布粘贴层数对CFRP布加固钢筋混凝土L形柱力学性能的影响

张云峰，梅宝瑞，邬亚滨

（1东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江，大庆 163318；2浙江省台州市仙居县职业技术学校，浙江，台州 317300）

异形柱是异形截面柱的简称，其主要代表性的截面有T形、L形、十字形等截面形式[1]。该截面形式的柱子可以减少室内的棱角、增大室内使用面积。近年来，大量学者对其进行了研究[2-7]，《混凝土异形柱结构技术规范》的颁布实施表明混凝土异形柱结构的研究已经趋于成熟。

由于异形柱结构兴起的时间还不算长，大多数异形柱建筑还未到加固修复的阶段，然而随着时间的推移，异形柱必将要进行不同程度的加固修复处理，因此，异形柱的加固研究显得尤为重要。目前，粘贴纤维复合材加固法较常用于异形柱结构加固，尤其是通过粘贴CFRP布来对结构进行加固[8-10]。CFRP相对于钢材等其他材料不仅具有轻质、高强、耐腐蚀的特点，更重要的是CFRP易于成型，能够很好的与异型截面进行结合。本文研究CFRP布加固钢筋混凝土L形柱的力学性能，并利用有限元理论对CFRP布加固钢筋混凝土L形柱进行模拟实验，主要分析CFRP粘贴层数对该柱的力学性能影响，从而为此类构件设计提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

根据相关规定，纵向受力钢筋根数取为20根，模拟构件肢厚取值为300 mm。L形截面柱的2条柱肢总长度取值为1800 mm，本文异形柱的柱高皆取3300 mm。模拟试件具体参数如表1所示，其截面形式及加载图如图1所示。

表1 不同CFRP布粘贴层数下试件设计参数Tab.1 Design parameters of different CFRP sheets

图1 L形截面柱及加载图Fig.1 L-shaped cross-section column and loading diagram

1.2 材料参数

混凝土强度等级取为C30，钢筋材料取为HRB335。加固CFRP布采用厚度为0.167 mm，CFRP具体参数如下：理论厚度为0.167 mm，弹性模量为2.4×105N/mm2，面密度为 300 g/mm2，泊松比为 0.17。

1.3 模型简化

根据参考试验的力学模型[11]，对该试验的力学模型进行了相应的简化，故取柱体总高一半，两端铰接简化为一端固定一端铰接。具体如图2所示。

图2 简化力学模型Fig.2 Simplified mechanical model

1.4 本构关系

CFRP布的本构模型是达到材料的极限拉应变εf前假定该种材料为理想的纯弹性体，当达到CFRP布的极限拉应变εf时，材料发生断裂失去承载能力，其表达式如下：

根据简化计算需要，钢材采用的是理想弹-塑性本构模型，屈服准则采用Mises屈服准则[12-13]。混凝土采用损伤塑性模型[14-16]模拟。

1.5 荷载的定义和边界条件

荷载的定义和边界条件如图3所示。采用位移加载方式，荷载施加在混凝土柱端头处的参考点处。混凝土柱底面进行6个自由度的约束。

图3 荷载的定义和边界条件图Fig.3 Definition of load and boundary condition diagram

1.6 划分网格

钢筋混凝土异形柱以及CFRP布的网格划分，设置全局单元尺寸为0.02，刚性端头设置全局单元尺寸为1，单元类型选择六面体单元C3D8R六面体单元，钢筋笼采用T3D2三维桁架单元。异形柱各个部件的网格划分如图4所示。

图4 异形柱网格划分Fig.4 Grid division of irregular columns

1.7 验证结果分析

将参考文献试验数据[11]与所得模拟试验数据进行对比验证，2个柱的有限元模拟的结果和试验结果极限承载力的误差值介于10%左右，表明本文所建立的有限元模型较合理。

2 试验结果及分析

2.1 不同CFRP布粘贴层数作用下构件的等效应力云图分析

以A为代表的CFRP布加固前后的的应力云图变化趋势如图5所示。

由图5可知：CFRP布粘贴层数对试件承载力具有一定的影响，即随着CFRP布粘贴层数的增多，异形柱达到极限承载力的过程变得缓慢。

2.2 不同CFRP布粘贴层数作用下构件的荷载-挠度曲线分析

荷载-挠度曲线如图6所示，由图6可见：随着CFRP布粘贴层数的增多，试件的极限承载力提高，试件的最大变形增加，CFRP布粘贴层数的增加提高了混凝土异形柱延性。

图6 荷载-挠度曲线Fig.6 Load-deflection curve

2.3 不同CFRP布粘贴层数作用下构件的承载力分析

不同CFRP布粘贴层数试件的承载力结果见表2。

表2 不同CFRP布粘贴层数试件的承载力Tab.3 The bearing capacity of the test piece with different CFRP cloth layers

从表2可知：

（1）对于等肢异形柱，当CFRP布粘贴层数分别是1层、2层和3层时，试件的极限承载能力分别提高10%、19%和28%；对于B组试件不等肢异形柱，当CFRP布粘贴层数分别是1层、2层和3层时，试件的极限承载能力分别提高12%、22%和36%；对于C组试件，当CFRP布粘贴层数分别是1层、2层和3层时，试件的极限承载能力分别提高14%、24%和41%。

CFRP布加固后试件的极限承载力有明显的提高，原因是CFRP布在受拉区的粘贴，提高了构件受拉区的抗拉能力，延缓了受拉区钢筋发生过早的发生屈服，从而引起整个试件破坏，充分发挥了混凝土抗压能力。

（2）对于等肢异形柱，粘贴CFRP布层数与极限承载力的提高幅度近似呈现线性关系，CFRP布增加1层、2层和3层时，极限承载力提高幅度分别为0.10、0.19和0.28；对于不等肢异形柱，粘贴CFRP布层数与试件极限承载力提高幅度呈非线性关系，对比等肢异形柱，其极限承载力提高幅度和提高幅度的增长速度较大。

究其原因是：肢长比越大，其受拉区CFRP布、钢筋两者的抗拉特性发挥的越充分，CFRP布对承载力提高的幅度越大，所以CFRP布对肢长比较大的钢筋混凝土L形柱的加固效果较为明显。

3 结论

本文利用有限元理论分析了CFRP布粘贴层数对CFRP布加固钢筋混凝土L形柱力学性能影响，得到了以下规律：

（1）CFRP布粘贴层数对提高试件承载力具有一定的影响，CFRP布粘贴层数越多，异形柱达到极限承载力的过程变得越缓慢。

（2）随着CFRP布粘贴层数的增多，试件的极限承载力提高，试件的最大变形增加，即CFRP布粘贴层数的增加提高了混凝土异形柱延性。

（3）对于等肢异形柱，粘贴CFRP布层数与极限承载力的提高幅度近似呈现线性关系；对于不等肢异形柱，粘贴CFRP布层数与试件极限承载力提高幅度呈非线性关系，且其极限承载力提高幅度的增长速度较快。

（4）在受拉区CFRP布粘贴能提高构件受拉区的抗拉能力，延缓受拉区钢筋过早发生屈服而引起整个试件破坏，从而充分发挥混凝土抗压能力。