UHPC外包RC柱軸壓力學(xué)性能模擬研究

戚曉楠，薛大鵬

(大連海事大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

1 概述

超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete-UHPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料。由于采用了不同于普通混凝土的配合比設(shè)計(jì)，UHPC具有相較于普通混凝土更強(qiáng)的耐久性和更高的力學(xué)強(qiáng)度[1]，被公認(rèn)為極具發(fā)展前景和工程應(yīng)用價(jià)值[2]。

UHPC在20世紀(jì)70年代起源于丹麥[3]，1998年由清華大學(xué)的覃維祖教授首次引入國(guó)內(nèi)[4]，近年來(lái)已成為國(guó)內(nèi)外土木領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[5]。但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于UHPC外包構(gòu)件力學(xué)性能的研究更多地集中在梁板，對(duì)于墩柱的研究相對(duì)較少。本文擬通過(guò)有限元模擬的方法研究UHPC外包RC柱的軸壓性能，以及外包層厚度、箍筋間距、混凝土強(qiáng)度、縱筋配筋率等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于外包柱軸壓性能的影響，為UHPC工程應(yīng)用提供一定的參考。

2 UHPC加固RC柱有限元模型的建立

本論文基于理論與模擬結(jié)合的思想，采用大型有限元軟件ABAQUS進(jìn)行UHPC加固RC柱軸壓性能的模擬研究。為保證模擬的合理性及正確性，以文獻(xiàn)[6]中的普通RC柱軸壓試驗(yàn)為參考，繪制與其相同的模型，并將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；若兩者吻合得較好，則可驗(yàn)證有限元模型的合理性，可將其作為后續(xù)研究的基礎(chǔ)。

2.1 材料本構(gòu)

UHPC本構(gòu)及鋼筋本構(gòu)采用與文獻(xiàn)[6]相同的本構(gòu)模型；將模擬試件所采用的混凝土本構(gòu)分為兩個(gè)部分：外部無(wú)箍筋約束的混凝土和核心區(qū)受箍筋約束的混凝土，兩部分混凝土采用不同的本構(gòu)模型，無(wú)約束的普通混凝土采用GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范所推薦本構(gòu)模型[7]；核心區(qū)受箍筋約束的混凝土采用過(guò)鎮(zhèn)海提出的矩形箍筋約束混凝土本構(gòu)[8]。首先需要計(jì)算約束指標(biāo)λt以判斷箍筋約束作用的強(qiáng)弱。約束指標(biāo)以0.32為臨界，λt>0.32為強(qiáng)約束，反之為弱約束。強(qiáng)弱約束采用不同的本構(gòu)計(jì)算公式，具體計(jì)算公式如圖1所示。

圖1 計(jì)算公式

2.2 對(duì)比柱及UHPC外包柱有限元模型建立

本模擬采用的試件尺寸，部件配置全部參考文獻(xiàn)[6]中的設(shè)置。用于對(duì)比的普通RC柱所采用的混凝土強(qiáng)度、彈性模量及CDP模型參數(shù)的選取均與文獻(xiàn)[6]相同，以保證用于對(duì)比的未加固柱模型準(zhǔn)確合理。

普通強(qiáng)度混凝土NSC及超高性能混凝土UHPC采用C3D8R單元繪制網(wǎng)格，鋼筋則采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元T3D2繪制網(wǎng)格，假定內(nèi)部核心區(qū)混凝土與外部普通混凝土之間不存在相對(duì)滑移，采用tie約束連接兩種材料；鋼筋使用embeded region約束內(nèi)置于RC柱中；在模型兩端設(shè)置參考點(diǎn)，并將參考點(diǎn)與平面耦合，作為荷載及邊界條件作用點(diǎn)；模型采用位移加載控制荷載的施加，邊界條件為完全固結(jié)，建立模型如圖2所示。

2.3 UHPC外包柱模型合理性驗(yàn)證

由于模擬無(wú)法像試驗(yàn)一樣直觀地觀察試件破壞情況，因此在本模擬中定義模擬試件到達(dá)峰值承載力即為結(jié)構(gòu)破壞，荷載-位移曲線以峰值承載力點(diǎn)為臨界點(diǎn)截?cái)?。通過(guò)對(duì)比本模擬與文獻(xiàn)[6]的荷載-位移曲線(見圖3)，發(fā)現(xiàn)兩條曲線吻合較好，且模擬承載力與試驗(yàn)承載力基本相同，表明模型可用于后續(xù)研究。

3 UHPC外包RC柱軸壓性能模擬研究

UHPC外包RC柱模擬試件的模型是在前述對(duì)比柱模型的基礎(chǔ)上，剝落原有保護(hù)層混凝土，代以UHPC外包層建立而成，模型的其他設(shè)置與前述對(duì)比柱相同；各模擬試件的具體設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 各模擬試件配置表

UHPC外包RC柱軸壓模擬通過(guò)改變UHPC外包層厚度、縱筋配筋率、箍筋間距、核心區(qū)NSC強(qiáng)度等結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái)研究UHPC外包RC柱軸壓性能，分析模擬試件的承載力及應(yīng)變等指標(biāo)，得到結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于試件承載力和應(yīng)變的影響規(guī)律并確定主要影響參數(shù)。

3.1 承載力分析

RC柱是主要承受豎向荷載的構(gòu)件，承載力是評(píng)價(jià)UHPC外包RC柱效果的重要指標(biāo)，因此對(duì)各模擬試件的峰值承載力進(jìn)行對(duì)比及分析，各模擬試件的承載力如表2，圖4所示。

表2 各試件模擬承載力結(jié)果匯總表

表2中PDBZ為未加固柱峰值承載力。由表2中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)RC柱保護(hù)層混凝土由普通混凝土替換為UHPC后，試件在軸壓作用下的峰值承載力得到顯著提升；當(dāng)UHPC外包層厚度為15 mm，20 mm，25 mm，30 mm(WBZ1，WBZ2，WBZ3，WBZ4)時(shí)，模擬試件的峰值承載力較對(duì)比柱峰值承載力的提升幅度分別為73.69%，93.35%，121.53%，151.42%，說(shuō)明隨著UHPC外包層厚度的增大，峰值承載力的提升幅度亦逐步增大。

對(duì)比WBZ4，WBZ5，WBZ6的峰值承載力可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)箍筋間距加密至50 mm時(shí)，軸壓條件下的峰值承載力提升幅度為6.51%；當(dāng)箍筋間距增大至125 mm時(shí)，峰值承載力的降低了5.16%，說(shuō)明改變模擬試件的箍筋間距對(duì)峰值承載力的影響并不顯著。對(duì)比WBZ4，WBZ7，WBZ8模擬數(shù)據(jù)可知，縱筋配置變?yōu)?φ14，4φ18時(shí)，試件的峰值承載力變化幅度為1.08%，7.47%，說(shuō)明在軸向加壓條件下，改變縱筋配置對(duì)于試件的峰值承載力影響不大。對(duì)比WBZ4，WBZ9，WBZ10的模擬承載力可知，當(dāng)核心區(qū)NSC強(qiáng)度等級(jí)變?yōu)镃20，C50時(shí)，試件的峰值承載力變化幅度分別為5.8%及2.25%，說(shuō)明外包層厚度一定時(shí)，改變核心區(qū)NSC強(qiáng)度對(duì)試件峰值承載力的影響不大。

3.2 荷載-位移曲線

不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下模擬試件荷載-位移曲線如圖5所示。

通過(guò)比較各模擬試件的曲線可知，加固層厚度越大，曲線上任意一點(diǎn)的切線斜率就越大，表明模擬試件的剛度會(huì)隨著加固層厚度的增大而增大；且經(jīng)過(guò)UHPC加固的所有模擬試件的峰值位移均較未加固的DBZ大，這是因?yàn)榧庸讨臉O限狀態(tài)為UHPC達(dá)到峰值應(yīng)變，而UHPC的峰值應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于核心區(qū)NSC，故所有加固柱的峰值位移均大于未加固柱。

3.3 應(yīng)變分析

圖6為各模擬試件的荷載-應(yīng)變曲線，其中NSC1代指核心區(qū)NSC橫向應(yīng)變，NSC2代指核心區(qū)NSC縱向應(yīng)變，UHPC1代指外層UHPC橫向應(yīng)變，UHPC2代指外層UHPC縱向應(yīng)變。從圖6中可以看出，在軸向荷載從零逐漸增加到峰值的過(guò)程中，核心區(qū)NSC和外圍UHPC的橫向應(yīng)變基本相同，說(shuō)明外圍的UHPC并未對(duì)核心區(qū)NSC產(chǎn)生約束作用，兩種混凝土之間亦不存在相互作用；并且核心區(qū)NSC和外圍UHPC的縱向應(yīng)變亦基本相同，說(shuō)明軸力作用于模擬試件時(shí)，兩種混凝土之間并無(wú)相對(duì)滑移，可共同承擔(dān)荷載。

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用有限元軟件ABAQUS對(duì)UHPC外包RC柱軸壓性能進(jìn)行了模擬，主要研究了外包層厚度、箍筋間距、縱筋配置及核心區(qū)NSC強(qiáng)度等級(jí)對(duì)于模擬試件峰值承載力及應(yīng)變的影響，通過(guò)分析模擬試件的荷載-位移曲線、荷載-應(yīng)變曲線，得出了以下結(jié)論：

1)使用UHPC替換RC柱外層保護(hù)層普通混凝土可顯著提升RC柱在軸壓下的峰值承載力，并且隨著UHPC外包層厚度的增大，峰值承載力亦逐漸增大，峰值承載力的提升幅度也逐漸增大；

2)使用UHPC外包RC柱亦會(huì)提升RC柱的剛度及變形能力；

3)在本模擬設(shè)計(jì)下，箍筋間距、縱筋配置及核心區(qū)NSC強(qiáng)度對(duì)UHPC外包RC柱的峰值承載力影響較小。