外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能研究

張翔，毛小勇,徐良進(jìn)

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

外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能研究

張翔，毛小勇,徐良進(jìn)

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

利用有限元軟件ABAQUS建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)和力學(xué)分析模型，應(yīng)用鋼筋混凝土柱的抗火試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。采用驗(yàn)證后的模型分析了軸壓比、偏心率、荷載比以及承載力提高系數(shù)對(duì)外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響規(guī)律。分析結(jié)果表明：隨著軸壓比、荷載比和偏心率的增加，加固柱的耐火極限減小。對(duì)于軸心受壓柱，承載力提高系數(shù)的增加對(duì)加固柱耐火極限影響很??；對(duì)于偏心受壓柱，隨承載力提高系數(shù)的增大加固柱的耐火極限增大，但增幅有限。在荷載比相同的前提下，偏心率對(duì)柱的耐火極限影響不顯著。

外包鋼加固鋼筋混凝土柱；抗火性能；溫度場(chǎng)；鋼筋混凝土柱

外包鋼加固鋼筋混凝土柱，是在混凝土柱四周包以角鋼的加固方法[1]。該方法可在不顯著增大原柱截面面積的前提下，大幅度提高柱的承載能力，且現(xiàn)場(chǎng)工作量較小，施工快捷。作為加固規(guī)范[2]中的方法之一，外包鋼加固鋼筋混凝土柱在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用[3-4]。

目前，研究多集中于外包鋼加固鋼筋混凝土柱的承載能力[5-6]，很少考慮其在火災(zāi)下的反應(yīng)[7-8]。由于加固后柱的承載力顯著增加，其在火災(zāi)下的危險(xiǎn)性高于普通鋼筋混凝土柱。按照加固規(guī)范的構(gòu)造要求所規(guī)定的水泥砂漿保護(hù)層厚度（25 mm），遠(yuǎn)達(dá)不到加固柱的耐火保護(hù)要求。在火災(zāi)作用下，由于界面粘結(jié)處結(jié)構(gòu)膠融化、砂漿承載力低及角鋼導(dǎo)熱性優(yōu)良，將易造成加固柱外部砂漿層的剝落，導(dǎo)致加固角鋼直接暴露于火災(zāi)熱場(chǎng)中。因此，隨著外包鋼加固技術(shù)的推廣和應(yīng)用[9]，外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能及設(shè)計(jì)方法成為一個(gè)急需解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述現(xiàn)狀，文中建立了加固柱在四面受火條件下的抗火分析模型，并研究了各參數(shù)對(duì)火災(zāi)下外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響，可為外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)提供參考。

1 外包鋼加固鋼筋混凝土柱的有限元模型

1.1 有限元模型簡(jiǎn)介

加固柱模型由4部分組成（見(jiàn)圖1），分別是鋼筋骨架、內(nèi)層混凝土、加固角鋼與綴板、外層水泥砂漿保護(hù)層，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]要求，型鋼及混凝土表面涂抹25 mm的高強(qiáng)度水泥砂漿作為保護(hù)層。

利用ABAQUS軟件中的順序熱-力耦合功能進(jìn)行外包鋼加固鋼筋混凝土柱有限元模型的抗火性能分析，即首先分析各部分的溫度場(chǎng)，然后將計(jì)算得到的溫度場(chǎng)作為體荷載進(jìn)行后續(xù)的力學(xué)分析。

溫度場(chǎng)分析時(shí)，角鋼、綴板、水泥砂漿和混凝土采用DC3D8單元模擬，鋼筋采用DC1D2單元模擬，鋼筋、角鋼、綴板與水泥砂漿、混凝土對(duì)應(yīng)接觸部位采用綁定約束。力學(xué)分析時(shí)，角鋼、綴板、水泥砂漿和混凝土采用C3D8R單元模擬，鋼筋采用T3D2單元模擬。鋼筋、角鋼和綴板采用嵌入約束（EMBEDED）嵌入到對(duì)應(yīng)模型中，端板與相對(duì)應(yīng)接觸的部位采用綁定約束（TIE）。

鋼材的高溫本構(gòu)模型及熱工參數(shù)采用Lie[10]的應(yīng)力應(yīng)變曲線；混凝土的高溫本構(gòu)模型及熱工參數(shù)采用Kodur[11]的應(yīng)力應(yīng)變曲線；混凝土高溫下的受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線采用文獻(xiàn)[12]中給出的簡(jiǎn)化雙折線模型。外層水泥砂漿保護(hù)層的熱工參數(shù)如下：密度2 000 kg/m3，比熱容及導(dǎo)熱系數(shù)和混凝土的熱工參數(shù)相同。

火災(zāi)升溫采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)的升溫曲線，柱四面受火。

圖1 外包鋼加固鋼筋混凝土柱的有限元模型

1.2 模型驗(yàn)證

由于目前尚無(wú)外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能試驗(yàn)，利用文獻(xiàn)[13]中NC1鋼筋混凝土柱的抗火試驗(yàn)結(jié)果對(duì)上述模型進(jìn)行驗(yàn)證，可在一定程度上反映模型中單元、材料、邊界及約束關(guān)系的合理性。

試件NC1長(zhǎng)3 810 mm，豎向荷載為1 181 kN，截面尺寸300 mm×300 mm，混凝土保護(hù)層厚度30 mm，縱筋為4Φ25，箍筋采用Φ8@100（200），受火面長(zhǎng)度為3 000 mm。

圖2為模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，可以看出溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，軸向變形的模擬曲線與試驗(yàn)曲線基本一致。

圖2 有限元模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 加固柱參數(shù)及設(shè)計(jì)

試件加固前基本參數(shù)如下：柱長(zhǎng)L=3 800 mm，截面尺寸300 mm×300 mm，混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=30 MPa，縱筋采用4Φ22鋼筋，箍筋為Φ8@100（200）。加固角鋼尺寸分別為L(zhǎng)75×8、L90×10、L100×10、L100×12、L110×12、L110×14等6種，綴板尺寸240×40×6，角鋼與綴板均為HPB235鋼材。

鋼筋混凝土柱的極限承載力通過(guò)《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]計(jì)算，外包鋼加固鋼筋混凝土柱的極限承載力通過(guò)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]計(jì)算。加固前、后柱軸力-彎矩相關(guān)曲線見(jiàn)圖3。

由圖3可知，柱豎向承載力顯著提高。在相同軸力水平下，柱抗彎能力提高超過(guò)一倍。這是由于外包鋼位于加固柱最外側(cè)，可有效抵抗彎矩作用。

圖3 承載力包絡(luò)圖

3 加固柱抗火性能參數(shù)分析

針對(duì)以上加固柱構(gòu)件，分析了軸壓比m、荷載偏心率e、荷載比μ以及承載力提高系數(shù)β等4個(gè)參數(shù)對(duì)外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響。

3.1 軸壓比的影響

軸壓比m=N/fcA。其中，N為加固柱實(shí)際承受的軸力；fc為混凝土常溫下棱柱體的強(qiáng)度，A為截面面積。分析時(shí)m分別取值0.4、0.6、0.8、0.9、1.0。

圖4（a）、圖4（b）分別為軸心受壓（e=0）和偏心受壓（e=0.4）時(shí)柱軸向位移變化曲線。由圖4可見(jiàn)，隨著升溫時(shí)間增加，加固柱軸向位移的變化趨勢(shì)是先增大然后逐漸減??；隨著軸壓比不斷增大，加固柱在升溫時(shí)出現(xiàn)的軸向最大膨脹變形越來(lái)越小。這是由于軸壓比的增加將使混凝土和加固角鋼承受更大的應(yīng)力，而角鋼位于柱外側(cè)區(qū)域，火災(zāi)下溫度上升較快，其承載能力隨升溫時(shí)間增加顯著降低，荷載向內(nèi)部的鋼筋混凝土柱轉(zhuǎn)移，一旦達(dá)到高溫下混凝土的抗壓強(qiáng)度，柱即發(fā)生破壞，從這個(gè)角度講，火災(zāi)下加固柱比普通混凝土混凝土柱更加危險(xiǎn)；加固柱軸壓比越大，則其受壓產(chǎn)生的軸向壓縮越大，而加固柱因熱膨脹產(chǎn)生的軸向膨脹變形一定，故其軸向最大膨脹變形越來(lái)越小。

3.2 偏心率的影響

荷載偏心率e=e0/b。其中，e0為初始偏心距，b為偏心方向的相應(yīng)邊長(zhǎng)。分析時(shí)，e分別取值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5及0.03、0.07、0.10、0.13、0.18、0.20、0.23。

圖5（a）、圖5（b）中給出了偏心率e不同時(shí)加固柱軸向位移變化曲線。由圖5可見(jiàn)，在其他參數(shù)相同的前提下，隨著偏心率的增加，加固柱的耐火極限顯著減小。這是由于偏心率的增加意味著柱承受的彎矩增加。由于彎矩主要由外側(cè)的角鋼承受，故角鋼中的應(yīng)力明顯加大。一旦位于外側(cè)的角鋼在高溫下失效，柱抗彎能力將顯著下降，導(dǎo)致耐火極限降低。

圖4 不同軸壓比下加固柱軸向位移變化曲線

圖5 不同偏心率下加固柱軸向位移變化曲線

3.3 荷載比的影響

荷載比μ=P0/Pu。其中，P0為常溫下柱的軸力；Pu為常溫下柱的極限承載力。分析時(shí)μ分別取值0.4、0.6、0.7、0.8。

圖6（a）、（b）為偏心率不同時(shí)，不同荷載比作用下加固柱軸向位移隨時(shí)間的變化曲線。由圖6可見(jiàn)，隨著荷載比增大，加固柱的耐火極限迅速減小。究其原因，荷載比μ增加則加固柱承受的軸向荷載增加，加固柱所能提供的剩余承載力減小，由于鋼材和混凝土在升溫時(shí)材性變差，故加固柱剩余承載力隨升溫時(shí)間增加逐漸降低。一旦在該荷載比下加固柱的剩余承載力減小為零，柱即發(fā)生破壞。

3.4 承載力提高系數(shù)的影響

承載力提高系數(shù)β=N1/N2。其中，N1為鋼筋混凝土柱由不同尺寸角鋼加固后所得加固柱在常溫下的極限承載力，N2為未加固鋼筋混凝土柱在常溫下的極限承載力。圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）、圖7（d）分別對(duì)應(yīng)荷載比μ=0.5、0.7、0.5、0.7，以及偏心率e=0.4、0.4、0、0條件下，軸向位移隨時(shí)間的變化曲線。各圖軸向壓力均是定值，其值為未加固鋼筋混凝土柱極限承載力乘以各圖對(duì)應(yīng)的荷載比，其中不同值所對(duì)應(yīng)的加固角鋼尺寸見(jiàn)表1。

圖6 加固柱軸向位移曲線

圖7 不同承載力提高系數(shù)下加固柱軸向位移變化曲線

表1 承載力提高系數(shù)-角鋼尺寸

由圖7可見(jiàn)，隨著加固柱承載力提高系數(shù)β增大，加固柱的耐火極限增大；當(dāng)荷載比較小時(shí)，β增大，加固柱的耐火極限略微增加；當(dāng)荷載比較大時(shí)，β增大，加固柱的耐火極限顯著增加。這是由于β增大則加固柱的極限承載力增大，加固柱需受火至更高溫度，使其內(nèi)部鋼材和砼的材性進(jìn)一步降低，以材料達(dá)到該荷載比作用下的破壞強(qiáng)度。

當(dāng)荷載比較小時(shí)，由于內(nèi)部鋼筋混凝土柱能夠承受外部角鋼因受熱失效而轉(zhuǎn)移來(lái)的荷載，角鋼受熱失效后內(nèi)部混凝土柱不致馬上破壞，故β增大僅使柱的耐火極限略微增加；而當(dāng)荷載比較大時(shí)，內(nèi)部鋼筋混凝土柱無(wú)法承受外部轉(zhuǎn)移來(lái)的荷載，β增大使加固柱整體承載能力增加，故加固柱的耐火極限明顯增加。

圖8（a）、圖8（b）為荷載比μ一定時(shí)，軸心受壓與偏心受壓加固柱的耐火極限與β的關(guān)系?？梢?jiàn)當(dāng)荷載比一定時(shí)，承載力提高系數(shù)增加，加固柱耐火極限略微減小。這是由于當(dāng)荷載比相同時(shí)，承載力提高系數(shù)增大，則加固柱整體承受的荷載也增大，角鋼將分擔(dān)更大比例的荷載，而一旦高溫下角鋼材性變差無(wú)法承受其原有荷載，則其所受荷載將轉(zhuǎn)移至內(nèi)部鋼筋混凝土柱，這將使得內(nèi)部鋼筋混凝土柱在高溫下承受更大作用的荷載，從而導(dǎo)致其耐火極限降低。

圖8 β-加固柱耐火極限變化

4 結(jié)論

應(yīng)用ABAQUS建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱的有限元模型，并對(duì)軸力作用下外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)論如下：

（1）隨著加固柱軸壓比增大，加固柱的耐火極限減??；隨著加固柱偏心率增加，加固柱的耐火極限減??；當(dāng)荷載比較大時(shí)，偏心率略微增加，將導(dǎo)致加固柱的耐火極限顯著減小。

（2）當(dāng)加固柱荷載比較大時(shí)，隨著加固角鋼尺寸的增大，加固柱耐火極限明顯增加；當(dāng)加固柱荷載比較小時(shí)，加固角鋼尺寸的增大對(duì)加固柱耐火極限的影響可以忽略。

（3）當(dāng)加固柱的荷載比增加時(shí)，加固柱的耐火極限減??；軸心與偏心受壓加固柱當(dāng)其荷載比相同時(shí)，兩者的耐火極限基本相同

（4）當(dāng)荷載比為定值時(shí)，承載力提高系數(shù)提高，加固柱耐火極限略微減小。

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Fire performance of concrete columns strengthened with angle steel

ZHANG Xiang，MAO Xiaoyong，XU Liangjin
（Jiangsu Key Laboratory of Structural Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

The thermal field and mechanical performance model of reinforced concrete columns strengthened with angle steel were established by using FEA software ABAQUS．The FEA model was verified by the fire performance test results from the reinforced concrete columns．The validated model was then used to analyze the influence of related factors on fire resistance,including axial compression ratio,load eccentricity ratio,load ratio and increasing coefficient of carrying capacity．From the results,we can see that the fire resistance of the strengthened columns decreases with the increase of axial compressive ratio,load eccentricity and load ratio．For the eccentric compression columns,the fire resistance of the strengthened columns increases little with the increase of improvement of bearing capacity coefficient,but the increase is limited．Under the same load ratio,the eccentricity ratio presents little influence on the fire resistance limit of the above-mentioned columns．

strengthened with angle steel;fire resistance;temperature field;RC columns

TU352

A

1672-0679（2015）01-0037-04

（責(zé)任編輯：秦中悅）

2014－04－16

江蘇省“333工程”中青年學(xué)術(shù)帶頭人項(xiàng)目（2011-24）；江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目（2012-JS-004）

張翔（1989-），男，江蘇蘇州人，碩士研究生。