ECC厚度對(duì)BFRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC復(fù)合約束RC柱偏壓及抗震性能影響

于 洋， 李明政， 郭道琳， 張?jiān)品?/p>

（東北石油大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，黑龍江大慶 163318）

針對(duì)使用單一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，F(xiàn)RP）修復(fù)與加固混凝土結(jié)構(gòu)存在易老化、滲透性差和耐久性差等缺陷的問題，一種性能優(yōu)越的新型FRP 網(wǎng)格與工程用水泥基復(fù)合材料（Engineered Cementitious Composite，ECC）相結(jié)合的復(fù)合加固技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，ECC是一種在拉伸和剪切荷載下能夠顯示出高延展性與超強(qiáng)韌性的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料. 有學(xué)者提出了一種新型的FRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC復(fù)合加固技術(shù)，結(jié)合ECC與FRP網(wǎng)格兩種材料的優(yōu)勢(shì)，不僅可以充分發(fā)揮FRP網(wǎng)格質(zhì)輕、高強(qiáng)和高耐久性的優(yōu)勢(shì)，還能充分利用ECC材料高延性、自愈合和多點(diǎn)均勻開裂的特性；可使混凝土柱表現(xiàn)出更高的延性和抵抗變形的能力，獲得更高的承載能力，又解決了傳統(tǒng)的FRP片材加固方法防火性差、易剝離等問題［1-2］.

目前在FRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC加固鋼筋混凝土柱方面的研究多以軸壓試驗(yàn)為主，對(duì)于偏壓和抗震方面的研究較少［3-16］. Yan等［17］提出了一種新的CFRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC加固CFST柱，試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC加固CFST柱發(fā)生延性破壞，推導(dǎo)了具有較高精度的承載力預(yù)測(cè)方程. Guo等［18］研究了采用ECC和FRP格柵作為復(fù)合加固層加固的鋼筋混凝土梁，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸分析，提出了ECC-FRP加固鋼筋混凝土梁臨界斜裂縫角的預(yù)測(cè)公式，為今后FRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC復(fù)合約束RC柱的研究提供了參考依據(jù).

本文通過有限元軟件ABAQUS 對(duì)BFRP 網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 復(fù)合約束鋼筋混凝土柱偏壓及抗震性能進(jìn)行研究，首先建立合理的組合柱有限元模型，在驗(yàn)證模型的正確性基礎(chǔ)上，對(duì)一定數(shù)量的足尺構(gòu)件進(jìn)行模擬，深入研究ECC厚度對(duì)組合柱力學(xué)性能的影響規(guī)律.

1 模型建立與驗(yàn)證

在BFRP 網(wǎng)格增強(qiáng)ECC 復(fù)合加固技術(shù)中，ECC 既可作為界面黏結(jié)劑，又可以將BFRP網(wǎng)格的作用力傳遞到結(jié)構(gòu)內(nèi)部. 本文的目的是研究ECC 厚度對(duì)鋼筋混凝土柱加固效果的影響. 加固后的組合柱示意圖如圖1所示.

圖1 構(gòu)件組成截面Fig.1 Component sections

1.1 本構(gòu)選取

BFRP網(wǎng)格是由縱橫向交錯(cuò)的BFRP 筋材組成，在受拉的過程中表現(xiàn)出明顯的線彈性特性，因此在有限元模擬分析過程中認(rèn)為BFRP纖維絲束在受拉破壞之前為線彈性變化，其本構(gòu)模型如圖2所示.

圖2 BFRP網(wǎng)格本構(gòu)模型Fig.2 BFRP mesh ontology model

ECC 單軸受壓本構(gòu)模型采用Li和Lepech所提出的ECC單軸受拉本構(gòu)模型［19-20］.

該模型采用雙線性方程表示，第一段為在ECC達(dá)到開裂應(yīng)力之前的階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為直線；第二段為ECC拉伸應(yīng)變硬化后的階段，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系仍然為直線，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示.

圖3 ECC單軸受拉本構(gòu)模型［20］Fig.3 ECC uniaxial tensile principal structure model［20］

1.2 有限元模型的建立與邊界條件的設(shè)置

在ABAQUS 軟件的PART 功能模塊中分別建立所分析組合柱結(jié)構(gòu)的混凝土、ECC、BFRP 網(wǎng)格和鋼筋籠部件模型，在PROPERTY模塊中，分別定義混凝土、ECC、BFRP網(wǎng)格和鋼筋籠部件的材料本構(gòu)關(guān)系和截面屬性，并將截面屬性賦予各部件. 各部件如圖4所示.

圖4 組合柱各部件模型Fig.4 The models component of the combined column

對(duì)組合柱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中BFRP 網(wǎng)格、ECC 加固層、混凝土及鋼筋的尺寸均設(shè)為0.04 m. 然后對(duì)各個(gè)部件實(shí)體進(jìn)行布種，單元尺寸為0.04 m，后對(duì)模型以六面體為主的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分. 網(wǎng)格劃分后有限元模型如圖5所示.

圖5 模型網(wǎng)格劃分Fig.5 Model meshing

1.3 模型驗(yàn)證

有限元模型的驗(yàn)證基于參考文獻(xiàn)［19］中試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)結(jié)果，選取參考文獻(xiàn)試驗(yàn)中四根試件為研究對(duì)象，在ABAQUS軟件中建立相應(yīng)模型并進(jìn)行模擬運(yùn)算，提取四根試件的荷載-位移曲線與極限承載力，將其與參考文獻(xiàn)中試驗(yàn)所測(cè)得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖6所示，極限承載力對(duì)比見表1.

圖6 荷載-位移曲線對(duì)比Fig.6 Comparison of load-displacement curves

表1 極限承載力對(duì)比Tab.1 Comparison of ultimate load carrying capacities

由荷載-位移曲線和極限承載力對(duì)比結(jié)果可以看出，試驗(yàn)與模擬所得荷載-位移曲線趨勢(shì)大體一致，吻合程度較高，試件的極限承載力對(duì)比誤差值均在10%以內(nèi)，誤差在合理范圍內(nèi)，可用于進(jìn)一步分析.

2 ECC厚度對(duì)偏壓性能影響分析

對(duì)ECC厚度影響的研究，采用控制單一變量的方法，通過控制試件的混凝土強(qiáng)度、BFRP網(wǎng)格尺寸、偏心距、長細(xì)比不變，確定BFRP網(wǎng)格尺寸為20 mm、偏心距為30 mm、混凝土強(qiáng)度為C30、長細(xì)比為20，選取ECC厚度為20、40、60 mm，通過增大BFRP網(wǎng)格尺寸、偏心距、混凝土強(qiáng)度進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，分析試件?yīng)力云圖、荷載-位移曲線、極限承載力，研究ECC厚度對(duì)BFRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC復(fù)合約束RC柱偏心受壓下力學(xué)性能的影響，試件參數(shù)及分組如表2所示.

表2 試件參數(shù)及分組Tab.2 Specimen parameters and grouping

2.1 應(yīng)力云圖分析

分別提取不同ECC厚度下各試件在達(dá)到極限承載力時(shí)BFRP網(wǎng)格、ECC層、混凝土和鋼筋的等效應(yīng)力云圖，對(duì)比分析試件應(yīng)力分布規(guī)律，以I組的BERC-2、BERC-6、BERC-23三根試件為例，應(yīng)力云圖如圖7所示.

圖7 I組應(yīng)力云圖Fig.7 Stress clouds of group I

由I 組試件應(yīng)力云圖可以看出，鋼筋已進(jìn)入屈服階段. 試件BERC-2、BERC-6、BERC-23 核心混凝土最大應(yīng)力值分別為53.1、57、70.25 MPa，分別為無約束混凝土強(qiáng)度的1.77 倍、1.9 倍、2.34 倍. 隨著ECC厚度的增大，混凝土最大軸向應(yīng)力值逐漸提升，說明ECC 厚度的增加提升了核心混凝土承載力.

當(dāng)ECC 厚度較小時(shí)，復(fù)合加固層的BFRP網(wǎng)格和ECC 較大應(yīng)力區(qū)集中在靠近集中荷載一側(cè)的柱中區(qū)域. 隨著ECC厚度的增大，兩種材料的較大應(yīng)力區(qū)逐漸由位于柱中的一塊集中區(qū)域分割成兩塊向柱端移動(dòng)的區(qū)域，且最大應(yīng)力值均有所提高，ECC厚度的增大避免了BFRP網(wǎng)格過早達(dá)到抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂，BFRP網(wǎng)格的強(qiáng)度得到發(fā)揮，BFRP網(wǎng)格與ECC協(xié)同作用，降低了柱中破壞的危險(xiǎn).

2.2 荷載-位移曲線分析

I、J、K、L 四組試件組內(nèi)荷載-位移曲線對(duì)比見圖8 所示. 試件組間荷載-位移曲線對(duì)比見圖9.

圖8 組內(nèi)荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves within groups

圖9 組間荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curves of inter-group

由圖8 可知，各組試件的荷載-位移曲線趨勢(shì)基本相同. 在彈性受力階段，I、J、K、L 各組曲線基本重合，說明ECC 在組合柱彈性受力階段約束作用較??；在彈塑性受力階段，隨著荷載逐漸地增加，ECC開始發(fā)揮約束作用，組合柱承載能力隨ECC 厚度的增大而提升.

2.3 承載力分析

不同ECC厚度試件的極限承載力匯總見表3，ECC厚度對(duì)極限承載力Nu影響如圖10.

表3 不同ECC厚度下極限承載力Tab.3 Ultimate load capacities at different ECC thicknesses

由表3 可知：I 組試件BERC-6、BERC-23 的極限承載力Nu分別為試件BERC-2 的1.08 倍、1.17 倍；J 組試件BERC-20、BERC-24 的極限承載力Nu分別為試件BERC-10的1.08倍、1.17倍；K組試件BERC-7、BERC-25的極限承載力分別為試件BERC-3的1.09倍、1.17倍；L組試件BERC-26、BERC-27 的極限承載力分別為試件BERC-14的1.07倍、1.13倍. 可見隨著ECC厚度的增加，組合柱的極限承載力大致成線性提升.

由圖10可以發(fā)現(xiàn)，組合柱的極限承載力隨著ECC厚度的增大基本成線性增長，在相同ECC厚度條件下，增大混凝土強(qiáng)度、減小BFRP網(wǎng)格尺寸、減小偏心距分別使構(gòu)件極限承載力提高了17.06%、5.5%、14.69%，提高混凝土強(qiáng)度對(duì)極限承載力的影響要大于其他兩個(gè)因素變化的影響.

圖10 ECC厚度-極限承載力關(guān)系曲線圖Fig.10 Relationship graph of ECC thickness-ultimate load capacities

3 ECC厚度對(duì)抗震性能影響分析

控制其他因素不變，改變?cè)嚰腅CC厚度，研究在不同ECC厚度的情況下BFRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC復(fù)合約束RC柱的抗震性能. 設(shè)計(jì)ECC 厚度分別為20、40、60 mm. 試件參數(shù)及分組情況如表4所示.

表4 試件參數(shù)及分組Tab.4 Specimen parameters and grouping

3.1 滯回曲線

控制試件其他因素不變，改變ECC厚度來研究組合柱的抗震性能，試件的滯回曲線如圖11所示.

由圖11可以發(fā)現(xiàn)，不同ECC厚度的組合柱試件滯回曲線基本呈弓形，隨著ECC厚度的增大，組合柱整體強(qiáng)度提高，滯回曲線捏攏效果減小. 隨著ECC厚度的增大，滯回曲線覆蓋面積有所增大，組合柱耗能性能提高；當(dāng)施加水平位移較小時(shí)，組合柱基本在彈性階段，卸載后變形基本能夠恢復(fù)零點(diǎn)，此時(shí)滯回曲線呈梭形，隨循環(huán)次數(shù)增加和水平位移荷載增大，卸載后組合柱仍保留一定殘余變形，且變形逐步增加，在組合柱接近峰值應(yīng)力時(shí)滯回曲線輪廓向弓形過渡.

圖11 試件的滯回曲線Fig.11 Hysteresis curves of specimens

3.2 骨架曲線

通過滯回曲線繪制試件BERC-hy-6、BERC-hy-9、BERChy-10的骨架曲線，如圖12所示.

圖12 試件的骨架曲線Fig.12 Skeleton curves of the specimens

由圖12 可以發(fā)現(xiàn)，不同ECC 厚度試件的骨架曲線形狀較為相似，變化趨勢(shì)大致一致，在此工況下，試件均表現(xiàn)出較好的延性，承載力在達(dá)到極限承載力后不會(huì)顯著下降. ECC 厚度的增加可以提高組合柱的整體強(qiáng)度，對(duì)承載能力有一定的提升. 通過模擬得到本工況試件的極限荷載Nu、峰值位移Δu數(shù)據(jù)見表5.

表5 試件的承載力Tab.5 Load-bearing capacities of test pieces

由表5可以發(fā)現(xiàn)，ECC厚度為40 mm時(shí)，其極限承載力Nu分別比ECC 厚度為20 mm 時(shí)增加了約5%，當(dāng)ECC 厚度為60 mm時(shí)，其極限承載力Nu比ECC厚度為40 mm時(shí)提高了約4%，可見提高的幅度逐漸減小，說明增加ECC厚度對(duì)組合柱的承載能力有一定的增強(qiáng)作用.

3.3 耗能能力

根據(jù)圖11 不同ECC 厚度組合柱試件的滯回曲線，計(jì)算得到不同ECC 厚度組合柱試件的能量耗散系數(shù)E，如表6所示.

表6 不同ECC厚度能量耗散系數(shù)Tab.6 Energy dissipation factors for different ECC thicknesses

由表6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水平位移荷載Δ較小時(shí)，即試件處于彈性受力狀態(tài)時(shí)能量耗散系數(shù)E相差很小，隨著位移荷載的增大和循環(huán)次數(shù)的增加，試件屈服，發(fā)生塑性變形后，能量耗散系數(shù)逐漸提高. 隨著ECC厚度的增大，能量耗散系數(shù)有明顯的提高，可見ECC厚度越大的構(gòu)件耗能能力越強(qiáng)，抗震性能越好. 隨著水平位移荷載的不斷增大及循環(huán)次數(shù)的增加，混凝土的應(yīng)變也不斷增大，ECC對(duì)混凝土的約束作用逐步加強(qiáng). ECC的約束對(duì)BFRP網(wǎng)格增強(qiáng)ECC復(fù)合約束RC柱的耗能能力有明顯的改善作用.

3.4 延性

根據(jù)圖12不同ECC厚度下試件的骨架曲線可以計(jì)算得到試件的延性系數(shù)如表7所示.

表7 不同ECC厚度試件的變形性能Tab.7 Deformation properties of specimens with different ECC thicknesses

由表7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著ECC 厚度的增大，延性系數(shù)μ略有減小，軸壓比0.4 時(shí)，ECC 厚度最大的試件BERC-hy-10比ECC厚度最小的試件BERC-hy-6延性系數(shù)降低了2.83%，反映出ECC厚度的改變對(duì)該類組合柱的變形性能影響較小，組合柱的延性隨著ECC厚度的增加而變差.

3.5 剛度退化

各試件的剛度值如表8、表9、表10 所示，反應(yīng)組合柱剛度隨位移變化的剛度退化關(guān)系曲線如圖13 所示. 可以發(fā)現(xiàn)，隨著水平位移荷載P的增大，組合柱的剛度K表現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，且降低的幅度先增大后緩慢減小. ECC厚度越大的試件初始剛度和退化后的剛度值越大，該類組合柱的剛度退化曲線可分為緩降段、迅速下降段和漸緩下降段. 緩降段為構(gòu)件從加載開始到屈服前的彈性受力階段，此時(shí)構(gòu)件發(fā)生彈性變形，剛度退化不明顯；迅速下降段為水平位移荷載加載至屈服荷載后構(gòu)件進(jìn)入彈塑性階段，柱體裂縫加速開展，塑性變形充分發(fā)展，隨著荷載循環(huán)次數(shù)的增加，核心混凝土的塑性損傷不斷積累，此時(shí)剛度值下降較快；漸緩下降段為最終破壞階段，構(gòu)件剛度已經(jīng)發(fā)揮到極致，此時(shí)試件的剛度退化曲線趨于平緩.

圖13 不同ECC厚度試件的剛度退化曲線Fig.13 Stiffness degradation curves for specimens with different ECC thicknesses

表8 BERC-hy-6試件的剛度值Tab.8 Stiffness values of specimen BERC-hy-6

表9 BERC-hy-9試件的剛度值Tab.9 Stiffness values of specimen BERC-hy-9

表10 BERC-hy-10試件的剛度值Tab.10 Stiffness values of specimen BERC-hy-10

4 結(jié)論

ECC厚度的增大避免了BFRP網(wǎng)格過早達(dá)到抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂，BFRP 網(wǎng)格的強(qiáng)度得到發(fā)揮，BFRP 網(wǎng)格與ECC 協(xié)同作用，在復(fù)合加固層的約束作用下，組合柱受壓區(qū)承受偏壓荷載的能力有所提升，降低了柱中破壞的危險(xiǎn). ECC在彈性受力階段約束作用較小，主要在彈塑性受力階段發(fā)揮其約束作用，隨著ECC 厚度的增加，組合柱的極限承載力大致成線性提升，但是整體剛度會(huì)偏大不利于組合柱的延性變形. 建議在實(shí)際工程中使用厚度為40 mm 的ECC 可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)具有良好承載力的同時(shí)更加經(jīng)濟(jì)節(jié)省材料.

不同ECC厚度的組合柱試件滯回曲線呈弓形，隨著ECC厚度的增大，組合柱整體強(qiáng)度提高，滯回曲線捏攏效果減小，組合柱塑性變形能力有所提升. 不同ECC厚度試件的骨架曲線均表現(xiàn)出較好的延性，延性系數(shù)均在2左右. ECC厚度的增加可以提高組合柱的整體強(qiáng)度，對(duì)承載能力有一定的提升，ECC增大20 mm，極限承載力提高幅度在5%左右. ECC厚度的改變對(duì)其耗能能力有著重要的影響，ECC厚度越大的構(gòu)件耗能能力越強(qiáng)，抗震性能越好. ECC厚度的改變對(duì)該類組合柱的變形性能影響較小，組合柱的延性隨著ECC厚度的增加而變差. ECC厚度越大的試件初始剛度和退化后的剛度值越大.