)互通的樞紐工程，是保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活安定的重要基礎(chǔ)設(shè)施。受外界惡劣環(huán)境的影響，絕大部分橋梁因鋼筋銹蝕導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能退化，嚴(yán)重影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和抗震性能[1～2]。CFRP（碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）具有高強(qiáng)度、低密度以及不易腐蝕即耐久性好等特點(diǎn)，以其替代處于腐蝕環(huán)境下橋梁結(jié)構(gòu)中鋼筋的方法得到大量研究和應(yīng)用[3]。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的大量研究，對(duì)CFRP筋替代鋼筋的應(yīng)用取得了巨大成果。壟永智等[4]對(duì)4根CFRP筋增強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行了低周往復(fù)擬靜力試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)CFRP筋增強(qiáng)混凝土柱的耗能能力相對(duì)較差，但表現(xiàn)出較強(qiáng)的承載力和變形能力。余晗健等[5]應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對(duì)3根CFRP筋混凝土柱進(jìn)行擬靜力數(shù)值模擬并與試驗(yàn)數(shù)對(duì)比，通過(guò)對(duì)骨架曲線進(jìn)行分析，驗(yàn)證了有限元數(shù)值的可行性。于芳芳等[6]采用ANSYS非線性有限元軟件對(duì)7根竹筋CFRP箍筋混凝土短柱進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，研究表明竹筋CFRP箍筋混凝土柱的承載力和延性均高于普通混凝土柱。Cai Z K等[7]對(duì)研究CFRP筋加固SRC柱的抗震性能，發(fā)現(xiàn)添加CFRP筋后有效提高屈服后的剛度比和減小殘余位移，同時(shí)可以能保持其滯回耗能能力。Dong JT等人[8]對(duì)混凝土梁和含CFRP材料的混凝土梁的抗震性能進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，并用ABAQUS進(jìn)行模擬，得到的骨架曲線與試驗(yàn)結(jié)果很好地吻合，CFRP材料混凝土梁具有較好的抗震性能。Ha G J等[9]通過(guò)內(nèi)置CFRP鋼筋和外貼CFRP布的方式對(duì)鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固來(lái)研究其抗震性能，研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行加固后，不僅提高了鋼筋混凝土梁柱節(jié)點(diǎn)的承載能力、位移延性能力、耗能能力，而且減少了節(jié)點(diǎn)附近混凝土的彎曲裂縫。Pham H等[10]對(duì)含F(xiàn)RP材料的鋼筋混凝土橋梁的彎曲性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究了FRP復(fù)合材料的破壞機(jī)理，并對(duì)其影響因素進(jìn)行了分析。

本研究假定CFRP筋不易腐蝕，即力學(xué)性能不隨銹蝕率發(fā)生變化，通過(guò)運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，對(duì)銹蝕率5%、10%、15%、20%下五種工況建立鋼筋銹蝕的非線性有限元橋墩模型，通過(guò)施加低周循環(huán)往復(fù)荷載進(jìn)行擬靜力分析，對(duì)比分析未采用CFRP筋、CFRP筋替代箍筋、CFRP筋替代縱筋的五種工況下RC橋墩抗震性能。

1 模型建立

1.1 鋼筋退化模型

鋼筋銹蝕的主要表現(xiàn)為鋼筋有效截面減小、屈服強(qiáng)度降低。本研究假定縱筋與箍筋銹蝕率相同，采用銹蝕截面損失率求得縱筋與箍筋直徑退化曲線如圖1所示。

屈服強(qiáng)度退化是銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化的最主要表現(xiàn)。文獻(xiàn)[11]通過(guò)鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)銹損鋼筋試驗(yàn)，得出銹蝕鋼筋屈服強(qiáng)度與截面損失率呈線性關(guān)系，如式（1）所示，由此可求得縱筋和箍筋屈服強(qiáng)度退化曲線，如圖2所示。

式中：f為銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度；fy為未銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度；ρs為銹蝕截面損失率。

圖1 鋼筋有效截面退化曲線

圖2 鋼筋屈服強(qiáng)度退化曲線

1.2 模型介紹

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立直徑1500mm、高度10m的鋼筋混凝土橋墩模型，該橋墩采用C30混凝土；縱筋為28mm的HRB400，箍筋為12mm的HPB300；CFRP筋彈性模量124GPa，極限強(qiáng)度900MPa。CFRP筋直徑與原鋼筋直徑相同，共分為五種工況；CFRP筋替代縱筋時(shí)，均勻分布；CFRP筋替代箍筋筋時(shí)，CFRP筋與鋼筋間隔分布。

該有限元橋墩模型采用0.25軸壓比，墩底與承臺(tái)設(shè)置為固接，墩頂采用三級(jí)位移加載方式來(lái)施以循環(huán)往復(fù)的水平力，位移加載制度示意圖如圖3所示。

表1 工況介紹

圖3 加載制度示意圖

2 考慮CFRP縱筋的抗震性能分析

對(duì)工況1、工況2、工況3在5%、10%、15%、20%四種銹蝕率下的有限元橋墩模型作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析三種工況下的滯回曲線，探究CFRP筋替代縱筋的RC橋墩抗震性能。

工況1、工況2、工況3的滯回曲線如圖4所示。加載初期，橋墩屈服前，荷載和位移幾乎呈線性關(guān)系，隨著加載位移的增加，各工況橋墩的滯回環(huán)面積相對(duì)變大。工況1滯回曲線較為飽滿；工況2、工況3滯回曲線呈現(xiàn)梭形，豐滿程度相對(duì)于工況1較小。通過(guò)計(jì)算滯回曲線面積，對(duì)三種工況在四種銹蝕率下的累計(jì)耗能能力進(jìn)行對(duì)比分析。銹蝕率5%時(shí)，工況2、工況3的耗能能力比工況1小23.52%、42.18%；銹蝕率10%時(shí)，工況2、工況3的耗能能力比工況1小22.62%、42.11%；銹蝕率15%時(shí)，工況2、工況3的耗能能力比工況1小22.46%、41.40%；銹蝕率20%時(shí)，工況2、工況3的耗能能力比工況1小20.80、39.65%。對(duì)于工況1，銹蝕率10%、15%、20%的耗能能力較5%時(shí)減小了1.18%、3.45%、9.17%；對(duì)于工況2，銹蝕率10%、15%、20%的耗能能力較5%時(shí)減小了0.02%、2.12%、5.94%；對(duì)于工況3，銹蝕率10%、15%、20%的耗能能力較5%時(shí)減小了1.06%、2.16%、5.20%。

可以看出，隨著銹蝕率的增加，各工況的耗能能力逐漸退化，工況1耗能能力的衰退速度相對(duì)較快；在相同銹蝕率時(shí)，各工況的耗能能力由大到小為工況1＞工況2＞工況3。由此說(shuō)明，CFRP筋替代縱筋的RC橋墩的耗能能力較差，但隨著銹蝕率的增加其耗能能力的衰退速度相對(duì)較慢。CFRP筋替代縱筋的用量越多，其耗能能力越差。

圖4 滯回曲線

3 考慮CFRP箍筋的抗震性能分析

對(duì)工況1、工況4、工況5在5%、10%、15%、20%四種銹蝕率下的有限元橋墩模型作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析三種工況下的滯回曲線，探究CFRP筋替代縱筋的RC橋墩抗震性能。

如圖5所示，工況1、工況4、工況5的滯回曲線都較為飽滿。通過(guò)計(jì)算滯回曲線面積，對(duì)三種工況在四種銹蝕率下的累計(jì)耗能能力進(jìn)行對(duì)比分析。銹蝕率5%時(shí)，工況4、工況5的耗能能力比工況1小2.04%、3.54%；銹蝕率10%時(shí)，工況4、工況5的耗能能力比工況1小1.61%、2.69%；銹蝕率15%時(shí)，工況4的耗能能力比工況1大0.12%，工況5的耗能能力比工況1小1.10%；銹蝕率20%時(shí)，工況4的耗能能力比工況1大1.32%，工況5的耗能能力比工況1小0.9%。對(duì)于工況4，銹蝕率10%、15%、20%的耗能能力較5%時(shí)減小了0.75%、1.32%、6.06%；對(duì)于工況5，銹蝕率10%、15%、20%的耗能能力較5%時(shí)減小了0.31%、1.01%、6.69%。

可以看出，隨著銹蝕率的增加，各工況的耗能能力逐漸降低，工況1耗能能力的衰退速度較快，且工況2、工況3與工況1的差距減??；在銹蝕率5%、10%時(shí)，各工況的滯回環(huán)面積由大到小為工況1＞工況2＞工況3，在銹蝕率15%、20%時(shí)，各工況的滯回環(huán)面積由大到小為工況2＞工況1＞工況3。可以看出，CFRP筋替代箍筋的RC橋墩耗能能力與未使用CFRP筋的RC橋墩相差不大，但隨著銹蝕率的增加，與未采用CFRP筋的RC橋墩的抗震性能差距減小，采用合理數(shù)量CFRP箍筋的橋墩在銹蝕率較大時(shí)耗能能力要好于未使用CFRP箍筋的RC橋墩。

圖5 滯回曲線

4 結(jié)論

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，對(duì)5%、10%、15%、20%四種銹蝕下未使用CFRP筋、CFRP筋替代箍筋、CFRP筋替代縱筋的五種工況建立鋼筋銹蝕退化橋墩模型，進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析了其抗震性能。得出結(jié)論如下：

（1）CFRP筋替代縱筋時(shí)，可以提高RC橋墩的水平承載力和延性性能，但耗能能力較差；CFRP筋替代縱筋的用量越多，其耗能能力越差，水平承載力和延性性能有所提高。

（2）CFRP筋替代箍筋的RC橋墩耗能能力與未使用CFRP筋的RC橋墩差距不大，水平承載力和延性性能有所提高，但提高幅度明顯小于CFRP筋替代縱筋的RC橋墩；在銹蝕率較大，采用合理數(shù)量CFRP箍筋的RC橋墩的耗能能力要好于未使用CFRP箍筋的RC橋墩。

（3）CFRP筋替代縱筋、箍筋的RC橋墩剛度退化速度明顯低于未使用CFRP筋的RC橋墩。

（4）當(dāng)CFRP筋合理替代一定數(shù)量的箍筋和縱筋時(shí)，橋墩抗震性能會(huì)有一定的提高。