角鋼加固鋼筋混凝土框架抗火性能研究

張施鵬，毛小勇

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇蘇州215011)

角鋼加固鋼筋混凝土框架抗火性能研究

張施鵬，毛小勇

(蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇蘇州215011)

應(yīng)用Abaqus有限元軟件建立了角鋼加固鋼筋混凝土框架的熱-力耦合分析模型，利用鋼筋混凝土梁、柱和框架的抗火試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)溫度場(chǎng)和力學(xué)分析模型進(jìn)行了驗(yàn)證。利用驗(yàn)證后的模型，分析了軸壓比、荷載比、承載力提高系數(shù)對(duì)角鋼加固鋼筋混凝土框架的變形特征和耐火極限的影響規(guī)律。結(jié)果表明：由于邊柱荷載比中柱小，受到的約束也弱于中柱，其軸向膨脹變形和水平側(cè)移比中柱大；加固柱的軸壓比對(duì)框架的破壞形式有重要影響，當(dāng)加固柱的軸壓比較小時(shí)，受火梁先發(fā)生破壞，導(dǎo)致局部破壞；隨著軸壓比的增大，底層框架柱先于受火梁發(fā)生破壞，導(dǎo)致整體破壞；軸壓比影響框架加固柱的剛度和結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布；軸壓比和火災(zāi)荷載比的增大導(dǎo)致框架耐火極限下降，荷載比對(duì)框架耐火極限的影響更為明顯；在荷載比相同的情況下，承載力提高系數(shù)對(duì)框架柱耐火極限的影響很小。

角鋼加固；鋼筋混凝土框架；抗火性能；溫度場(chǎng)

0 引言

近年來(lái)，由于功能改變、結(jié)構(gòu)老化等原因，已有建筑的加固改造日益增多，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的加固技術(shù)得到了迅速發(fā)展。角鋼加固技術(shù)[1]是在構(gòu)件周圍包以角鋼對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固的一種最為常見的加固方法，其優(yōu)點(diǎn)是在不顯著增大構(gòu)件截面面積的前提下，可大幅度提高構(gòu)件的承載能力，并且現(xiàn)場(chǎng)工作量少，施工快捷[2]。作為規(guī)范[3]推薦的加固方法之一，角鋼加固技術(shù)在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。

目前，對(duì)角鋼加固結(jié)構(gòu)的研究主要集中在加固后結(jié)構(gòu)的承載能力方面，很少考慮加固后結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)。由于加固后結(jié)構(gòu)承受了比加固前更大的荷載，同時(shí)角鋼與混凝土粘結(jié)界面在火災(zāi)高溫下極易失效，并且高溫下砂漿保護(hù)層極易剝落，導(dǎo)致加固角鋼直接暴露在高溫?zé)崃黧w中，因此角鋼加固結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的危險(xiǎn)性要高于普通的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[4]。角鋼加固結(jié)構(gòu)的抗火性能成為一個(gè)亟須解決的問(wèn)題。

針對(duì)目前的實(shí)際狀況，本文建立了角鋼加固鋼筋混凝土框架的受火分析模型，分析了一些主要參數(shù)對(duì)其抗火性能的影響，研究成果可為角鋼加固鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)和耐火保護(hù)提供參考。

1 角鋼加固鋼筋混凝土框架抗火分析有限元模型

1.1 框架結(jié)構(gòu)的選取

1.2 有限元模型簡(jiǎn)介

利用有限元軟件Abaqus建立角鋼加固鋼筋混凝土框架計(jì)算模型。采用ISO 834[5]標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，框架底層受火，底層邊柱三面受火，中柱四面受火，底層梁下部受火。受火面對(duì)流換熱系數(shù)為25 W/(m2·K)，綜合輻射系數(shù)取0.5；非受火面的熱對(duì)流換熱系數(shù)取9 W/(m2·K)，綜合輻射系數(shù)取0，Stefan-Boltzmann常數(shù)5.67×10-8W/(m2·K)。

溫度場(chǎng)分析時(shí)，水泥砂漿和混凝土采用DC3D8單元模擬，鋼筋采用DC1D2單元模擬，角鋼和綴板采用DS4單元模擬，混凝土與混凝土之間、鋼筋與混凝土之間、角鋼與混凝土之間、混凝土與水泥砂漿之間、綴板與角鋼之間均采用綁定(Tie)約束，不考慮接觸面之間的熱阻及滑移。

力學(xué)分析時(shí)，水泥砂漿和混凝土采用C3D8R單元模擬，鋼筋采用T3D2單元模擬，角鋼和綴板采用S4R單元模擬。不考慮水泥砂漿保護(hù)層的力學(xué)作用，混凝土梁柱之間采用綁定(Tie)約束，角鋼和混凝土柱之間考慮滑移作用，型鋼與混凝土接觸面在法向定義硬接觸，切向定義為經(jīng)典庫(kù)倫摩擦，摩擦系數(shù)取0.3，并且允許接觸后分離，梁和柱的鋼筋籠都采用嵌入約束的方式嵌入到梁柱之中，假定鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土節(jié)點(diǎn)之間完全耦合。

鋼材熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱容選用EC3[6]及EC4[7]給出的計(jì)算公式，密度為7 850 kg/m3，泊松比取0.3。混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱選用文獻(xiàn)[8]給出的計(jì)算公式，密度為2 000 kg/m3，泊松比取0.2。砂漿選取的熱學(xué)參數(shù)與混凝土一致。鋼材和混凝土的高溫本構(gòu)模型和熱膨脹系數(shù)均選取文獻(xiàn)[8]給出的公式計(jì)算。

角鋼加固鋼筋混凝土框架的有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

(a)角鋼加固鋼筋混凝土框架網(wǎng)格劃分圖

(b)梁柱節(jié)點(diǎn)局部放大圖

(c)外層水泥砂漿保護(hù)層

(d)加固角鋼和綴板

1.3 模型驗(yàn)證

由于目前還沒有角鋼加固鋼筋混凝土框架的抗火試驗(yàn)，本文分別對(duì)鋼筋混凝土軸壓柱、鋼筋混凝土梁和鋼筋混凝土框架的抗火試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證，間接驗(yàn)證本文材料選取、建模方法、邊界條件的可靠性。

1.3.1 鋼筋混凝土軸壓柱

吳波等[9]開展了5根高強(qiáng)混凝土柱、2根普通混凝土柱的耐火試驗(yàn)，本文選取其中的1根普通鋼筋混凝土柱NC1進(jìn)行驗(yàn)證。試件NC1長(zhǎng)3 810 mm，豎向荷載為1 181 kN，截面尺寸為300 mm×300 mm，混凝土采用的是硅質(zhì)骨料，28 d實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度為32.2 MPa，混凝土保護(hù)層厚度30 mm，縱向鋼筋為4根直徑25 mm的HRB400鋼筋，箍筋Φ8@100(200)，縱筋和箍筋的屈服強(qiáng)度分別為349.7 MPa和370.0 MPa，極限抗拉強(qiáng)度分別為536.5 MPa和465.5 MPa。柱四面受火，受火部分長(zhǎng)度為3.0 m。爐內(nèi)按照ISO 834[5]標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫。

圖2和圖3分別給出了溫度場(chǎng)和軸向位移模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況，可以看出模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

圖2 時(shí)間-溫度場(chǎng)變化曲線

圖3 軸向位移變化曲線

1.3.2 鋼筋混凝土梁

算例來(lái)自陸洲導(dǎo)等[10]進(jìn)行的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁抗火性能研究，試件編號(hào)2JC1，混凝土梁三面受火，在混凝土梁試件跨中施加30 kN集中荷載，混凝土保護(hù)層厚度為20 mm，梁截面尺寸為200 mm×300 mm，底部縱向受力鋼筋的直徑為12 mm的熱軋鋼筋，梁上部受壓縱向鋼筋采用2根6 mm的圓鋼。

圖4是模擬計(jì)算的梁跨中撓度隨受火時(shí)間變化的曲線與試驗(yàn)實(shí)測(cè)曲線的對(duì)比情況，可以看出兩者在40 min以前吻合良好，在后期雖有一定差異但總體趨勢(shì)符合良好。

圖4 試件2JC1跨中撓度-受火時(shí)間關(guān)系

1.3.3 鋼筋混凝土框架

時(shí)旭東等[11]進(jìn)行了鋼筋混凝土框架的抗火性能試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)制作了5組鋼筋混凝土框架模型，5組模型的鋼筋混凝土梁和柱的配筋率都保持一致，試件的尺寸則各不相同。本文選取試件TFC-2進(jìn)行模擬對(duì)比。試件梁、柱的縱向受力鋼筋都采用了Ⅰ級(jí)鋼，縱筋直徑10 mm，測(cè)得鋼筋的屈服強(qiáng)度為270 MPa，梁和柱的箍筋都采用直徑8 mm的圓鋼，實(shí)測(cè)箍筋的屈服強(qiáng)度為289 MPa，梁和柱的箍筋間距80 mm，試件TFC-2混凝土梁的跨度為1 700 mm，梁截面為100 mm×150 mm，柱高度為1 425 mm，柱截面為100 mm×200 mm，梁柱線剛度比為0.354。

圖5為TFC-2跨中撓度隨受火溫度變化的試驗(yàn)值和模擬值的對(duì)比，從圖中可見，在700 ℃之前模擬值和試驗(yàn)值基本一致，700 ℃之后有一定差異，但最終變形趨于吻合。

圖5 TFC-2跨中撓度-溫度曲線

2 角鋼加固鋼筋混凝土框架抗火性能分析

2.1 耐火極限判定標(biāo)準(zhǔn)

ISO 834[5]給出了構(gòu)件耐火極限的定義，但是目前對(duì)于整體框架結(jié)構(gòu)的耐火極限還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形來(lái)確定結(jié)構(gòu)的耐火極限，主要考慮框架梁的跨中撓度和框架柱的柱頂位移，具體準(zhǔn)則如下：

1)對(duì)于梁，當(dāng)梁最大撓度達(dá)到L2/(400h)(mm)，并且撓度超過(guò)跨度的1/30后變形速率超過(guò)L2/(9 000h)(mm/min)，那么就判定梁達(dá)到耐火極限；

2)對(duì)于柱，當(dāng)柱軸向壓縮量達(dá)到受火前長(zhǎng)度的1%，并且軸向壓縮的變形速率超過(guò)0.003H(mm/min)時(shí)，柱達(dá)到耐火極限，其中H是指柱子受火前的高度，單位為mm。

2.2 框架耐火性能分析

2.2.1 軸壓比影響分析

軸壓比n=Nc/(fckA),其中Nc是計(jì)算截面軸向荷載，fck是混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，A是混凝土柱截面面積。從圖6中可以看到，軸壓比n=0.4，n=0.6，n=0.8時(shí)，在受火前期，中柱的柱頂豎向位移表現(xiàn)為構(gòu)件的膨脹伸長(zhǎng)，但膨脹變形不大。隨著軸壓比的不斷加大，受火柱的豎向位移則表現(xiàn)為軸向的壓縮變形。軸壓比n=0.4，n=0.6，n=0.8時(shí)，柱頂?shù)呢Q向位移變化速率較小，隨著軸壓比的增大,軸向壓縮變形的速率增大。軸壓比n=1.0時(shí)，受火時(shí)間達(dá)到178 min后邊柱和中柱的豎向變形迅速增大破壞。

圖6 受火中柱柱頂軸向位移

圖7為受火邊跨跨中撓度，可見不同軸壓比加載情況下，梁的撓度在受火初期隨受火時(shí)間的變化趨勢(shì)其大小基本相同，主要是由于梁的撓度與梁所受的荷載水平有關(guān)，柱的軸壓比對(duì)梁撓度的影響不大。當(dāng)軸壓比n=1.0時(shí)，受火130 min后撓度下降變快，主要是由于此時(shí)柱子達(dá)到耐火極限所致。

圖7 受火邊跨跨中撓度

圖8是邊柱和中柱柱底彎矩變化情況，可見邊柱柱底的彎矩要遠(yuǎn)大于中柱，這是由于中柱柱頂節(jié)點(diǎn)兩側(cè)均受到框架梁的約束。在荷載水平較小(n=0.4，n=0.6，n=0.8)時(shí)邊柱柱底彎矩的變化趨勢(shì)基本一致，都是先開始增長(zhǎng)較快，然后隨著受火時(shí)間的增大緩慢減小，但是當(dāng)荷載增大到一定程度(n=1.0)時(shí)，框架柱底部彎矩就會(huì)在升溫后期出現(xiàn)反號(hào)，這是由于升溫后期梁的撓度不斷增大，對(duì)邊柱柱頂產(chǎn)生了向框架內(nèi)側(cè)的拉力。

(a)n=0.4

(b)n=0.6

(c)n=0.8

(d)n=1.0

2.2.2 荷載比影響分析

荷載比m=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。圖9為不同火災(zāi)荷載比情況下，底層角鋼加固中柱的軸向變形與受火時(shí)間的變化曲線，從圖中可以看出，隨著荷載比的增大，角鋼加固柱的耐火極限迅速下降。

圖9 底層受火加固中柱頂軸向位移

圖10為不同荷載比框架耐火極限曲線，從圖中可見，當(dāng)β=1.47，荷載比m=0.4時(shí)，耐火極限為178 min，當(dāng)荷載比m=0.7時(shí)，框架耐火極限僅為23 min，隨著荷載比的增加幾乎呈線性下降。

圖10 不同荷載比框架耐火極限變化曲線

2.2.3 承載力提高系數(shù)影響分析

圖11為不同承載力提高系數(shù)對(duì)框架柱耐火極限的影響情況，可見在荷載比相同的情況下，不同的承載力提高系數(shù)對(duì)于底層加固柱耐火極限的影響很小。主要是在相同的保護(hù)層厚度之下，由于鋼材的良好導(dǎo)熱性能，不同的加固角鋼對(duì)于熱量由保護(hù)層傳遞至混凝土柱表面的影響很小，框架柱的溫度場(chǎng)分布基本相同，因而其在相同荷載比下耐火極限也基本相同。

圖11 不同承載力提高系數(shù)β下框架耐火極限曲線

3 結(jié)論

本文利用Abaqus建立角鋼加固鋼筋混凝土框架的有限元模型，分析了軸壓比、荷載比、承載力提高系數(shù)對(duì)角鋼加固鋼筋混凝土框架抗火性能的影響，結(jié)論如下：

1)底層受火邊柱的軸向膨脹變形和水平側(cè)移比中柱大，這是由于邊柱荷載相對(duì)中柱較小，并且約束也要弱于中柱。

2)加固柱的軸壓比對(duì)框架的破壞形式有重要影響，當(dāng)軸壓比較小(n=0.4，n=0.6，n=0.8)時(shí)，受火梁先發(fā)生破壞，屬于局部破壞；隨著軸壓比的增大，當(dāng)軸壓比n=1.0時(shí)，底層框架柱先于受火梁發(fā)生破壞，屬于整體破壞。軸壓比影響框架加固柱的剛度和結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布。

3)軸壓比和火災(zāi)荷載比的增大都將導(dǎo)致框架耐火極限的下降，且荷載比的增大對(duì)框架耐火極限的影響更為明顯，從荷載比m=0.4到荷載比m=0.7，框架耐火極限呈線性下降趨勢(shì)。

4)荷載比相同時(shí)，不同承載力提高系數(shù)對(duì)框架柱耐火極限的影響很小。

[1]鄭曉燕,吳文清.粘鋼技術(shù)在抗震加固中的應(yīng)用研究[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),1998(4):15-18.

[2]陳國(guó)俊,霍慧.粘鋼技術(shù)在廣西區(qū)黨校舊房改擴(kuò)建中的具體應(yīng)用[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,29(Z1):123-125.

[3]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50367—2006[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[4]張翔.外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火分析及耐火保護(hù)方法[D].蘇州:蘇州科技學(xué)院,2014.

[5]International Organization for Standardization.Fire resistance tests-elements of building construction-Part 1:General requirements:ISO 834—1[S].Geneva:International Standard ISO 834,1999.

[6]ECCS.EN 1993-1-2 Eurocode 3:Design of steel structures[S].Brussels:Ernst & Sohn,1993.

[7]ECCS.EN 1994-1-2 Eurocode 4:Design of composite steel and concrete structures[S].Brussels:Ernst & Sohn,1994.

[8]LIE T T,LIN T D,ALLEN D E,et al.Fire resistance of reinforced concrete columns[R].Ottawa:Division of Building Research,DBR Report,No.1167,National Research Council of Canada,1984.

[9]吳波,唐貴和,王超.不同受火方式下混凝土柱耐火性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2007,40(4):27-31.

[10]陸洲導(dǎo),朱伯龍,周躍華.鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁對(duì)火災(zāi)反應(yīng)的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),1993(3):47-54.

[11]時(shí)旭東,過(guò)鎮(zhèn)海.高溫下鋼筋混凝土框架的受力性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2000,33(1):36-45.

責(zé)任編輯：唐海燕

Fire Resistance of RC Frame Strengthened with Angle Steel

ZHANG Shipeng，MAO Xiaoyong

(School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011)

By using the finite element analysis software Abaqus,a coupled thermo-mechanical analysis model was constructed to analyze the fire behavior of RC frame with angle steel reinforcement.Test data of reinforced concrete beams,columns and frames under fire condition verified the validation of the model including thermo and mechanical analysis.The validated model was then used to investigate the influence of analyzed effects of axial compression ratio,load ratio and capacity increase factor on the deformation characteristics and fire resistance limit of RC frame strengthened with angle steel.The results show that due to the lower level of load ratio of the side column and weaker constrain than the middle column,axial expansion deformation and lateral shift of the side column is larger than the middle column.The axial compression ratio of the strengthened columns has a notable influence on the failure mode of the frame.When the axial compression ratio of the column is relatively low,the beam exposure under fire is destroyed and local failure occurs.When the axial compression ratio of the column is high,the column exposure under fire is destroyed and globe failure occurs.Axial compression ratio affects the stiffness and internal force distribution of the strengthened frame columns.The increase of axial compression ratio and load ratio leads to the decrease of the fire resistance limit,and the effect of load ratio on the fire resistance limit is more obvious.In the case of same load ratio,bearing capacity increase coefficient has little influence on the fire resistance limit of the frame column.

strengthening with angle steel;RC frame;fire resistance;temperature field

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．003

2016- 04- 25

江蘇省教育廳高校自然科學(xué)研究重大項(xiàng)目(14KJA560003)；江蘇省“六大人才高峰”資助項(xiàng)目(2012-JZ-004)

張施鵬(1990— )，男，碩士研究生。

TU375.4

A

1671- 0436(2016)05- 0012- 06