摘 要：【目的】為研究超高性能混凝土（Ultra－High Performance Concrete，簡稱 UHPC）對(duì)鋼筋混凝土柱的軸壓性能的影響。【方法】選取1個(gè)普通混凝土柱和3個(gè)UHPC加固的鋼筋混凝土柱進(jìn)行豎向軸壓模擬試驗(yàn)，研究不同加固材料、加固層厚度對(duì)鋼筋混凝土柱軸心受壓性能的影響情況。【結(jié)果】研究結(jié)果表明：UHPC加固的鋼筋混凝土柱和普通鋼筋混凝土柱的荷載—位移曲線趨勢(shì)基本一致，但UHPC加固的鋼筋混凝土柱軸壓承載力提升更為明顯，并且隨著加固層厚度的增加，承載不斷提高。本研究分別選取20 mm、30 mm、40 mm厚度的UHPC加固層鋼筋混凝土柱與普通鋼筋混凝土柱進(jìn)行承載力比較，加固后的鋼筋混凝土柱承載力分別提高了154.6%、192.9%、264.1%?！窘Y(jié)論】對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，為進(jìn)行承載力試驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)支持，也為工程實(shí)際提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土柱；軸壓性能；有限元分析；承載力

中圖分類號(hào)：TU375.3" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2023）13-0072-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.13.014

Simulation Study on Axial Compression of UHPC Consolidated

Reinforced Concrete Columns

WANG Zhongqiang HUANG Guan

（ Changsha University of Technology， Changsha 410000，China）

Abstract： [Purposes] This paper is to study the effect of ultra-high performance concrete （ UHPC ） on the axial compression performance of reinforced concrete columns. [Methods] Simulation experiments of vertical axis pressure were conducted for one ordinary concrete column and three reinforced concrete columns consolidated by UHPC. The effects of different reinforcing materials and thickness of reinforcing layer on the axial pressure performance of reinforced concrete columns were examined. [Findings] The results show that the load bearing curve and displacement curve of UHPC consolidated reinforced concrete columns and ordinary reinforced concrete columns are basically the same， but the bearing capacity of the axis of" the UHPC consolidated reinforced concrete columns is much better than conventional reinforced concrete columns and is continuously improved with the increase in the thickness of the reinforcing layer. In this study， 20 mm， 30 mm and 40 mm of the UHPC consolidated reinforced concrete columns were selected. They are compared with the conventional reinforced concrete columns in terms of the bearing capacity， and the bearing capacity of the consolidated reinforced concrete increased by 154.6%， 192.9% and 264.1% respectively. [Conclusions] The analysis of the test results provides data support for the bearing capacity test and also provides a theoretical basis for engineering practice.

Keywords： reinforced concrete column; axial compression performance; finite element analysis; bearing capacity

0 引言

根據(jù)最新統(tǒng)計(jì)，在我國城鎮(zhèn)現(xiàn)有的150億m2建筑面積中，近45億m2的建筑因長時(shí)間運(yùn)行而產(chǎn)生安全問題或已步入功能退化期［1］。鑒于當(dāng)前社會(huì)各種資源的耗費(fèi)，結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)顯得尤為重要，它不但能夠有效降低各種資源的消耗，還能夠最大限度地保護(hù)建筑物的歷史文化藝術(shù)價(jià)值。有學(xué)者指出的結(jié)構(gòu)加固方式，如增大截面法、置換混凝土加固法和粘鋼法，雖然能夠滿足一定的要求，但是在需要大幅度提高結(jié)構(gòu)承載力和剛度時(shí)，仍然存在一定的局限性［2］。因此，在改進(jìn)傳統(tǒng)的加固方法的基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了很多新的加固材料和加固方法。

二十世紀(jì)末，研究者們發(fā)現(xiàn)了一種全新的結(jié)構(gòu)材料——超高性能混凝土（UHPC），它不但擁有極高的硬度和耐久，而且還擁有出色的耐磨、抗爆、耐腐蝕及快速硬化等特性［3-4］。到目前為止，UHPC已被廣泛運(yùn)用到橋梁、建筑、市政、核電等工程之中，深受加固行業(yè)研究者們的青睞［5-6］。UHPC加固法也代替了很多傳統(tǒng)的加固方法，運(yùn)用到大型的橋梁和建筑的加固中。

UHPC成為近年來學(xué)者們研究的一個(gè)熱點(diǎn)話題，Alaee等［7］首次將摻入鋼纖維的UHPC材料對(duì)混凝土梁進(jìn)行加固， TanafsLar［8］提出了一種新的加固技術(shù)，將預(yù)制 UHPC薄板與鋼筋混凝土梁結(jié)合起來，以提高橋面的抗剪特性；Bruhwiler［9］將 UHPC加固技術(shù)與材料防水性能相結(jié)合，應(yīng)用于橋面補(bǔ)強(qiáng)中；Bahraq等［10］研究了 UHPC增強(qiáng)梁的抗剪特性；Lam等［11］對(duì)FRP約束 UHPC受壓特性進(jìn)行了深入研究；Azad等［12］采用外包法對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；本研究采用Abaqus有限元軟件對(duì)UHPC加固的鋼筋混凝土圓柱進(jìn)行模擬計(jì)算分析，得到受壓過程中的應(yīng)力分布規(guī)律和荷載變化規(guī)律，從而揭示加固柱在軸壓作用下的受力機(jī)理，為相關(guān)規(guī)范編寫提供依據(jù)。

1 有限元模型建立

1.1 材料本構(gòu)選取

1.2 UHPC加固鋼筋混凝土柱有限元模型

本研究共模擬了4根鋼筋混凝土短柱，分為兩組。第一組為普通混凝土柱，強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱向受力鋼筋采用12根HRB400，直徑為18 mm的鋼筋，并沿著組合柱截面周圍均勻布置，柱截面尺寸為300 mm，高度為900 mm，保護(hù)層厚度為20 mm。第二組為UHPC組合柱，內(nèi)部核心混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C35，加固層厚度為20 mm、30 mm、40 mm，組合柱外徑為300 mm，高度為900 mm，縱筋布置與第一組相同，纖維網(wǎng)采用耐堿玻璃纖維螺旋環(huán)繞鋼筋充當(dāng)內(nèi)模。Z1～Z4的配筋圖如圖5、圖6所示。

本次模擬共創(chuàng)建了5種材料屬性，分別為內(nèi)部核心混凝土柱、原柱縱筋、原柱箍筋、普通混凝土保護(hù)層、UHPC保護(hù)層。采用位移控制加載使整個(gè)圓柱截面隨之產(chǎn)生相同大小的位移。桁架單元由縱向鋼筋和箍筋組成，在柱的上表面施加豎向位移，下表面則創(chuàng)建完全固定的邊界條件U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0，試驗(yàn)柱荷載及邊界條件如圖7所示，有限元模型截面網(wǎng)格劃分如圖8所示。

2 有限元分析

2.1 荷載—位移曲線

Z1～Z4荷載—位移曲線如圖9所示。由圖9可知，在其他條件相同的情況下，隨著加固層厚度的增加，四根試驗(yàn)柱的荷載—位移曲線的總體趨勢(shì)大致類似。

與控制試件Z1相比，UHPC保護(hù)層的應(yīng)用能夠顯著提高試驗(yàn)的承受能力，其中，當(dāng)保護(hù)層厚薄分別為20 mm、30 mm、40 mm時(shí)，強(qiáng)度分別提升了154.6%、192.9%和264.1%，這表明UHPC保護(hù)層能夠有效提升試件的承受能力，而且由于保護(hù)層厚度的增加，強(qiáng)度也會(huì)隨之提升。這種情況的出現(xiàn)，一方面是由于UHPC增大截面法，增大后的截面會(huì)承受額外的荷載，另一方面也是由于UHPC保護(hù)層的應(yīng)用能夠有效減少試驗(yàn)的荷載，從而大大提高試驗(yàn)的承受能力。UHPC保護(hù)層的存在使得它們與內(nèi)部核心混凝土產(chǎn)生了一種約束作用，而且由于箍筋的存在，這種約束作用還能夠提升加固柱的強(qiáng)度。

2.2 受壓損傷云圖

選取試件Z1、Z2進(jìn)行對(duì)比研究，兩組試件除了保護(hù)層的材料不同之外，其他條件都相同的，二者的混凝土受壓損傷云圖如圖10、圖11所示。

通過分析受壓損傷云圖可知：①兩組試件都是混凝土柱中間受損最為嚴(yán)重，受損情況由柱中間向柱兩端逐漸減弱，且最大損傷因子為0.967，出現(xiàn)此情況，是因?yàn)橹虚g地方受約束最弱，導(dǎo)致該位置損傷發(fā)展最充分；②UHPC保護(hù)層相較于普通混凝土保護(hù)層有更好地抑制內(nèi)部核心混凝土受損的能力，Z2試件柱中心處受損依然嚴(yán)重，但是損傷因子超過0.9的區(qū)域較試件Z1明顯減小且損傷因子小于0.5的區(qū)域超過了50%。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D

Z1試件的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖12、圖13所示，Z2試件的應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D如圖14至圖16所示。

通過分析應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D可知：①加固后的混凝土柱出現(xiàn)了較為明顯的剪切破壞，原混凝土柱和UHPC加固層出現(xiàn)了“波浪”形的混凝土損傷模式；②混凝土的等效塑性應(yīng)變（PEEQ）最大值由普通混凝土加固的0.027 9增加到UHPC加固的0.037 9，UHPC的PEEQ為0.046 3；③兩種加固柱中縱筋的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于其屈服強(qiáng)度，然而箍筋的最大應(yīng)力都達(dá)到了其極限強(qiáng)度，其中位于柱中間部位的鋼筋最易屈服，柱兩端的箍筋應(yīng)力值都比較低，出現(xiàn)此情況是由于柱中間的混凝土先強(qiáng)度退化，相當(dāng)于最早內(nèi)應(yīng)力重分布。

3 結(jié)論

通過有限元模擬UHPC加固鋼筋混凝土柱軸心受壓承載力，得出以下結(jié)論。

①UHPC加固鋼筋混凝土柱能夠較大程度地提高其承載力，并且承載能力隨著加固層的增加而不斷提高。

②無論用何種材料加固混凝土柱，柱中間部位混凝土受損都是最為明顯的，損傷發(fā)展也最為充分，因此也會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)部位的鋼筋最先屈服。

③對(duì)鋼筋混凝土圓柱進(jìn)行UHPC加固模擬，為實(shí)際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

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