CFRP 筋替代钢筋的劣化RC桥墩抗震性能分析

李全祥

（山东电力建设第三工程有限公司 青岛 266100）

引言

桥梁作为交通互联互通的枢纽工程，是保障国民经济发展和社会生活安定的重要基础设施。受外界恶劣环境的影响，绝大部分桥梁因钢筋锈蚀导致结构性能退化，严重影响桥梁结构的承载力和抗震性能[1～2]。CFRP（碳纤维增强复合材料）具有高强度、低密度以及不易腐蚀即耐久性好等特点，以其替代处于腐蚀环境下桥梁结构中钢筋的方法得到大量研究和应用[3]。

经过国内外学者的大量研究，对CFRP筋替代钢筋的应用取得了巨大成果。垄永智等[4]对4根CFRP筋增强混凝土柱进行了低周往复拟静力试验，研究发现CFRP筋增强混凝土柱的耗能能力相对较差，但表现出较强的承载力和变形能力。余晗健等[5]应用ABAQUS有限元软件对3根CFRP筋混凝土柱进行拟静力数值模拟并与试验数对比，通过对骨架曲线进行分析，验证了有限元数值的可行性。于芳芳等[6]采用ANSYS非线性有限元软件对7根竹筋CFRP箍筋混凝土短柱进行了数值模拟分析，研究表明竹筋CFRP箍筋混凝土柱的承载力和延性均高于普通混凝土柱。Cai Z K等[7]对研究CFRP筋加固SRC柱的抗震性能，发现添加CFRP筋后有效提高屈服后的刚度比和减小残余位移，同时可以能保持其滞回耗能能力。Dong JT等人[8]对混凝土梁和含CFRP材料的混凝土梁的抗震性能进行了对比试验，并用ABAQUS进行模拟，得到的骨架曲线与试验结果很好地吻合，CFRP材料混凝土梁具有较好的抗震性能。Ha G J等[9]通过内置CFRP钢筋和外贴CFRP布的方式对钢筋混凝土梁柱节点进行加固来研究其抗震性能，研究发现进行加固后，不仅提高了钢筋混凝土梁柱节点的承载能力、位移延性能力、耗能能力，而且减少了节点附近混凝土的弯曲裂缝。Pham H等[10]对含FRP材料的钢筋混凝土桥梁的弯曲性进行了试验研究，研究了FRP复合材料的破坏机理，并对其影响因素进行了分析。

本研究假定CFRP筋不易腐蚀，即力学性能不随锈蚀率发生变化，通过运用ABAQUS有限元软件，对锈蚀率5%、10%、15%、20%下五种工况建立钢筋锈蚀的非线性有限元桥墩模型，通过施加低周循环往复荷载进行拟静力分析，对比分析未采用CFRP筋、CFRP筋替代箍筋、CFRP筋替代纵筋的五种工况下RC桥墩抗震性能。

1 模型建立

1.1 钢筋退化模型

钢筋锈蚀的主要表现为钢筋有效截面减小、屈服强度降低。本研究假定纵筋与箍筋锈蚀率相同，采用锈蚀截面损失率求得纵筋与箍筋直径退化曲线如图1所示。

屈服强度退化是锈蚀钢筋力学性能退化的最主要表现。文献[11]通过钢筋混凝土构件内锈损钢筋试验，得出锈蚀钢筋屈服强度与截面损失率呈线性关系，如式（1）所示，由此可求得纵筋和箍筋屈服强度退化曲线，如图2所示。

式中：f为锈蚀钢筋的屈服强度；fy为未锈蚀钢筋的屈服强度；ρs为锈蚀截面损失率。

图1 钢筋有效截面退化曲线

图2 钢筋屈服强度退化曲线

1.2 模型介绍

运用ABAQUS有限元软件建立直径1500mm、高度10m的钢筋混凝土桥墩模型，该桥墩采用C30混凝土；纵筋为28mm的HRB400，箍筋为12mm的HPB300；CFRP筋弹性模量124GPa，极限强度900MPa。CFRP筋直径与原钢筋直径相同，共分为五种工况；CFRP筋替代纵筋时，均匀分布；CFRP筋替代箍筋筋时，CFRP筋与钢筋间隔分布。

该有限元桥墩模型采用0.25轴压比，墩底与承台设置为固接，墩顶采用三级位移加载方式来施以循环往复的水平力，位移加载制度示意图如图3所示。

表1 工况介绍

图3 加载制度示意图

2 考虑CFRP纵筋的抗震性能分析

对工况1、工况2、工况3在5%、10%、15%、20%四种锈蚀率下的有限元桥墩模型作为研究对象，通过对比分析三种工况下的滞回曲线，探究CFRP筋替代纵筋的RC桥墩抗震性能。

工况1、工况2、工况3的滞回曲线如图4所示。加载初期，桥墩屈服前，荷载和位移几乎呈线性关系，随着加载位移的增加，各工况桥墩的滞回环面积相对变大。工况1滞回曲线较为饱满；工况2、工况3滞回曲线呈现梭形，丰满程度相对于工况1较小。通过计算滞回曲线面积，对三种工况在四种锈蚀率下的累计耗能能力进行对比分析。锈蚀率5%时，工况2、工况3的耗能能力比工况1小23.52%、42.18%；锈蚀率10%时，工况2、工况3的耗能能力比工况1小22.62%、42.11%；锈蚀率15%时，工况2、工况3的耗能能力比工况1小22.46%、41.40%；锈蚀率20%时，工况2、工况3的耗能能力比工况1小20.80、39.65%。对于工况1，锈蚀率10%、15%、20%的耗能能力较5%时减小了1.18%、3.45%、9.17%；对于工况2，锈蚀率10%、15%、20%的耗能能力较5%时减小了0.02%、2.12%、5.94%；对于工况3，锈蚀率10%、15%、20%的耗能能力较5%时减小了1.06%、2.16%、5.20%。

可以看出，随着锈蚀率的增加，各工况的耗能能力逐渐退化，工况1耗能能力的衰退速度相对较快；在相同锈蚀率时，各工况的耗能能力由大到小为工况1＞工况2＞工况3。由此说明，CFRP筋替代纵筋的RC桥墩的耗能能力较差，但随着锈蚀率的增加其耗能能力的衰退速度相对较慢。CFRP筋替代纵筋的用量越多，其耗能能力越差。

图4 滞回曲线

3 考虑CFRP箍筋的抗震性能分析

对工况1、工况4、工况5在5%、10%、15%、20%四种锈蚀率下的有限元桥墩模型作为研究对象，通过对比分析三种工况下的滞回曲线，探究CFRP筋替代纵筋的RC桥墩抗震性能。

如图5所示，工况1、工况4、工况5的滞回曲线都较为饱满。通过计算滞回曲线面积，对三种工况在四种锈蚀率下的累计耗能能力进行对比分析。锈蚀率5%时，工况4、工况5的耗能能力比工况1小2.04%、3.54%；锈蚀率10%时，工况4、工况5的耗能能力比工况1小1.61%、2.69%；锈蚀率15%时，工况4的耗能能力比工况1大0.12%，工况5的耗能能力比工况1小1.10%；锈蚀率20%时，工况4的耗能能力比工况1大1.32%，工况5的耗能能力比工况1小0.9%。对于工况4，锈蚀率10%、15%、20%的耗能能力较5%时减小了0.75%、1.32%、6.06%；对于工况5，锈蚀率10%、15%、20%的耗能能力较5%时减小了0.31%、1.01%、6.69%。

可以看出，随着锈蚀率的增加，各工况的耗能能力逐渐降低，工况1耗能能力的衰退速度较快，且工况2、工况3与工况1的差距减小；在锈蚀率5%、10%时，各工况的滞回环面积由大到小为工况1＞工况2＞工况3，在锈蚀率15%、20%时，各工况的滞回环面积由大到小为工况2＞工况1＞工况3。可以看出，CFRP筋替代箍筋的RC桥墩耗能能力与未使用CFRP筋的RC桥墩相差不大，但随着锈蚀率的增加，与未采用CFRP筋的RC桥墩的抗震性能差距减小，采用合理数量CFRP箍筋的桥墩在锈蚀率较大时耗能能力要好于未使用CFRP箍筋的RC桥墩。

图5 滞回曲线

4 结论

运用ABAQUS有限元软件，对5%、10%、15%、20%四种锈蚀下未使用CFRP筋、CFRP筋替代箍筋、CFRP筋替代纵筋的五种工况建立钢筋锈蚀退化桥墩模型，进行了数值模拟，对比分析了其抗震性能。得出结论如下：

（1）CFRP筋替代纵筋时，可以提高RC桥墩的水平承载力和延性性能，但耗能能力较差；CFRP筋替代纵筋的用量越多，其耗能能力越差，水平承载力和延性性能有所提高。

（2）CFRP筋替代箍筋的RC桥墩耗能能力与未使用CFRP筋的RC桥墩差距不大，水平承载力和延性性能有所提高，但提高幅度明显小于CFRP筋替代纵筋的RC桥墩；在锈蚀率较大，采用合理数量CFRP箍筋的RC桥墩的耗能能力要好于未使用CFRP箍筋的RC桥墩。

（3）CFRP筋替代纵筋、箍筋的RC桥墩刚度退化速度明显低于未使用CFRP筋的RC桥墩。

（4）当CFRP筋合理替代一定数量的箍筋和纵筋时，桥墩抗震性能会有一定的提高。