高溫下鋼筋混凝土框架梁抗剪性能研究

楊志年，陳明遠(yuǎn)，王興國，王紹杰

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北唐山063009； 2.河北省地震工程研究中心， 河北唐山063009)

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高溫下鋼筋混凝土框架梁抗剪性能研究

楊志年1,2，陳明遠(yuǎn)1,2，王興國1,2，王紹杰1,2

(1.華北理工大學(xué)建筑工程學(xué)院， 河北唐山063009； 2.河北省地震工程研究中心， 河北唐山063009)

為了研究高溫下鋼筋混凝土框架梁的抗剪性能，建立了框架梁的非線性有限元分析模型，采用恒載升溫的方式，對(duì)高溫下鋼筋混凝土框架梁的抗剪性能進(jìn)行模擬，分析了不同混凝土強(qiáng)度、剪跨比及混凝土保護(hù)層厚度對(duì)鋼筋混凝土框架梁抗剪性能的影響。結(jié)果表明：減小剪跨比和增大混凝土保護(hù)層厚度能顯著提高框架梁高溫下的抗剪性能，在相同條件下，剪跨比為1.5的框架梁的耐火極限比剪跨比為2.3的框架梁的提高45%，剪跨比為2.3的框架梁的耐火極限比剪跨比為3.0的框架梁的提高50%；混凝土保護(hù)層厚度每增加10 mm，框架梁的耐火極限約提高20%。隨著混凝土強(qiáng)度的增加，框架梁高溫下的抗剪性能得到提高，但提高效果不夠明顯。工程設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度、減小剪跨比、增大混凝土保護(hù)層厚度是提高鋼筋混凝土梁抗剪性能的有效措施。

框架梁；高溫；抗剪性能；有限元

0　引　言

鋼筋混凝土(RC)框架梁是結(jié)構(gòu)重要的水平承重構(gòu)件，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，其損傷及破壞非常嚴(yán)重，因此,對(duì)其高溫下的力學(xué)性能研究意義重大。目前,針對(duì)鋼筋混凝土梁的力學(xué)性能的研究大多集中在常溫或高溫下的抗彎性能研究[1-14]，而對(duì)于抗剪性能研究較少。向延念等[2]通過對(duì)8根鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁進(jìn)行火災(zāi)模擬試驗(yàn)，對(duì)各種工況下的梁受損程度進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明，梁保護(hù)層厚度越小，升溫時(shí)間越長(zhǎng), 配筋率越低，則火災(zāi)對(duì)梁的損傷程度越大。張威振[3]對(duì)16根鋼筋混凝土梁進(jìn)行火災(zāi)下的抗火性能試驗(yàn)，通過試驗(yàn)量測(cè)和數(shù)據(jù)分析，在考察升溫時(shí)間、配筋率對(duì)構(gòu)件抗火性能影響的基礎(chǔ)上，對(duì)簡(jiǎn)支梁高溫下的力學(xué)性能和變形反應(yīng)的一般規(guī)律進(jìn)行了概括。吳波等[5]對(duì)8根混凝土約束梁進(jìn)行了升降溫全過程的耐火性能試驗(yàn)，考察了升降溫作用下梁端軸向和轉(zhuǎn)動(dòng)約束、荷載比、升溫時(shí)間等參數(shù)對(duì)約束梁高溫變形及內(nèi)力的影響。

本研究利用ABAQUS非線性有限元分析軟件建立了9根RC框架梁的數(shù)值模型，對(duì)其火災(zāi)下的抗剪性能進(jìn)行模擬及分析，研究混凝土強(qiáng)度、剪跨比及混凝土保護(hù)層厚度等對(duì)高溫下框架梁抗剪承載性能的影響，旨在為鋼筋混凝土梁的抗火性能化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，以進(jìn)一步完善梁的抗火設(shè)計(jì)理論。

1　試件設(shè)計(jì)

圖1　框架梁的截面尺寸及配筋Fig.1　Arrangement of reinforcement of the frame beam

框架梁的尺寸及配筋按照現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，凈跨為4 m，截面為250 mm×500 mm，縱筋采用HRB500級(jí)，箍筋采用HRB300級(jí)，設(shè)計(jì)的框架梁縱向受力鋼筋較多，以保證框架梁的抗剪破壞先于受彎破壞發(fā)生，梁的截面尺寸及配筋示意如圖1所示?？蚣芰翰捎煤爿d升溫的方法，加載方式為集中荷載。為模擬火災(zāi)下梁承受的正常使用荷載，施加的恒荷載大小取為150 kN，對(duì)梁采取底面及兩個(gè)側(cè)面三面受火的加熱方法，升溫曲線采用ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。

考慮混凝土強(qiáng)度、剪跨比及混凝土保護(hù)層厚度等不同參數(shù)對(duì)RC框架梁火災(zāi)下抗剪性能的影響，選取3組共計(jì)9根框架梁進(jìn)行研究，參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1　參數(shù)設(shè)計(jì)Tab.1　Parameter design

2　數(shù)值模擬

首先利用ABAQUS非線性有限元分析軟件對(duì)框架梁的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，其中，鋼筋和混凝土的熱工參數(shù)均根據(jù)歐洲規(guī)范[15]選取，得到框架梁在三面受火條件下的截面溫度場(chǎng)分布。圖2為梁截面溫度隨時(shí)間變化的云圖。由圖2可知，梁三面均勻受火時(shí),等溫線近似呈U型，熱量由外向內(nèi)緩慢傳導(dǎo)，隨著受火時(shí)間的增加，由于混凝土材料的熱惰性，梁內(nèi)外產(chǎn)生較大的溫度梯度。

(a) 受火30 min

(b) 受火60 min

(c) 受火90 min

(d) 受火120 min

圖2梁截面溫度分布

Fig.2Temperature distribution through the beam depth

梁截面混凝土的溫度隨時(shí)間的變化曲線見圖3?？梢钥闯?，梁內(nèi)溫度在受火初期增加較快，中后期趨于平緩，在120 min的受火時(shí)間內(nèi)，梁直接受火的底面及側(cè)面最高溫度達(dá)到1 000 ℃，梁頂背火面最高溫度超過200 ℃。

圖3　梁截面溫度—時(shí)間關(guān)系曲線

以梁的溫度場(chǎng)分析結(jié)果作為力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)框架梁火災(zāi)后的抗剪性能進(jìn)行分析?？蚣芰夯炷敛捎肈C3D8單元，鋼筋采用DC1D2單元。本研究取每個(gè)單元格尺寸為50 mm×50 mm，高度方向9個(gè)單元，寬度方向5個(gè)單元，跨度方向80個(gè)單元，采用四節(jié)點(diǎn)單元。梁的幾何模型及單元?jiǎng)澐秩鐖D4所示。

3　影響因素分析

采用有限元模擬計(jì)算的方法分析在集中荷載及高溫作用下RC框架梁的抗剪性能。當(dāng)梁內(nèi)箍筋應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，箍筋開始發(fā)生屈服時(shí)，認(rèn)為鋼筋混凝土梁發(fā)生斜截面剪切破壞。

3.1混凝土強(qiáng)度對(duì)高溫下RC框架梁抗剪性能的影響

圖5是剪跨比采用2.3、混凝土保護(hù)層厚度采用30 mm、具有不同混凝土強(qiáng)度的框架梁在火災(zāi)下其集中荷載作用處的撓度—時(shí)間曲線，圖6為火災(zāi)下梁內(nèi)箍筋應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系曲線。由圖5可知，火災(zāi)發(fā)生后的前39 min內(nèi)，梁在集中荷載作用處的撓度近似呈線性增長(zhǎng)， 39 min后，混凝土強(qiáng)度為C35的梁L1撓度突然迅速增加。由圖6可見，此時(shí)對(duì)應(yīng)的箍筋應(yīng)力不再發(fā)生變化，達(dá)到對(duì)應(yīng)溫度下的屈服強(qiáng)度。隨著混凝土強(qiáng)度的提高，對(duì)應(yīng)的箍筋屈服時(shí)間逐漸延后，混凝土強(qiáng)度為C40的框架梁L2在46 min時(shí)開始發(fā)生剪切破壞，與混凝土強(qiáng)度為C35的框架梁L1相比，其耐火極限提高17.95%；混凝土強(qiáng)度為C45框架梁L3在53 min開始發(fā)生破壞，與混凝土強(qiáng)度為C40的框架梁L2相比，其耐火極限提高15.21%。

圖5不同混凝土強(qiáng)度框架梁撓度—時(shí)間關(guān)系曲線

Fig.5Vertical deflection-time curves of the frame beam with various concrete strength

圖6不同混凝土強(qiáng)度框架梁箍筋應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系曲線

Fig.6Stirrup stress-time curves of the frame beam with various concrete strength

3.2剪跨比對(duì)高溫下RC框架梁抗剪性能的影響

鋼筋混凝土梁的剪跨比是影響梁受剪破壞的重要因素，決定著梁斜截面發(fā)生的破壞形式。當(dāng)剪跨比λ<1，產(chǎn)生斜壓破壞；λ>3，產(chǎn)生斜拉破壞;1≤λ≤3，產(chǎn)生剪壓破壞?；炷翉?qiáng)度等級(jí)為C40、混凝土保護(hù)層厚度為30 mm、剪跨比λ分別為1.5、2.3及3.0的框架梁在火災(zāi)下其集中荷載作用處的撓度—時(shí)間曲線見圖7，火災(zāi)下梁內(nèi)箍筋應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系曲線見圖8。由圖7可知，火災(zāi)發(fā)生后的前40 min內(nèi)，梁在集中荷載作用處的撓度近似呈線性增長(zhǎng)，40 min后，剪跨比為3.0的框架梁L6撓度曲線發(fā)生突變。由圖8可知，此時(shí)箍筋應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度，框架梁開始發(fā)生剪切破壞。剪跨比為2.3的框架梁L5在60 min時(shí)發(fā)生剪切破壞，與梁L6相比，其耐火極限提高50%；剪跨比為1.5的框架梁L4在87 min時(shí)發(fā)生剪切破壞，其耐火極限比梁L5提高45%。由上可知，隨著剪跨比的減小，框架梁火災(zāi)下的抗剪性能顯著提高。

圖7不同剪跨比框架梁撓度—時(shí)間關(guān)系曲線

Fig.7Vertical deflection-time curves of the frame beam with various shear span to depth ratios

圖8不同剪跨比框架梁箍筋應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系曲線

Fig.8Stirrup stress-time curves of the frame beam with various shear span to depth ratios

3.3混凝土保護(hù)層厚度對(duì)高溫下RC框架梁抗剪性能的影響

圖9是剪跨比采用2.3、混凝土強(qiáng)度采用C40、具有不同混凝土保護(hù)層厚度的框架梁在火災(zāi)下其集中荷載作用處的撓度—時(shí)間曲線。圖10為火災(zāi)下梁內(nèi)箍筋應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系曲線。由圖9可知，受火初始，隨著受火時(shí)間的增加，梁在集中荷載作用處的撓度近似呈線性增長(zhǎng)， 38 min后，混凝土保護(hù)層厚度為20 mm的梁L7的撓度突然迅速增加。由圖10可見，此時(shí)對(duì)應(yīng)的箍筋應(yīng)力不再增長(zhǎng)，發(fā)生屈服。隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，對(duì)應(yīng)的箍筋屈服時(shí)間逐漸延后，混凝土保護(hù)層厚度為30mm的框架梁L8在46 min時(shí)開始發(fā)生剪切破壞，與梁L7相比，其耐火極限提高21.05%；混凝土保護(hù)層厚度為40 mm的框架梁L9在65 min開始發(fā)生破壞，與梁L8相比，其耐火極限提高41.30%。由此可以得出，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，框架梁在火災(zāi)下的抗剪耐火極限顯著提高。

圖9不同混凝土保護(hù)層厚度框架梁撓度—時(shí)間關(guān)系曲線

Fig.9Vertical deflection-time curves of the frame beam with various thickness of concrete cover

圖10不同混凝土保護(hù)層厚度框架梁箍筋應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系曲線

Fig.10Stirrup stress-time curves of the frame beam with various thickness of concrete cover

4　結(jié)　論

本研究建立了一榀框架中RC梁的非線性有限元模型，利用模型研究了高溫下不同混凝土強(qiáng)度、剪跨比及混凝土保護(hù)層厚度對(duì)RC梁抗剪性能的影響，得到以下結(jié)論：

①火災(zāi)下，三面受火的RC框架梁沿截面存在非線性溫度場(chǎng)及較大的溫度梯度，梁受火面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非受火面。

②減小剪跨比能顯著提高火災(zāi)下RC框架梁的抗剪性能，剪跨比為1.5的框架梁耐火極限比剪跨比為2.3的框架梁提高了45%，相同條件下，剪跨比為2.3的框架梁耐火極限比剪跨比為3.0的框架梁提高了50%。在一定范圍內(nèi)，適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度可以提高RC框架梁火災(zāi)下的抗剪能力，但提高效果不夠明顯。

③混凝土保護(hù)層厚度增加后，火災(zāi)作用下混凝土對(duì)箍筋的保護(hù)作用增強(qiáng)，RC框架梁的抗剪能力顯著提高，混凝土保護(hù)層厚度每增加10 mm，框架梁的耐火極限約提高20%。

④進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小框架梁的剪跨比，與常溫相比，混凝土保護(hù)層厚度應(yīng)進(jìn)一步增加，以提高高溫下RC框架梁的抗剪性能，避免梁在火災(zāi)中發(fā)生脆性剪切破壞，以利于消防安全。

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(責(zé)任編輯唐漢民裴潤(rùn)梅)

Research on shear behavior of reinforced concrete frame beams at high temperature

YANG Zhi-nian1,2, CHEN Ming-yuan1,2, WANG Xing-guo1,2, WANG Shao-jie1,2

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China; 2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province, Tangshan 063009, China)

In order to study the shear behavior of RC frame beams at high temperature, a nonlinear finite element model is developed. The shear behavior of the beams at high temperature is simulated by heating the model under constant load. The parameters, including concrete strength, shear span to depth ratios and thickness of concrete cover of the fire-damaged RC beams are analyzed. The results show that with the decrease of shear span to depth ratios or the increase of thickness of concrete cover, the shear capacity of fire-damaged RC beam is obviously improved. Under the same conditions, the duration of fire resistance of the beam with a shear span to depth ratio of 1.5 is improved by forty-five percent than that of the beam with a shear span to depth ratio of 2.3, and the duration of fire resistance of the beam with a shear span to depth ratio of 2.3 is improved by fifty percent than that of the beam with a shear span to depth ratio of 3.0. With the increase of every 10 mm in the thickness of concrete cover, the duration of fire resistance of the frame beam is approximately improved by twenty percent. With the increase of concrete strength, the shear capacity of the fire-damaged RC beam is also improved, but the improvement is not obvious. In engineering design, the increase of concrete strength, decrease of shear span to depth ratio and increase of thickness of concrete cover are effective measures to improve the shear behavior of RC beam.

frame beam； high temperature； shear behavior； nonlinear finite element

2016-05-15；

2016-06-18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478161)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2014209099)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(QN2016051)

楊志年(1983—)，男，河北唐山人，華北理工大學(xué)講師，工學(xué)博士；E-mail:yangzhinian1983@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1054

TU375.1

A

1001-7445(2016)04-1054-07

引文格式：楊志年，陳明遠(yuǎn)，王興國,等.高溫下鋼筋混凝土框架梁抗剪性能研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，41(4)：1054-1060.