ABAQUS分析CFRP加固钢筋混凝土柱承载力

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     kW，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。

图1 国内部分大型工程混凝土用量

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。

图3 CFRP图(源于网络， 侵权必删)

基于上述背景，本文主要采用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

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 1 计算模型示例

场变量输出设置

边界条件设置

位移边界条件

计算求解时，12线程进行计算

工况 1 计算结果

工况 1：荷载-位移曲线

2.2 工况2

工况 2 算例模型组成

钢筋材料参数

工况 2 计算结果

工况 2 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 3 计算结果截图

工况 3 荷载-位移曲线

3 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

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：

• CFRP 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。
• 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。

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