彭 軍, 完海鷹

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

CFRP加固軸心受壓方鋼管柱的試驗研究

彭 軍, 完海鷹

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計、制造和施工過程中可能產(chǎn)生各種缺陷，在使用階段因超載、銹蝕和疲勞等原因會引起損傷累積而影響結(jié)構(gòu)的安全。因此，如何加固修復(fù)損傷鋼結(jié)構(gòu)一直是土木工程領(lǐng)域研究的一項重要課題。碳纖維增強復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱為CFRP)加固技術(shù)是一種具有獨特優(yōu)勢的加固方法，在加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)中具有較為成熟的研究及應(yīng)用，而對加固鋼結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用依然很少。采用有限元軟件Ansys建立了“三維實體-彈簧-殼”的有限元計算模型，通過課題組對CFRP加固軸心受壓方鋼管柱的試驗研究，驗證有限元模型的有效性。

CFRP加固；方鋼管柱；有限元分析；承載力

鋼結(jié)構(gòu)作為土木工程中非常重要的結(jié)構(gòu)形式之一，近年來，我國建造了大量鋼結(jié)構(gòu)建筑和橋梁，特別在改革開放后鋼結(jié)構(gòu)建筑更是與日俱增，應(yīng)用范圍越來越廣泛[1]。目前，我國建筑行業(yè)已經(jīng)進入加固與新建并重階段，對結(jié)構(gòu)采取合理有效并且經(jīng)濟的加固措施來改善結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀已經(jīng)刻不容緩[1-3]。纖維增強塑料(Fiber Reinforced Polymer，簡稱為FRP)具有強度高、質(zhì)量輕、彈性模量高、耐久度高、減震性能好、耐腐蝕性強、非磁性材料、抗疲勞性強等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用建筑加固領(lǐng)域，尤其是在混凝土結(jié)構(gòu)加固工程[4-8]。CFRP加固修復(fù)金屬結(jié)構(gòu)技術(shù)是一種新型加固技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣闊[9-11]。為了深入研究CFRP加固受壓方鋼管柱的受力性能，采用有限元軟件Ansys對課題組的方鋼管柱試驗進行非線性分析，通過有限元模擬與方鋼管柱的受壓試驗進行對比分析驗證模型的有效性。

1 CFRP加固方鋼管柱試驗

課題組對CFRP加固方鋼管選用足尺構(gòu)件，研究無初應(yīng)力下CFRP加固足尺方鋼管柱。試驗構(gòu)件參數(shù)如表1所列，截面如圖1所示。

表1 鋼管柱構(gòu)件參數(shù)

圖1 鋼管截面尺寸

試驗選用的方鋼管柱的鋼材標(biāo)號為 Q235。試驗組共有4根足尺方鋼管柱構(gòu)件，其中有1根未加固的軸心受壓方鋼管柱和3根不同CFRP加固方式的軸心受壓方鋼管柱。加固方案分為三類，具體如下：① 沿柱長方向即縱向進行碳纖維布全貼。② 沿柱周方向即環(huán)向進行碳纖維布全貼。③ 先環(huán)向粘貼再縱向進行碳纖維布全貼。

其中，“L”表示縱向粘貼碳纖維布，編號前數(shù)字則表示沿此方向粘貼碳纖維布的層數(shù)；“T” 表示環(huán)向粘貼碳纖維布，編號前數(shù)字則表示沿此方向粘貼碳纖維布的層數(shù)。

各試驗構(gòu)件的實際測量參數(shù)及相應(yīng)編號如表2所列。加載裝置，如圖2所示。

表2 構(gòu)件參數(shù)

圖2 加載裝置示意圖

2 試驗?zāi)M結(jié)果及分析

為了模擬分析CFRP加固軸心受壓方鋼管柱的受力情況，采用有限元軟件Ansys查看構(gòu)件極限承載力時的應(yīng)力云圖。以下為各構(gòu)件達到各自極限承載力時的柱縱向應(yīng)力分布圖、CFRP布沿纖維方向的應(yīng)力分布圖及試驗破壞圖等。為了方便觀察模擬構(gòu)件的變形情況，各圖中的構(gòu)件變形幅度均放大20倍。

(1)控制構(gòu)件A-0的應(yīng)力及試驗破壞圖。如圖3(a)，控制構(gòu)件A-0的最大應(yīng)力出現(xiàn)在鋼柱跨中位置，構(gòu)件達到屈服強度的范圍主要集中在受壓彎曲內(nèi)側(cè)，并由鋼柱跨中位置逐漸向柱截面兩端延伸，柱頂和柱底兩端應(yīng)力相比于柱中截面稍小。鋼柱加載至極限荷載時的最大應(yīng)力為378 MPa，最小應(yīng)力為196 MPa，跨中側(cè)向撓度為5.58 mm；其破壞模式為整體失穩(wěn)破壞，如圖3(b)所示。

圖3 構(gòu)件A-0應(yīng)力及構(gòu)件破壞圖

(2) 構(gòu)件A-2L的應(yīng)力及試驗破壞圖。如圖4(a)，構(gòu)件A-2L的鋼柱極限荷載時全部受壓，鋼柱受壓彎曲內(nèi)側(cè)的應(yīng)力分布相較控制構(gòu)件A-0來說趨于平緩，鋼柱加載至極限荷載時的最大應(yīng)力為387 MPa，最小應(yīng)力為255 MPa，跨中側(cè)向撓度為3.69 mm，鋼柱的整體受力性能得到了改善；如圖4(b)，CFRP承受了較大的壓應(yīng)力，其應(yīng)力分布規(guī)律與鋼柱保持一致，并且其應(yīng)力大小高于鋼柱，說明CFRP承擔(dān)了一部分荷載，起到了較好的加固效果。圖4(c)可以明顯看到構(gòu)件整體失穩(wěn)，與圖4(a)中鋼柱的受力情況相吻合；圖4(d)可以觀察到鋼柱跨中CFRP發(fā)生了剝離破壞，與圖4(b)中CFRP的受力情況相吻合。

圖4 構(gòu)件A-2L應(yīng)力及構(gòu)件破壞圖

(3)構(gòu)件A-2T的應(yīng)力及試驗破壞圖。如圖5(a)，構(gòu)件A-2T的鋼柱全部受壓，柱身應(yīng)力分布與構(gòu)件A-2L有一定的減小，鋼柱加載至極限荷載時的最大應(yīng)力為377 MPa，最小應(yīng)力為188 MPa；如圖5(b)，CFRP的最大應(yīng)力158 MPa，遠小于鋼柱的應(yīng)力值，CFRP材料只承擔(dān)了很小一部分荷載，加固效果并不明顯。圖5(c)和圖5(d)分別為構(gòu)件整體破壞和局部破壞圖，與受力情況相吻合。

圖5 構(gòu)件A-2T應(yīng)力及構(gòu)件破壞圖

(4) 構(gòu)件A-1T1L的應(yīng)力及試驗破壞圖。如圖6(a)，構(gòu)件A-1T1L中鋼管彎曲外側(cè)壓力小，彎曲內(nèi)側(cè)壓力大，柱身應(yīng)力分布規(guī)律與前三個構(gòu)件一致，鋼柱加載至極限荷載時的最大應(yīng)力為377 MPa，最小應(yīng)力為189 MPa；如圖6(b)和圖6(c)，CFRP材料所受壓力與柱身協(xié)調(diào)，環(huán)向最大應(yīng)力為158 MPa，縱向最大應(yīng)力為534 MPa，可見主要是縱向粘貼CFRP承擔(dān)了一部分荷載，CFRP的加固效果介于A-2L與A-2T之間。構(gòu)件整體破壞和局部破壞圖分別如圖6(d)和圖6(e)所示。

圖6 構(gòu)件A-1T1L應(yīng)力及構(gòu)件破壞圖

3 極限承載力分析

試驗通過研究不同CFRP纖維方向?qū)Ψ戒摴茌S壓長柱的加固效果的影響，試驗?zāi)M得到4根試件的荷載-柱中撓度曲線如圖7所示。極限承載力如表3中所示，表中跨中側(cè)移為極限荷載情況下的側(cè)向位移。

圖7 荷載-柱中撓度模擬與試驗結(jié)果對比圖

表3 有限元分析與參照試驗比較

4 結(jié)束語

結(jié)合圖7和表3對方鋼管柱受壓試驗和模擬結(jié)果進行分析，在不考慮構(gòu)件的殘余應(yīng)力及不同初始缺陷等干擾因素下，同未加固方鋼管構(gòu)件A-0對比，方鋼管縱向粘貼加固構(gòu)件A-2L的極限承載力提高幅度分別為16.07%；方鋼管環(huán)向粘貼加固構(gòu)件A-2T的極限承載力提高并不大，并不能發(fā)揮CFRP的材料性能，提高幅度在5%以內(nèi)；而對方鋼管縱橫混合粘貼加固構(gòu)件A-1T1L的極限承載力提高幅度則介于縱向和環(huán)向加固之間，提高幅度約為10%以內(nèi)。構(gòu)件A-2T出現(xiàn)負的增幅和構(gòu)件A-1T1L提高幅度小，主要原因是由于其初始缺陷與對比構(gòu)件A-0相差加大造成的；試驗跨中側(cè)移和模擬值差距較大，主要是試驗中的測點測量時位移計有一定滑移，而模擬值并未考慮試驗中的各種因素。

構(gòu)件極限承載力試驗組和模擬值存在差異，主要是因為試驗研究受到干擾因素較多，如加固構(gòu)件中CFRP粘貼和養(yǎng)護質(zhì)量、構(gòu)件偏心和安裝誤差及構(gòu)件的殘余應(yīng)力等因素。

此外，模擬荷載-柱中撓度模擬與試驗結(jié)果曲線圖趨勢吻合接近，構(gòu)件的模擬值與試驗值的差值未超過試驗值的10%，顯示有限元分析結(jié)果與參考試驗結(jié)果吻合較好。

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2016-12-23

彭 軍(1991-)，男，安徽桐城人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生; 完海鷹(1960-)，男，滿族，安徽合肥人，合肥工業(yè)大學(xué)教授．

TU377.4;TU381

A

1673-5781(2016)06-0791-04