连载 | CFRP护套加固的低强钢筋混凝土柱数值建模研究（2）

2 结果和讨论

2.1 荷载–位移曲线

根据仿真结果，配箍的RC柱的最大轴向荷载为559.4 kN，对应的位移（Δ）为2.9 mm。RC柱的最大轴向荷载为1 181.3 kN，对应的位移为4.6 mm。相比之下，CFRP护套加固的配箍RC柱的最大轴向荷载为1 577.1 kN，对应的位移为15.9 mm。以上3种试件的承载能力均随着荷载达到峰值而逐渐减弱，直至加载结束。不同抗剪加固配置的混凝土配筋柱荷载–位移曲线如图4所示。图4展示了普通混凝土柱（RC柱）、钢筋混凝土柱（RC柱+箍筋增强）和CFRP护套加固的钢筋混凝土柱（RC柱+箍筋增强+3 mm CFRP护套）3种试件的荷载–位移曲线。

图4 不同抗剪加固配置的混凝土配筋柱荷载–位移曲线

从图4可以看出，与其他试件相比，普通混凝土的承载能力最低，而用CFRP护套加固的钢筋混凝土的承载能力最高。试件的数值模拟试验结果见表2。

表2 试件的数值模拟实验结果

2.2 破坏模式

普通混凝土未配箍试件由于内部未嵌入箍筋，其抗拉强度较弱，容易发生垂直位移（图5）。在受力时，混凝土试件会发生弯曲，使中跨和底部受到较大的拉应力，从而导致混凝土的断裂和破坏。因此，普通混凝土试件的变形形状主要表现为垂直位移，而最大应力发生在混凝土的中跨和底部。

图5 普通混凝土柱受压破坏示意

钢筋混凝土柱受压破坏如图6所示，箍筋的约束效应很明显，靠近底部的横拉杆对混凝土周围的塑性铰链产生影响。在弯矩作用下，混凝土发生塑性变形时，混凝土内部会形成一些塑性铰，这些塑性铰会对结构的受力性能产生影响。而横拉杆通过对混凝土进行约束，使其在受力时不容易形成塑性铰链，从而提高结构的抗震性能和耐久性。因此，相比未配箍混凝土柱，配箍混凝土柱承载力增加111 %。相比于普通混凝土柱和钢筋混凝土柱，CFRP护套加固的钢筋混凝土柱表现出充分的抗弯曲行为。CFRP护套加固的钢筋混凝土柱受压破坏如图7所示，CFRP对混凝土柱变形的约束效果相当显著，使用CFRP护套加固的钢筋混凝土柱实际应力最低。这也表明CFRP能够分散应力，避免在混凝土的特定区域内累积应力。

图6 钢筋混凝土柱受压破坏示意

图7 CFRP护套加固的钢筋混凝土柱受压破坏示意

CFRP护套加固的钢筋混凝土柱的破坏模式可以分为以下5个阶段。（1）弹性阶段：在荷载作用下，钢筋混凝土柱开始发生弹性变形，并且荷载与变形之间呈现线性关系。（2）屈曲阶段：随着荷载的增加，钢筋混凝土柱出现局部屈曲，柱的强度开始降低。此时，柱的变形开始非线性增加。（3）塑性阶段：当荷载继续增加时，钢筋混凝土柱开始进入塑性阶段，柱的强度进一步降低，同时变形继续增加。此时，柱的变形已经超过弹性极限。（4）局部破坏阶段：当荷载继续增加时，柱中的钢筋开始发生断裂，同时CFRP护套出现撕裂。此时，柱的强度急剧下降，变形也急剧增加。（5）全部破坏阶段：当荷载继续增加时，柱中的剩余钢筋也可能发生断裂，同时柱开始出现更多的裂缝。此时，柱已经完全失去承载能力，发生全面破坏。使用CFRP护套加固可以有效地延缓柱进入局部和全部破坏阶段，提高柱的承载能力和延展性。CFRP护套加固的钢筋混凝土柱的破坏模式相较于普通的钢筋混凝土柱发生变化，在局部破坏阶段，CFRP外包层发生撕裂破坏，而不是混凝土的裂缝扩展。

2.3 CFRP护套厚度变化

数据分析表明，随着CFRP护套厚度的增加，加固柱的刚度和承载力都会增加。具体而言，9 mm CFRP护套加固的钢筋混凝土柱的承载力最高，其次是6 mm CFRP护套加固的，最低的是3 mm CFRP护套加固的。在加固柱变形过程中，CFRP材料能够在柱外层发挥约束作用，抵消沿柱轴方向的应力。因此，CFRP护套厚度越大，在柱内的作用就越大，进而提高加固柱的刚度和承载力。但当CFRP护套厚度增加到一定程度时，增加刚度和承载力的效果将会趋于饱和，加固效率下降。不同厚度的CFRP护套加固的钢筋混凝土柱荷载–位移曲线如图8所示。在柱体破坏前，9 mmCFRP护套加固的钢筋混凝土柱荷载–位移曲线下降得比较平缓。但随着柱体受力程度的增大，柱体会出现失稳现象，此时CFRP护套的表面开始产生微小裂痕，并迅速向内部扩展，直到柱体彻底破坏。这是由于CFRP护套的刚度与内部钢筋混凝土柱差异较大，柱体内部出现应力集中进而引发裂痕扩展。

图8 不同厚度的CFRP护套加固的

3 结论

在CFRP护套加固的钢筋混凝土柱的数值模型中，使用抗压强度较低的15MPa混凝土柱，并考虑3种不同的试件情况，包括普通混凝土柱、钢筋混凝钢筋混凝土柱荷载–位移曲线土柱和用CFRP加固的钢筋混凝土柱。通过仿真，得出如下结论。

（1）相较于普通混凝土柱和钢筋混凝土柱，用CFRP护套加固的钢筋混凝土柱具有最高的最大承载能力，并且CFRP在混凝土中的应用可以显著提高材料的延展性。CFRP护套厚度的增加可以增强配筋柱的抗压承载能力，但加固效率减弱。

（2）对于强度较低（15 MPa）的混凝土柱试件，模拟结果显示CFRP具有极高的强度和刚度，能够有效地承受混凝土柱受力后产生的弯曲应力，从而提高混凝土柱的抗弯曲性能。

（3）CFRP可以分散应力，避免在混凝土柱的特定区域内应力积聚，从而使整个结构的受力更加均匀，提高结构的稳定性和耐久性。值得注意的是，研究取得的结果仅基于施加在试件上的单轴荷载，侧向荷载及循环荷载对材料承载能力的影响还需进一步研究。此外，应通过纳入裂缝模型研究用CFRP护套加固的钢筋混凝土柱的断裂行为。

（本文已完结）