CFRP加固变电站钢筋混凝土构架有限元模拟可靠性研究

刘军，钟小东，靳承霖

(1.国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司，湖南 岳阳 414000；2.湖南湘材微著检测技术有限公司，湖南 湘潭 411105；3.湘潭大学材料科学与工程学院，湖南湘潭 411105)

0 引言

湖南电网初期建设的变电站框架大多为钢筋与混凝土结构。受到环境条件、材料属性、施工质量、工艺水平等因素的影响，框架使用了很长一段时间后，多存在表面碳化混凝土，混凝土膨胀、开裂、剥落，肉眼可见的裂缝，钢筋的腐蚀等问题[1]，这些问题的存在将会严重影响框架的使用可靠性、安全性及寿命，因此对混凝土框架进行加固和维修是有必要的。碳纤维增强材料(CFRP)有着力学性能好、轻质、耐腐蚀且耐久等优点，采用外贴纤维增强复合材料(CFRP)加固框架是一种非常有效的方法。

利用FRP材料修复加固已破损的钢筋混凝土结构的方法，在国内外已有相当多的试验案例。最早于20世纪80年代末在发达国家兴起，欧美、日本等已对FRP加固技术进行了许多阶段的试验研究[2－6]。日本神户大地震和韩国的三丰百货大楼倒塌后，碳纤维被广泛用于修复受损的混凝土结构[7]；CFRP于1991年首次用于加固瑞士的伊巴赫大桥。国内对FRP加固技术的研究开展较晚，于20世纪90年代，东南大学、清华大学、同济大学逐渐开始研究使用FRP加固混凝土结构[8－11]，并取得许多成果，形成了成熟的规范和标准。

本文运用ANSYS有限元模拟，对于采用外贴碳纤维增强复合材料(CFRP)加固变电站混凝土框架的方法进行模拟计算，依据计算得出的结果，总结加固方法及加固工艺。

1 有限元模型的建立

1.1 模型创建

由于实地测量的困难与误差较大，同时客观要求减少试验次数，缩短试验周期，节省开支，通过使用模拟分析工具ANSYS，可以提高效率，削减生产成本。以实际变电站A型柱结构的尺寸为参考，使用三维建模软件建立的模型如图1所示，A型柱的钢筋骨架模型、A型柱的原始模型及使用CFRP包裹修复的计算模型分别如图1(a)、(b)、(c)所示。在有限元模型中，钢筋和混凝土相互作用通常被定义为:离散模型、整体模型和组合模型。本文所研究的混凝土构架中混凝土与钢筋的力学性能差异较大，使用离散模型较为符合实际情况[12]。在钢筋与混凝土的结构中，钢筋与混凝土之间有良好的固结作用，不考虑钢筋与混凝土之间的粘连和滑移，钢和混凝土完全凝固，钢筋嵌入整个模型中。在建立CFRP修复模型时，将CFRP布与混凝土梁通过节点耦合的方式进行模拟。

图1 计算结构模型图

1.2 材料本构模型

在有限元模型中，混凝土的单轴应力－应变关系可分为三个阶段:弹性阶段、屈服强化阶段和软化阶段。拉伸应力－应变关系中，在峰值应变前假设为线弹性，随后发生开裂，裂缝不断展开，导致混凝土软化。根据GB 50010—2010«混凝土结构设计规范(2015年版)》[13]，分别按照式(1)和式(2)计算得到混凝土的单轴拉伸应力－应变关系和压缩应力－应变关系；混凝土材料的应力－应变关系如图2所示；其余需要输入的参数见表1。

表1 混凝土的材料属性参数

图2 混凝土应力－应变关系

式中，dt和dc分别为混凝土单轴受拉和受压损伤演化参数；σ为应力；ε为应变；Ec为混凝土弹性模量。

钢筋是金属材料，通常使用理想的弹塑性模型[14]，在ANSYS程序中，钢筋的屈服准则采用双线性随动强化材料BKIN[14]，钢筋需要输入的参数见表2，应力－应变公式如下:

表2 钢筋的材料属性参数

式中，σs为钢筋的应力；εs为钢筋的应变；εy为钢筋的屈服应变；Es为弹性模量；σy为屈服强度。

将CFRP视作各向同性材料[15]。泊松比ν＝0.3，其拉伸强度是普通钢筋的10倍以上，因此可以认为是只考虑极限强度而非屈服强度的理想弹性材料，当纤维超过其拉伸强度，纤维断裂，计算即会停止。为简化计算，假定CFRP与混凝土之间存在理想的粘结情况，两者不会发生剥离，与混凝土协调变形[16]。对应的本构关系曲线如图3所示。

图3 CFRP本构关系

其余需要输入的参数见表3。

表3 FRP布的材料属性参数

2 变电站A型柱的加载与分析

2.1 加载方式和边界条件

变电站构架实际主要受导线、避雷线及变电站自身的通风负荷和垂直载荷；其次，当导线被冰覆盖时，相应的风载荷及垂直方向的载荷；导线的张力(拉力)会对变电站产生较大的扭力矩和剪力；并且考虑在安装导线过程中，所施加在变电站构架上的力。荷载组合是变电站构架运行中常遇到的情况，而非重大极端载荷，合理的组合以上各种外部的载荷，选择对变电站产生最大的力，从而确定适当的加载方式[17]。

混凝土构件和CFRP受到均匀载荷，在运算处理中，各载荷增量对应于各个应力状态。在具体混凝土的部件模型中，底部施加固定约束，以模拟A型柱根部节点，保证底部没有位移或者偏转；将顶部进行约束，使其只可以在同一平面内的同一水平线上前后往复移动[15]。

模型中荷载沿A型柱顶端中心加载，荷载方向沿水平方向，按分级加载的方式施加水平载荷，直至破坏[18]。

2.2 计算结果与分析

对变电站A型柱的原始模型与用CFRP布包裹修复的模型进行对比分析。对单元定义实常数和材料特性，对模型进行网格划分，设置分析类型与分析选项，并施加约束及荷载，运用载荷步施加载荷的方法，进行求解。检查分析结果，输出所需的数据与图形结果。图4为变电站A型柱原始模型达到极限荷载时的应力云图。

如图4所示，结构达到极限荷载时，钢筋及混凝土的最大应力都出现在整个结构上部位置，梁柱节点是钢筋混凝土框架结构的薄弱位置，重点要加固梁柱节点位置；从图5应力－位移曲线可以看出，原混凝土A柱框架的极限所受应力为461.1 MPa，图5中，位移为A柱框架的整体最大位移，极限位移为270.63 mm。

图4 原始结构达到极限荷载时的应力云图

图5 原始结构模型应力－位移曲线

图6为CFRP修复模型达到极限荷载时的应力云图，图6(a)、(b)、(c)分别为CFRP修复模型的钢筋模型云图、修复模型混凝土模型云图及CFRP布模型云图。

图6 CFRP修复模型达到极限荷载时的应力云图

如图6(a)所示，CFRP布加固A型柱在受力过程中，出现上端钢筋先屈服，此时整个结构进入屈服状态；结构达到极限荷载时，如图6(b)所示，混凝土的最大应力出现在结构上部的梁柱节点位置。从图7应力－位移曲线可以看出用CFRP加固混凝土A形柱框架的极限所受应力为461.1 MPa；且加固后的A形柱的极限位移为328.16 mm。

图7 CFRP布加固模型应力－位移云图

通过上述计算，最终得到数值见表4。

表4 变电站混凝土原始结构与加固结构对比

由表4分析可知，在施加相同的水平荷载作用下，用CFRP布修复变电站混凝土构架与原始结构相比，所受最大应力增加大约39%；且加固后的A形柱的极限位移为328.16 mm，比原始结构的极限位移提高了21%，表明CFRP布加固后，混凝土框架的延性增强。

3 结语

对变电站混凝土框架利用CFRP加固的构架进行模拟仿真，由结果分析可知:

1)在施加相同的水平荷载作用下，使用CFRP包裹加固的变电站混凝土框架，极限所受应力得到有效地提高，提高了39%；极限位移也被提高了21%，混凝土构架的延性增加；

2)发现A型柱混凝土结构的弱点在于梁和倾斜柱之间的节点，具体表现为形式混凝土开裂和剥落，之后的强化需要集中在这个位置。为了达到约束效应，在节点位置应该保证有足够的CFRP布加固量；

3)完善成熟的有限元分析软件可以相对准确有效地对试验提供指导，能全面地模拟分析构件的受力情况，有助于科学研究全面展开。