基于ABAQUS的CFRP加固鋼筋混凝混凝土柱能力分析

1. 研究背景

隨著我國經濟實力快速發展與國家競爭力迅速提高，尤其是‘一帶一路’倡議與‘海洋開發戰略’實施，我國基礎設施建設正逐步沖破東部地區的狹長地帶，不斷擴展至更加廣闊的海洋與西部地區。混凝土結構作為土木工程中最常用的結構形式，在房屋建筑、橋梁、隧道、礦井、水利、海港等工程中的應用非常廣泛。據統計，2020年我國高速鐵路里程將達到3萬km，水力發電將達到3.2x108kW，高速公路將達到7萬km，核電裝機容量將達到5800kW。混凝土材料與結構是這些重大基礎設施的主體，圖1中列出國內幾項重大基礎設施項目的混凝土總用量[1,2]。

圖1 國內部分大型工程混凝土用量 （單位:m3）

但重點基礎設施向海洋、西部拓展，海洋的波浪、潮汐、鹽霧，加之高溫（冰凍）、高濕環境；西部的干熱、干冷，多風環境，尤其是海洋和西部鹽漬土地區高濃度的氯離子與硫酸根離子的腐蝕作用（圖2），對重大基礎設施鋼筋鋼筋混凝土的可靠性和耐久性提出了嚴峻的挑戰。這就對混凝土材料的性能提出更高的要求，同時也迫切需要找到一種新材料來延長混凝土材料和結構的長期耐久性。

鋼筋鋼筋混凝土結構露在各種環境下，會導致材料性能逐漸發生衰退。從圖2中可以看到，混凝土橋墩的劣化現象已經非常嚴重，亟需對其進行加固改造或拆除重建。碳纖維增強聚合物復合材料（CFRP）的出現，為實現混凝土在惡劣環境下的長期耐久性提供一種新的思路。目前，CFRP對既有混凝土結構工程的修復加固已成為建設領域中的重要組成部分。

(a) 銹蝕嚴重的鋼筋混凝土橋墩	(b) 潮汐變化的近海橋墩

圖2 鋼筋混凝土橋墩(源于網絡，侵刪)

碳纖維增強復合材料是以碳纖維或碳纖維織物為增強體，以樹脂、陶瓷、金屬、水泥、碳質或橡膠等為基體所形成的復合材料（圖3）。在眾多輕量輕量化中具有較高的比強度、比剛性，輕量化效果十分明顯，在航空航天、軍工產品中得到廣泛應用。--引自百度百科

圖3 CFRP圖(源于網絡，侵刪)

基于上述背景，本次主要采用ABAQUS軟件對混凝土柱進行數值模擬，并通過外側包裹CFRP來對原有混凝土柱進行增強加固處理，對比有無CFRP包裹對鋼筋混凝土柱承載力的影響。

2. 模型實例

表1 計算工況

工況類別	注釋	網格
工況一	素混凝土	混凝土C3D8R，共計9600個
工況二	混凝土+鋼筋	混凝土C3D8R，共計9600個；鋼筋B31，共計780個
工況三	混凝土+鋼筋+CFRP	混凝土C3D8R，共計9600個；鋼筋B31，共計780個；CFRP包裹布S4R，共計2280個

模型概述：

柱長：H=1500mm

橫截面：D=300mm

混凝土C50

鋼筋采用理想彈塑性模型

保護層厚度假設50mm，箍筋間距200mm

加載板采用R3D4剛體單元，共計350個單元

2.1 工況1

工況一計算模型示例

求解設置

求解設置

場變量輸出設置

邊界條件設置

底部全約束，頂部采用位移加載的形式，向下-15mm

邊界條件設置

混凝土材料參數

計算求解時，12線程進行計算

工況一計算結果

工況一：荷載-位移曲線

2.2 工況2

工況二算例模型組成

鋼筋材料參數

工況二計算結果

工況二 荷載-位移曲線

可以看到，在豎向荷載作用下，鋼筋混凝土柱中部受損最為嚴重，有向外“鼓脹”的趨勢，由于受到鋼筋籠的約束作用，混凝土并未出現如工況1結果中的豎向受拉破壞區域，這與實際試驗破壞模式是類似的。

2.3 工況3

采用Lamina定義CFRP材料參數

CFRP材料參數設置

定義Hashin損傷參數

CFRP鋪層設置

CFRP材料方向

定義場變量輸出

計算效率很低，200個增量步后終止計算

工況三計算結果截圖

工況三 荷載-位移曲線

三種計算工況對比

可以看出，三種計算工況的荷載-位移曲線的分布趨勢大致相同，但承載能力的大小確有明顯不同。與工況1素混凝土情況相比，考慮鋼筋后的工況2，其承載力增大了7.81%。

計算機配置：

Windows系統版本 windows 10專業版

版本號 20H2

系統類型 64位操作系統

處理器  Intel(R) Core(TM) i7-10700F CPU @ 2.90GHz   2.90 GHz

機帶RAM 32GB

計算耗時統計

工況類別	計算耗時
工況一	10min50s
工況二	11min13s
工況三	25min

3 總結

主要對比了CFRP包裹加固鋼筋混凝土柱對承載力的影響。分別開展了素混凝土柱、鋼筋混凝土柱以及外側包裹CFRP加固+鋼筋混凝土柱三種有限元數值模擬計算。計算結果表明：

①CFRP包裹鋼筋混凝土柱對承載力有顯著影響，包裹CFRP后承載力提升了12.05%。這是由于利用CFRP進行加固時，原有混凝土結構承擔的部分荷載通過粘結膠層傳遞給CFRP，從而降低了原有混凝土結構的部分應力水平，從而起到增強加固的效果。

②利用ABAQUS自帶的混凝土CDP塑性損傷本構和Hashin損傷本構可以很好地模擬鋼筋混凝土和CFRP包裹加固對梁、柱、板承載力的計算。

參考文獻：

[1] 金祖權. 氯鹽-硫酸鹽環境下鋼筋混凝混凝土腐蝕損傷span>[M]. 科學出版社，2021.

[2] 顧祥林. 混凝土結構的環境作用[M]. 科學出版社，2021.

[3] Erdil, B., Akyuz, U. & Yaman, I.O. Mechanical behavior of CFRP confined low strength concretes subjected to simultaneous heating–cooling cycles and sustained loading. Mater Struct 45, 223–233 (2012). https://doi.org/10.1617/s11527-011-9761-6

[4] 硫酸鹽環境中CFRP 約束劣化混凝土柱的力學性能[J]. 復合材料學報.