外包鋼加固鋼筋混凝土梁的抗火性能研究

徐良進(jìn)，毛小勇，張翔

(江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘇州科技學(xué)院)，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

由于設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量未達(dá)到設(shè)計(jì)要求、使用功能變更、混凝土結(jié)構(gòu)本身耐久性等問題，使結(jié)構(gòu)不能滿足正常使用要求，此時(shí)需要對其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。外包鋼加固鋼筋混凝土梁是在混凝土梁四周包以型鋼的加固方法，具有強(qiáng)度高、對截面尺寸和外觀影響小、施工簡單、對環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于混凝土結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)。角鋼外包于混凝土表面，使梁的承載力大幅度提高。而在高溫下，角鋼性能劣化、降低甚至失去原本加固強(qiáng)化的效果，構(gòu)件受力惡化，回到加固前危險(xiǎn)的狀態(tài)，但卻承受了加固后的荷載。因此，外包鋼加固鋼筋混凝土梁的抗火性能成為一個(gè)亟待解決的問題。

本文應(yīng)用ABAQUS有限元分析軟件，對外包鋼混凝土梁的溫度場、力學(xué)分析、抗火全過程曲線和抗力折減系數(shù)進(jìn)行了分析，為外包鋼加固鋼筋混凝土梁的抗火設(shè)計(jì)提供參考。

1 高溫下外包鋼鋼筋混凝土梁有限元模型

圖1為外包鋼加固鋼筋混凝土梁的有限元模型。梁3面受火，同時(shí)升溫過程中梁受到的約束保持不變。利用ABAQUS軟件中順序熱－力耦合的方式進(jìn)行分析，首先計(jì)算構(gòu)件的溫度場，然后引入溫度場的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行力學(xué)分析。

圖1 外包鋼加固混凝土梁有限元模型

進(jìn)行溫度場分析時(shí)，混凝土、角鋼、砂漿、綴板采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元(DC3D8)，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)桁架單元(DC1D2)，混凝土與鋼筋骨架、混凝土與角鋼、混凝土與砂漿、角鋼與綴板都為綁定約束(TIE)。梁受火面對流換熱系數(shù)［1］取 25 W/(m2·K)，綜合輻射系數(shù)取0.5;不受火面對流換熱系數(shù)取9 W/(m2·K)，綜合輻射系數(shù)取0。鋼材和混凝土的熱工參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律采用EC3 和 EC4 給出的相關(guān)公式確定。［2－8］

力學(xué)分析時(shí)，混凝土、角鋼、綴板和砂漿采用8節(jié)點(diǎn)減縮積分實(shí)體單元(C3D8R)，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)桁架單元(T3D2)，鋼筋骨架采用嵌入約束(EMBEDED REGION)，嵌入到整個(gè)模型中，其余約束同溫度場分析。

2 外包鋼加固鋼筋混凝土梁溫度場的計(jì)算

加固梁3面受火，其傳熱過程為:火焰熱流體通過輻射和對流將熱量傳遞到砂漿表面，再通過熱傳導(dǎo)進(jìn)一步將熱量傳遞給內(nèi)部的混凝土、角鋼和綴板。

在確定了鋼材和混凝土梁的熱工性能參數(shù)和邊界條件的基礎(chǔ)上，本文采用ABAQUS有限元分析軟件對外包鋼加固鋼筋混凝土梁的溫度場進(jìn)行了分析。計(jì)算時(shí)截面形狀、溫度場點(diǎn)的選取及截面參數(shù)如圖2所示。圖2中各參數(shù):梁寬b1取75mm;板寬b2取 250 mm;板高h(yuǎn)1取120 mm;梁高h(yuǎn)2取350 mm;角鋼厚度δ取8 mm;①為砂漿保護(hù)層，取25 mm。

圖2 截面形狀及截面參數(shù)

圖2所示截面各點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)升溫下的T-t關(guān)系曲線見圖3。從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)可見，截面的溫度場在3個(gè)方向均由外向內(nèi)遞減;受火面與背火面溫度相差很大，而截面內(nèi)部及不受火區(qū)域溫度相差不大，尤其是在梁高腹中區(qū)域內(nèi)可以看出，點(diǎn)13至點(diǎn)16溫差很小。

圖3 外包鋼混凝土梁截面的溫度場分布

3 抗火全過程曲線

圖2所示截面的加固梁在不同時(shí)刻的荷載－位移(P-d)全過程曲線如圖4所示，其中P為梁四分點(diǎn)處的集中力大小，d為集中力P所對應(yīng)點(diǎn)位移。加固梁升溫不同時(shí)刻分別為0 min，30 min，60 min，90 min，120 min。由圖 4 可見，構(gòu)件在高溫下，初始時(shí)刻存在一定的反拱，初始時(shí)間為30 min時(shí)，反拱最小，120 min時(shí)最大。該情況是由于溫度場產(chǎn)生的向上的溫度應(yīng)力，且負(fù)位移先變大后變小。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是:溫度場由初始的很不均勻趨向于均勻，故溫度應(yīng)力可能減小;鋼材和混凝土膨脹系數(shù)隨時(shí)間而變化也導(dǎo)致了溫度應(yīng)力的變化。同時(shí)，隨著初始升溫時(shí)間的增加，構(gòu)件極限承載力明顯下降。

圖4 構(gòu)件不同初始時(shí)刻荷載－位移全過程曲線

3.1 抗火全過程曲線影響參數(shù)分析

梁寬b1、板寬b2、板厚h1、梁高h(yuǎn)2和角鋼厚度δ對外包鋼加固梁全過程曲線的影響見圖5。圖5中每種梁截面所考慮不同初始時(shí)刻分別為0 min，30 min，60 min，90 min，120 min，150 min［9］;表 1 中參數(shù)代號(hào)意義為:A、B 代表b1，分別為75 mm和100 mm;C、D代表b2，分別為225 mm和250 mm;E、F代表h1，分別為100 mm 和120 mm;G、H代表h2，分別為 300 mm 和 350 mm;I、J代表δ，分別為5 mm 和8 mm。(注:角鋼厚度5 mm，8 mm分別代表角鋼規(guī)格為50 mm×50 mm ×5 mm、75 mm ×75 mm ×8 mm)。由圖5可以看出:

1)初始升溫時(shí)刻為0即常溫下的構(gòu)件極限承載力最大，由于初始時(shí)刻無溫度應(yīng)力的影響，因此無負(fù)向位移。初始升溫時(shí)刻為150 min，構(gòu)件極限承載力最小，其主要原因是在高溫下，構(gòu)件內(nèi)部混凝土和鋼材強(qiáng)度剛度弱化;由于升溫時(shí)間較長，在溫度應(yīng)力下，構(gòu)件反向位移最大。

2)在0～90 min內(nèi)，構(gòu)件的負(fù)向位移相對較小，而在90～150 min明顯可以看出負(fù)向位移較大。主要原因是隨著升溫時(shí)間的增加(本文選用的是ISO標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線)，溫度也相應(yīng)升高，溫度應(yīng)力也是更加強(qiáng)烈，在構(gòu)件3面受火作用下，T形梁下部的溫度應(yīng)力類似于膨脹力對構(gòu)件的向上推力。

表1 梁截面參數(shù)

3)圖5(a)～(e)相比較發(fā)現(xiàn):隨著梁寬、梁高、角鋼厚度的增加，構(gòu)件不同初始時(shí)刻極限承載都有明顯增加，表明梁寬、梁高、角鋼厚度對構(gòu)件的極限承載力有明顯影響。

圖5 構(gòu)件抗火全過程曲線影響參數(shù)

4 抗力折減系數(shù)分析

4.1 抗力折減系數(shù)的計(jì)算

抗力折減系數(shù)［7］定義如下:

其中:Pu(t)為初始升溫t時(shí)刻構(gòu)件的極限承載力;Pu(0)為初始時(shí)構(gòu)件的極限承載力。

4.2 抗力折減系數(shù)影響因素分析

為進(jìn)一步了解外包鋼加固混凝土梁抗力折減系數(shù)的特點(diǎn)，本文分析了不同參數(shù)對外包鋼混凝土梁抗力折減系數(shù)的影響。

1)由圖6(a)～(e)可以看出:隨著初始升溫時(shí)間的增加，抗力折減系數(shù)不斷下降，表明初始升溫時(shí)間增加時(shí)，由于在高溫下，構(gòu)件材料屬性、強(qiáng)度、剛度不斷弱化，極限承載力不斷下降;

2)由圖6(a)、(d)、(e)可以看出:構(gòu)件截面其他參數(shù)相同時(shí)，隨著梁寬、梁高、角鋼厚度的增大，抗力折減系數(shù)增大，表明隨著梁寬、梁高、角鋼厚度的增加，構(gòu)件的受彎性能增強(qiáng)，對抗力折減系數(shù)有較明顯的影響;

3)由圖6(b)、(c)可以看出:構(gòu)件截面其他參數(shù)相同時(shí)，隨著板寬、板厚的增大，抗力折減系數(shù)幾乎一致;

4)圖6(a)～(e)可以看出:抗力折減系數(shù)初期緩慢下降，然后速度加快，最后再趨向于平緩。

圖6 抗力折減系數(shù)影響參數(shù)分析

5 結(jié)論

通過研究可得到如下結(jié)論:

1)截面沿板厚度方向、梁寬方向、梁高方向溫度場均由外向內(nèi)遞減;

2)試件恒溫加載得到不同時(shí)段抗火全過程曲線，在火災(zāi)高溫下，試件呈現(xiàn)出一定的反拱，隨著初始升溫時(shí)間增大，反拱程度加劇;

3)影響全過程曲線的主要參數(shù)是梁高、梁寬和角鋼厚度。隨著梁高和角鋼厚度的增加，極限承載力明顯增大;梁寬增大時(shí)，極限承載力有一定的增加;其他參數(shù)影響較小;

4)影響抗力折減系數(shù)的主要參數(shù)是梁寬、梁高和角鋼厚度;其他參數(shù)影響較小;

5)抗力折減系數(shù)初期緩慢下降，然后速度加快，最后再趨向于平緩。

［1］李國強(qiáng)，韓林海，樓國彪，等.鋼結(jié)構(gòu)及鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2006.

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