張振華，莊立陽(yáng)

（1.北京武夷房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)有限公司 北京101117）

（2.北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司 北京100037）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)需求對(duì)建筑業(yè)提出了更高的要求，20世紀(jì)末期建設(shè)的建筑需要加固才可得以繼續(xù)應(yīng)用，柱作為建筑的主要承重構(gòu)件，其加固技術(shù)一直是研究的熱點(diǎn)[1-2]。

2010年，杜斌[3]等人對(duì)鋼筋混凝土軸心受壓柱采用了粘鋼法進(jìn)行了加固，分析了柱加固后的強(qiáng)度利用率及其構(gòu)件安全性能。

2015年余勛藩[4]等通過(guò)有限元軟件ABAQUS中纖維梁?jiǎn)卧膽?yīng)用，模擬濕式外包鋼加固混凝土柱的滯回性能，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證有限元模型的合理性。對(duì)比發(fā)現(xiàn)有限元結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。

1 有限元模型建立

1.1 單元和連接的選取

模型柱包括：混凝土、鋼筋、外包鋼、端板，混凝土、外包鋼、端板均采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體減縮積分單元，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)桿單元。

外包鋼與鋼筋均采用理想彈塑性模型，材料參數(shù)按本構(gòu)關(guān)系選取，鋼材的泊松比均設(shè)置為0.3。因端板變性較小，設(shè)置為完全剛體形式，彈性模量為1*1012MPa，泊松比設(shè)為0.0001。

混凝土部分與外包鋼采用“Tie”相連接，同時(shí)混凝土部分與兩側(cè)端板亦采用“Tie”相連接，鋼筋使用“Embedded”連接嵌入到混凝土中。

1.2 網(wǎng)格劃分

ABAQUS中的網(wǎng)格劃分直接影響計(jì)算的結(jié)果與收斂性，因此合理的網(wǎng)格大小劃分至關(guān)重要，通常剛度較大的部分網(wǎng)格劃分需要更細(xì)密，彈性模量較小的部件網(wǎng)格劃分可稍微變大[5-7]。模型整體網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 模型整體網(wǎng)格劃分

1.3 分析步與加載設(shè)置

初始階段，集中力施加在柱頂，N=300kN（軸壓比約為0.5），集中力持續(xù)在整個(gè)加載過(guò)程中；側(cè)向加載使用位移加載的方式，加載位置為柱頂端板，位移加載模式見(jiàn)表1，有限元模型加載方式與位移循環(huán)加載歷程見(jiàn)圖2。由于在X向加載與Y向加載效果無(wú)明顯差別，故在建模分析過(guò)程中，均采用的Y向加載。

表1 加載模式

圖2 循環(huán)加載歷程

2 數(shù)值模擬計(jì)算分析

2.1 參數(shù)對(duì)照設(shè)置

模型柱包括一根普通鋼筋混凝土柱與若干外包鋼加固鋼筋混凝土柱，RC-1至RC-3為原結(jié)構(gòu)模型，其余是包鋼模型，具體參數(shù)如表2。

表2 外包鋼對(duì)照組參數(shù)對(duì)比

2.2 不同長(zhǎng)徑比模型柱構(gòu)件抗震性能分析

從模擬性能方面對(duì)不同長(zhǎng)徑比對(duì)外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗震性能的影響進(jìn)行分析，主要列舉第一組RC-1，SEC1-3，第二組RC-2，SEC2-2，第三組RC-3，SEC3-2的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

2.2.1 模型柱的滯回曲線(xiàn)特點(diǎn)

對(duì)比各構(gòu)件的滯回曲線(xiàn)可以得到下面的結(jié)論：

（1）對(duì)比不同長(zhǎng)徑比的鋼筋混凝土柱。在RC-1、RC-2、RC-3三個(gè)鋼筋混凝土柱模型中，相比其余兩組，RC-2的整體曲線(xiàn)最好，RC-1的滯回曲線(xiàn)存在一定程度“捏攏”現(xiàn)象，而RC-3滯回曲線(xiàn)表現(xiàn)為承載力下降較快，在多次反復(fù)荷載作用后承載力損失十分嚴(yán)重，表明此模型柱抗震性能較差。

（2）對(duì)比不同長(zhǎng)徑比的外包鋼加固柱的滯回曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)外包鋼加固后模型的整體曲線(xiàn)與變化規(guī)律均發(fā)生較大的變化。對(duì)包鋼柱模型對(duì)比得出，相同含鋼率的外包鋼加固模型柱，隨著長(zhǎng)徑比的增加，其承載力表現(xiàn)出下降，滯回曲線(xiàn)由飽滿(mǎn)轉(zhuǎn)化為揑縮的形態(tài)，耗能能力明顯降低。

圖3 RC-1滯回曲線(xiàn)

圖4 RC-2滯回曲線(xiàn)

圖5 RC-3滯回曲線(xiàn)

圖6 SEC1-3滯回曲線(xiàn)

圖7 SEC2-2滯回曲線(xiàn)

圖8 SEC3-2滯回曲線(xiàn)

（3）由圖6～8可得出，對(duì)于外包鋼加固模型柱的滯回曲線(xiàn)特性，隨著長(zhǎng)徑比的增加，承載力峰值表現(xiàn)出一定的下降趨勢(shì)，而峰值與長(zhǎng)徑比的數(shù)值關(guān)系具有類(lèi)似線(xiàn)性變化的特點(diǎn)。

（4）對(duì)于長(zhǎng)徑比增加，滯回曲線(xiàn)整體形態(tài)由飽滿(mǎn)到捏縮的變化趨勢(shì)，并且在SEC2-2的滯回曲線(xiàn)中能明顯看到在反復(fù)荷載作用到中期時(shí)，承載力有較為明顯的下降，而在SEC3-2中，此下降趨勢(shì)接近完全消失，原因是隨著長(zhǎng)徑比的增加，在承受反復(fù)荷載，混凝土貢獻(xiàn)減小。

2.2.2 剛度退化曲線(xiàn)特征

根據(jù)圖9與圖10，對(duì)比加固前與加固后的不同長(zhǎng)徑比的模型柱剛度退化曲線(xiàn)，可以得到以下結(jié)論：

（1）加固與否并不會(huì)對(duì)構(gòu)件的剛度下降的整體趨勢(shì)產(chǎn)生影響，加固前后，隨著模型柱長(zhǎng)徑比增加，其剛度退化的趨勢(shì)都比較一致。

（2）但經(jīng)過(guò)加固后，模型柱的初始剛度與每一周的切線(xiàn)剛度均有所提升，同加固前模型構(gòu)件RC-1至RC-3相比，加固后模型構(gòu)件的割線(xiàn)剛度比較均勻一致，且每次循環(huán)的退化值比未加固的模型柱大。

（3）SEC1-3模擬起始階段退化值較大，在模擬的最終階段退化值較小，且剛度退化較平緩趨于穩(wěn)定，SEC2-2與SEC3-2在整個(gè)階段都比較平穩(wěn)。結(jié)果表明加固后構(gòu)件的剛度退化速度比加固前慢，表明外包鋼加固可有效的減緩構(gòu)件的剛度退化。

圖9 RC-1-RC3剛度退化曲線(xiàn)

圖10 SEC1-3、SEC2-2、SEC3-2剛度退化曲線(xiàn)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)模擬計(jì)算，對(duì)比各模型構(gòu)件的滯回曲線(xiàn)、骨架曲線(xiàn)和剛度退化曲線(xiàn)可發(fā)現(xiàn)：

（1）加固后構(gòu)件的滯回曲線(xiàn)均呈梭形，且單個(gè)滯回環(huán)面積比加固前都大，沒(méi)有出現(xiàn)捏攏現(xiàn)象，滯回耗能能力、承載能力明顯優(yōu)于加固前。

（2）割線(xiàn)剛度變化也較為均勻，且每次循環(huán)加載的退化值均比RC柱大。結(jié)果表明粘鋼加固可以有效地提高柱的承載能力、變形能力和耗能能力，減緩柱的剛度退化，從而改善鋼筋混凝土柱的抗震性能。