姜 浩 熊保偉 張海闊

(吉林建筑大學土木工程學院，長春 130118)

新中國成立以來，基礎設施建設與土木工程蓬勃發(fā)展，建設了不少橋梁與公共建筑，經(jīng)過長期的使用，不少建筑及構(gòu)筑物已產(chǎn)生損壞，人們也開始認識到了疲勞損傷可能會產(chǎn)生安全隱患，從而對其逐漸重視起來．對于像橋梁結(jié)構(gòu)這種關系到民生的重要建筑，若有損傷后全部拆除重建不僅耗費巨大的人力、物力、財力，而且也給生活、生產(chǎn)帶來極大不便．隨著加固材料及技術的發(fā)展，纖維加固在國內(nèi)得到廣泛應用．玄武巖纖維作為我國自主知識產(chǎn)權(quán)的無機纖維材料，其具有力學性能良好、抗氧化、抗高溫、耐腐蝕、價格低廉等優(yōu)點，且已在混凝土結(jié)構(gòu)加固中廣泛采用［1］．對玄武巖纖維加固鋼筋混凝土柱的疲勞性能的研究，是其耐久使用的重要保障．

1 Abaqus疲勞分析簡介

ABAQUS是一個功能強大的工程模擬有限元軟件，其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題．ABAQUS有兩個主求解器模塊——ABAQUS/Standard和ABAQUS/Explicit．其中ABAQUS/Standard對求解靜態(tài)和低速動力學問題有很高的精度．ABAQUS/Standard的direct cyclic分析步中包含低周疲勞分析部分，其能準確得出結(jié)構(gòu)、構(gòu)件疲勞破壞時的荷載循環(huán)次數(shù)［2］．

2 有限元模型及計算結(jié)果

2．1 加固方式

對鋼筋混凝土圓柱進行全包裹加固，圓柱尺寸為:直徑100mm，高400mm的鋼筋混凝土圓柱，混凝土保護層厚度為20mm．受壓縱筋直徑8mm，箍筋直徑6mm．玄武巖纖維布采用上海俄金玄武巖纖維布［3］，其厚度為0．108mm．鋼筋混凝土圓柱尺寸如圖1所示，加固方式如圖2所示．

2．2 網(wǎng)格劃分與單元選用

混凝土柱采用線性減縮實體單元C3D8R，以防止剪切自鎖現(xiàn)象;鋼筋采用桁架單元T3D2;玄武巖纖維布(BFRP)采用三維殼單元S4R．混凝土、鋼筋及BFRP布網(wǎng)格尺寸均采用15mm，單元網(wǎng)格劃分見圖3、圖4．

圖1 鋼筋混凝土柱尺寸

圖2 玄武巖纖維布尺寸

圖3 柱網(wǎng)格劃分

圖4 BFRP網(wǎng)格劃分

2．3 材料屬性

混凝土采用Abaqus自帶塑性損傷模型，采用BFRP約束混凝土應力-應變曲線［4］，見圖5．使用文獻［4］所述模型計算得到粘貼一層BFRP為軟化模型，粘貼二層及三層BFRP為強化模型．鋼筋采用彈塑性本構(gòu)關系［5］，縱筋采用HRB335，箍筋采用HPB300．BFRP布采用線彈性本構(gòu)關系，抗拉強度2 667．25MPa，彈性模量 2．689GPa，延伸率 1．98%．

2．4 加載方式

使用ABAQUS的Direct cyclic分析步進行等幅疲勞荷載加載，最大循環(huán)次數(shù)設為2×106次，即超過2×106次循環(huán)仍未破壞則認為它可承受無限次循環(huán)［6］．

疲勞荷載分級加載，最小荷載水平均取為 0．05fc'，最大荷載分別取為:0．66fc'，0．72fc'，0．8fc'，0．9fc'，1．0fc'．每個循環(huán)如圖6．

2．5 計算結(jié)果

經(jīng)過對未加固，粘貼一層BFRP，兩層BFRP，三層BFRP布加固鋼筋混凝土圓柱的進行有限元分析，以混凝土柱發(fā)生大面積的塑形變形為判斷標準［7］，分別得出未加固及加固后圓柱的疲勞荷載循環(huán)次數(shù)，如圖7所示．

圖5 BFRP約束混凝土本構(gòu)模型

圖6 一次循環(huán)加載

圖7 S-lg N曲線

4 結(jié)論

(1)對于未加固及三種加固形式下的鋼筋混凝土圓柱，最大應力水平越大疲勞壽命越小;

(2)粘貼BFRP加固的鋼筋混凝土圓柱的疲勞壽命明顯高于未加固圓柱，粘貼兩層BFRP相對粘貼一層BFRP的疲勞壽命提高較?。迟N一層BFRP為軟化模型，粘貼二層BFRP為弱約束，故二者對鋼筋混凝土圓柱的疲勞壽命的影響相近．粘貼三層BFRP對鋼筋混凝土圓柱的疲勞壽命相對粘貼一層有顯著提高，這與粘貼三層BFRP產(chǎn)生的強約束有緊密關系;

(3)粘貼三層BFRP為提高疲勞壽命的最優(yōu)粘貼層數(shù)．

［1］楊勇新，岳清瑞．玄武巖纖維及其應用中的幾個問題［J］．工業(yè)建筑，2007，36(6):1-4．

［2］ABAQUSUser’s Manual，“Version 6．7”［M］．ABAQUSInc．USA，2007:102-105．

［3］陳尚建，歐陽普英，蘇先科，李大橋．玄武巖纖維增強復合材料BFRP力學性能的試驗研究［J］．建筑結(jié)構(gòu)，2007，37(增刊):130-132．

［4］劉明學，錢稼茹．FRP約束圓柱混凝土受壓應力-應變關系模型［J］．土木工程學報，2006，39(11):1-6．

［5］中華人民共和國國家標準．混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范(GB 50010-2010)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2010．

［6］中華人民共和國國家標準．普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法(GB/T 50082-2009)［S］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009．

［7］董 磊．FRP約束混凝土軸心受壓性能的試驗研究和理論分析［D］．西安:西安建筑科技大學，2007．