原创作者：土木小 k（大连理工大学）

编辑排版：木木同学（新疆大学）

基于ABAQUS的CFRP加固钢筋混凝土柱承载能力分析

1.研究背景

    随着我国经济实力快速发展与国家竞争力迅速提高，尤其是“一带一路”倡议与“海洋开发战略”实施，我国基础设施建设正逐步冲破东部地区的狭长地带，不断扩展至更加广阔的海洋与西部地区。混凝土结构作为土木工程中最常用的结构形式，在房屋建筑、桥梁、隧道、矿井、水利、海港等工程中的应用非常广泛。据统计，2020年我国高速铁路里程将达到3万km，水力发电将达到    kW，高速公路将达到7万km，核电装机容量将达到5800kW。混凝土材料与结构是这些重大基础设施的主体，图1中列出国内几项重大基础设施项目的混凝土总用量。

    但重点基础设施向海洋、西部拓展，海洋的波浪、潮汐、盐雾，加之高温（冰冻）、高湿环境；西部的干热、干冷，多风环境，尤其是海洋和西部盐渍土地区高浓度的氯离子与硫酸根离子的腐蚀作用（图2），对重大基础设施钢筋混凝土结构的可靠性和耐久性提出了严峻的挑战。这就对混凝土材料的性能提出更高的要求，同时也迫切需要找到一种新材料来延长混凝土材料和结构的长期耐久性。

    钢筋混凝土结构常暴露在各种环境下，会导致材料性能逐渐发生衰退。从图2中可以看到，混凝土桥墩的劣化现象已经非常严重，亟需对其进行加固改造或拆除重建。碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）的出现，为实现混凝土在恶劣环境下的长期耐久性提供一种新的思路。目前，CFRP对既有混凝土结构工程的修复加固已成为建设领域中的重要组成部分。

碳纤维增强复合材料是以碳纤维或碳纤维织物为增强体，以树脂、陶瓷、金属、水泥、碳质或橡胶等为基体所形成的复合材料（图3）。在众多轻量化材料中具有较高的比强度、比刚性，轻量化效果十分明显，在航空航天、军工产品中得到广泛应用。--引自百度百科

2. 模型实例

表1 计算工况

模型概述：柱长：H=1500mm 横截面：D=300mm 混凝土C50 钢筋采用理想弹塑性模型 保护层厚度假设50mm，箍筋间距200mm 加载板采用R3D4刚体单元，共计350个单元

2.1 工况1

工况 1 计算模型示例

场变量输出设置

边界条件设置

位移边界条件

工况 1：荷载-位移曲线

2.2 工况2

工况 2 算例模型组成

2.3 工况3

采用Lamina定义CFRP材料参数

可以看出，三种计算工况的荷载-位移曲线的分布趋势大致相同，但承载能力的大小确有明显不同。与工况1素混凝土情况相比，考虑钢筋后的工况2，其承载力增大了7.81%。

计算机配置

计算耗时统计

3 总结

主要对比了CFRP包裹加固钢筋混凝土柱对承载力的影响。分别开展了素混凝土柱、钢筋混凝土柱以及外侧包裹CFRP加固+钢筋混凝土柱三种有限元数值模拟计算。计算结果表明：

• CFRP包裹钢筋混凝土柱对承载力有显著影响，包裹CFRP后承载力提升了12.05%。这是由于利用CFRP进行加固时，原有混凝土结构承担的部分荷载通过粘结胶层传递给CFRP，从而降低了原有混凝土结构的部分应力水平，从而起到增强加固的效果。

• 利用ABAQUS自带的混凝土CDP塑性损伤本构和Hashin损伤本构可以很好地模拟钢筋混凝土和CFRP包裹加固对梁、柱、板承载力的计算。