增大截面法加固RC柱耐火性能有限元分析

溫 凱，劉 猛，許兆友，張之驍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

增大截面法加固是加固行業(yè)應(yīng)用最早的加固方法，通過增加構(gòu)件的截面面積和配筋來提高構(gòu)件的承載能力和整體剛度。隨著加固構(gòu)件越來越多，有必要對其耐火性能進行研究。

目前已有部分學(xué)者對鋼筋混凝土加固柱的耐火性能進行了研究，其中趙英杰[1]通過試驗和有限元的方法對鋼管-碳纖維復(fù)合加固鋼筋混凝土柱的抗火性能進行研究，驗證了該加固方法的可靠性，并提出了該復(fù)合加固鋼筋混凝土柱在火災(zāi)作用下的極限承載力計算公式；張翔等[2]采用ABAQUS軟件建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱有限元分析模型，討論了軸壓比、偏心率、荷載比以及承載力提高系數(shù)對加固柱抗火性能的影響，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，增加承載力提高系數(shù)對軸心受壓柱耐火極限影響很小，對偏心受壓柱的耐火極限影響較大，但影響幅度有限；曲正[3]在考慮二次受力的基礎(chǔ)上采用ABAQUS 軟件建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱有限元模型，討論了不同荷載比、偏心率、配筋率和角鋼尺寸對二次受力下外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響并提出有關(guān)抗火設(shè)計建議。在火災(zāi)作用下，鋼材表面的砂漿保護層極易脫落，且鋼材的耐高溫性能較差，當溫度達到400 ℃以后，鋼材的強度和彈性模量急劇下降，因此鋼加固鋼筋混凝土柱在火災(zāi)下的危險性較高。

增大截面法加固方法不僅耐久性高，還能夠改變加固結(jié)構(gòu)的自振頻率，而且目前關(guān)于增大截面法加固鋼筋混凝土柱耐火性能的研究較少，為此，本文采用ABAQUS 有限元軟件建立增大截面法加固鋼筋混凝土柱溫度場和耐火極限分析有限元模型，對不同參數(shù)影響下加固柱的耐火極限進行分析。

1 有限元模型的建立與驗證

1.1 模型建立

在ABAQUS 中建立增大截面法加固鋼筋混凝土柱有限元模型時，鋼筋及混凝土的熱工參數(shù)均按照Lie 等[4]提出的公式計算，力學(xué)性能參數(shù)中混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、抗壓強度以及鋼筋的屈服強度均按照清華大學(xué)過鎮(zhèn)海等[5]提出的公式計算，鋼筋的彈性模量按照歐洲規(guī)范EC3[6]提出的公式計算，混凝土的彈性模量按照文獻[7]提出的公式計算。在進行溫度場分析時，鋼筋的單元類型為DC1D2，混凝土的單元類型為DC3D8，在進行耐火極限分析時，鋼筋的單元類型為T3D2，混凝土的單元類型為C3D8R。耐火極限模型的網(wǎng)格劃分需與溫度場模型保持一致，以便能夠正確讀入節(jié)點溫度數(shù)據(jù)。

增大截面法加固鋼筋混凝土柱有限元模型如圖1 所示。

圖1 有限元模型圖

1.2 模型驗證

利用ABAQUS 軟件對文獻[8]中標號為NC1 的鋼筋混凝土柱進行耐火性能模擬，以此來驗證上述模型的正確性。試件NC1 長2 400 mm，截面尺寸為200 mm×300 mm，豎向荷載為784 kN，混凝土采用C30 商品混凝土，養(yǎng)護28 d 實測混凝土立方體抗壓強度為34.3 MPa，混凝土保護層厚度為30 mm，柱內(nèi)縱筋和箍筋均采用HRB400 鋼筋，屈服強度、抗拉強度分別為430、587 MPa，彈性模量為2.0×105MPa。柱四面受火，火災(zāi)升溫曲線采用ISO-834 標準升溫曲線。柱中熱電偶布置在柱高1/2 和1/4 處，布置情況見圖2。

圖2 柱內(nèi)熱電偶布置

圖3 為鋼筋混凝土柱內(nèi)部距表面50 mm處混凝土溫度試驗?zāi)M對比情況，圖4 為柱頂軸向位移隨受火時間變化的試驗?zāi)M對比情況。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，二者差距較小，所以本文有限元參數(shù)選取和模型建立是正確的。

圖3 溫度場對比

圖4 柱頂軸向位移對比

2 加固柱參數(shù)設(shè)計

2.1 基本參數(shù)

加固前鋼筋混凝土柱長L為3 000 mm，截面尺寸為400 mm×400 mm，混凝土抗壓強度為32.8 MPa，縱筋為4φ25 鋼筋，中部箍筋為φ8@200，端部箍筋為φ8@100，縱筋的屈服強度為349.7 MPa，抗拉強度為536.5 MPa；箍筋的屈服強度為370.0 MPa，抗拉強度為464.5 MPa。加固層所用混凝土抗壓強度為30 MPa，加固混凝土厚度為30 mm。

2.2 耐火極限判定標準

根據(jù)GB/T 9978—1999《建筑構(gòu)件耐火試驗方法》中的規(guī)定，當柱構(gòu)件軸向變形大于h/100(mm)或軸向變形速率大于3h/1 000(mm/min)時，柱構(gòu)件失去穩(wěn)定性達到其耐火極限。h為柱構(gòu)件耐火試驗時的初始受火高度，mm。

3 增大截面法加固鋼筋混凝土柱 耐火性能分析

3.1 軸壓比對耐火極限的影響

圖5 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同軸壓比下的變化規(guī)律。由圖5 可以看出，軸壓比對加固柱耐火極限的影響較為顯著，軸壓比越大，耐火極限越短，這是因為軸壓比變大，柱頂豎向荷載變大，柱受火后高溫膨脹變形越不明顯，隨著溫度升高，鋼筋和混凝土材料性能下降越快，柱豎向變形就越大，達到耐火極限的時間就更早。因此減小軸壓比，有利于提高柱的耐火極限。

圖5 軸壓比對耐火性能的影響

3.2 配筋率對耐火極限的影響

圖6 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同配筋率下的變化規(guī)律。由圖6 可以看出，加固柱的耐火極限隨著柱截面配筋率的提高逐漸增加，但增加幅度有限，這是因為提高柱的截面配筋率，只能較小幅度等地提高柱截面極限承載力，且在受火初期，不同配筋率的加固柱的軸向位移基本相同。所以配筋率對加固柱耐火極限的影響較小。

圖6 配筋率對耐火極限的影響

3.3 加固層厚度對耐火極限的影響

圖7 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同加固層厚度下的變化規(guī)律。由圖7 可以看出，加固層厚度對加固柱耐火極限的影響較大，加固層越厚，柱的耐火時間越長，這是因為隨著加固層厚度的增加，柱內(nèi)部混凝土在高溫情況下升溫速度變緩，材料性能下降變慢，而且增加加固層厚度，柱截面尺寸變大，荷載比變小，柱所能承受的極限荷載變大，柱破壞的時間就越晚。因此增加加固層厚度，有利于提高柱的耐火極限。

圖7 加固層厚度對耐火極限的影響

3.4 荷載比對耐火極限的影響

圖8 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同荷載比下的變化規(guī)律。由圖8 可以看出，加固柱耐火極限受荷載比的影響較大，柱的耐火極限隨著荷載比增加而縮短，這是因為在柱截面尺寸不變的情況下，荷載比變大，柱頂承受的豎向荷載變大，柱的壓縮變形變大，柱達到極限荷載的時間就越早。因此減小荷載比，有利于提高柱的耐火極限。

圖8 荷載比對耐火極限的影響

4 結(jié)論

利用有限元軟件ABAQUS 對增大截面法加固鋼筋混凝土柱進行建模，通過分析軸壓比、配筋率、加固層厚度和荷載比等參數(shù)對加固柱耐火極限的影響，得出如下結(jié)論。

(1)軸壓比對加固柱的耐火極限影響較為顯著，隨著軸壓比的增加，加固柱的耐火極限急劇減小，當軸壓比為0.4 和0.7 時，加固柱的耐火極限相差近120 min。

(2)加固層厚度對加固柱的耐火極限影響不大，不同加固層厚度對加固柱耐火極限的影響程度差別較大，當加固層厚度為30 mm 和45 mm 時，耐火極限相差約60 min。

(3)加固柱耐火極限受荷載比的影響較大，隨著荷載比增加，加固柱耐火極限逐漸下降且下降曲線接近線性，當荷載比為0.5 和0.8 時，加固柱耐火極限相差約90 min。

(4)截面配筋率對加固柱耐火極限的影響較小，當配筋率分別為1%和4%時，加固柱耐火極限僅相差約50 min。