基于ABAQUS的CFRP加固钢筋混凝土柱承载能力分析

基于ABAQUS的CFRP加固钢筋混凝土柱承载能力分析

1. 研究背景

随着我国经济实力快速发展与国家竞争力迅速提高，尤其是‘一带一路’倡议与‘海洋开发战略’实施，我国基础设施建设正逐步冲破东部地区的狭长地带，不断扩展至更加广阔的海洋与西部地区。混凝土结构作为土木工程中最常用的结构形式，在房屋建筑、桥梁、隧道、矿井、水利、海港等工程中的应用非常广泛。据统计，2020年我国高速铁路里程将达到3万km，水力发电将达到3.2x108kW，高速公路将达到7万km，核电装机容量将达到5800kW。混凝土材料与结构是这些重大基础设施的主体，图1中列出国内几项重大基础设施项目的混凝土总用量[1,2]。

图1 国内部分大型工程混凝土用量 （单位:m3）

但重点基础设施向海洋、西部拓展，海洋的波浪、潮汐、盐雾，加之高温（冰冻）、高湿环境；西部的干热、干冷，多风环境，尤其是海洋和西部盐渍土地区高浓度的氯离子与硫酸根离子的腐蚀作用（图2），对重大基础设施钢筋混凝土结构的可靠性和耐久性提出了严峻的挑战。这就对混凝土材料的性能提出更高的要求，同时也迫切需要找到一种新材料来延长混凝土材料和结构的长期耐久性。

钢筋混凝土结构常暴露在各种环境下，会导致材料性能逐渐发生衰退。从图2中可以看到，混凝土桥墩的劣化现象已经非常严重，亟需对其进行加固改造或拆除重建。碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）的出现，为实现混凝土在恶劣环境下的长期耐久性提供一种新的思路。目前，CFRP对既有混凝土结构工程的修复加固已成为建设领域中的重要组成部分。

(a) 锈蚀严重的钢筋混凝土桥墩	(b) 潮汐变化的近海桥墩

图2 钢筋混凝土桥墩(源于网络，侵删)

碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料（图3）。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分明显，在航空航天、军工产品中得到广泛应用。--引自百度百科

图3 CFRP图(源于网络，侵删)

基于上述背景，本次主要采用ABAQUS软件对混凝土柱进行数值模拟，并通过外侧包裹CFRP来对原有混凝土柱进行增强加固处理，对比有无CFRP包裹对钢筋混凝土柱承载力的影响。

2. 模型实例

表1 计算工况

工况类别	注释	网格
工况一	素混凝土	混凝土C3D8R，共计9600个
工况二	混凝土+钢筋	混凝土C3D8R，共计9600个；钢筋B31，共计780个
工况三	混凝土+钢筋+CFRP	混凝土C3D8R，共计9600个；钢筋B31，共计780个；CFRP包裹布S4R，共计2280个

模型概述：

柱长：H=1500mm

横截面：D=300mm

混凝土C50

钢筋采用理想弹塑性模型

保护层厚度假设50mm，箍筋间距200mm

加载板采用R3D4刚体单元，共计350个单元

2.1 工况1

工况一计算模型示例

求解设置

求解设置

场变量输出设置

边界条件设置

底部全约束，顶部采用位移加载的形式，向下-15mm

边界条件设置

混凝土材料参数

计算求解时，12线程进行计算

工况一计算结果

工况一：荷载-位移曲线

2.2 工况2

工况二算例模型组成

钢筋材料参数

工况二计算结果

工况二 荷载-位移曲线

可以看到，在竖向荷载作用下，钢筋混凝土柱中部受损最为严重，有向外“鼓胀”的趋势，由于受到钢筋笼的约束作用，混凝土并未出现如工况1结果中的竖向受拉破坏区域，这与实际试验破坏模式是类似的。

2.3 工况3

采用Lamina定义CFRP材料参数

CFRP材料参数设置

定义Hashin损伤参数

CFRP铺层设置

CFRP材料方向

定义场变量输出

计算效率很低，200个增量步后终止计算

工况三计算结果截图

工况三 荷载-位移曲线

三种计算工况对比

可以看出，三种计算工况的荷载-位移曲线的分布趋势大致相同，但承载能力的大小确有明显不同。与工况1素混凝土情况相比，考虑钢筋后的工况2，其承载力增大了7.81%。

计算机配置：

Windows系统版本 windows 10专业版

版本号 20H2

系统类型 64位操作系统

处理器  Intel(R) Core(TM) i7-10700F CPU @ 2.90GHz   2.90 GHz

机带RAM 32GB

计算耗时统计

工况类别	计算耗时
工况一	10min50s
工况二	11min13s
工况三	25min

3 总结

主要对比了CFRP包裹加固钢筋混凝土柱对承载力的影响。分别开展了素混凝土柱、钢筋混凝土柱以及外侧包裹CFRP加固+钢筋混凝土柱三种有限元数值模拟计算。计算结果表明：

①CFRP包裹钢筋混凝土柱对承载力有显著影响，包裹CFRP后承载力提升了12.05%。这是由于利用CFRP进行加固时，原有混凝土结构承担的部分荷载通过粘结胶层传递给CFRP，从而降低了原有混凝土结构的部分应力水平，从而起到增强加固的效果。

②利用ABAQUS自带的混凝土CDP塑性损伤本构和Hashin损伤本构可以很好地模拟钢筋混凝土和CFRP包裹加固对梁、柱、板承载力的计算。

参考文献：

[1] 金祖权. 氯盐-硫酸盐环境下钢筋混凝土腐蚀损伤[M]. 科学出版社，2021.

[2] 顾祥林. 混凝土结构的环境作用[M]. 科学出版社，2021.

[3] Erdil, B., Akyuz, U. & Yaman, I.O. Mechanical behavior of CFRP confined low strength concretes subjected to simultaneous heating–cooling cycles and sustained loading. Mater Struct 45, 223–233 (2012). https://doi.org/10.1617/s11527-011-9761-6

[4] 硫酸盐环境中CFRP 约束劣化混凝土柱的力学性能[J]. 复合材料学报.