火灾高温下钢筋混凝土连续梁非线性数值分析

2010-04-05马云玲白晓红

河南科技大学学报(自然科学版) 2010年1期

马云玲 ,白晓红 ,吴军 ,夏祥

(1.洛阳理工学院土木工程系,河南洛阳 471023;2.河南科技大学建筑工程学院,河南洛阳 471003;3.武汉市建筑设计院,湖北武汉 430014;4.中国科学院武汉岩土力学研究所,湖北武汉 430071)

0 前言

矩形截面连续梁是建筑工程中应用最为广泛的梁构件形式,在火灾发生时是受破坏最为严重的构件之一,因此研究火灾下矩形截面连续梁的力学性能变化具有重大现实意义。国内外学者对火灾下钢筋混凝土结构的性能变化进行了大量的研究。时旭东[1]等通过试验研究得出了连续粱和框架等超静定结构的高温性能,破坏特征和机制、塑性铰的特点、内力重分布过程以及极限承载力和耐火极限等; Colin G Baileya[2]等对后张混凝土板进行了耐火试验,测试得到了不同混凝土强度条件下混凝土板随温度变化的纵向横向位移以及钢筋的应变率。在理论研究方面,王振清[3]等在热弹塑性理论的基础上,考虑了材料性能随温度的变化,导出了钢筋混凝土受弯构件热弹塑性问题的应力-应变-温度耦合本构方程。类似的还有文献[4-7]。上述试验与理论研究均对火灾下钢筋混凝土材料的受火性能进行了阐述,但由于试验条件所限,对于连续梁的多种受火情况下的研究较少,本文将通过有限元软件对多工况火灾下矩形截面连续梁进行模拟计算,探索矩形截面连续梁的不同受火情况下的性能变化规律。

1 钢筋混凝土材料受火参数选取

1.1 基本假设

由于钢筋混凝土构件受火时情况复杂,故对分析进行了以下假设:平截面假定,即任一截面沿高度方向的轴向应变呈线性分布;无滑移假定,即钢筋与混凝土粘结良好,受力后钢筋和混凝土的变形协调;梁处于三面受火状态;忽略截面裂缝对温度分布的影响。

1.2 计算参数的选取

实际建筑物火灾的温度-时间曲线有很大的随机性,因此许多国家制定了各自的温度-时间标准曲线,例如国际化标准组织的ISO834曲线,日本的JISA曲线,美国的ASTM-E119曲线等,作为试验或指导实践之用。这些曲线都是明显的单调升温过程,在起火 30min内升温极快,此后升温速度渐慢,但没有降温阶段,曲线的函数表达式有所不同,但是函数图形都很接近。例如图1为 ISO834曲线与ASTM-E119升温曲线的对比。本次计算采用国际标准化组织建议的建筑构件抗火试验曲线ISO834,其计算式为:

式中:T0为试验炉内的初始温度,℃;T为燃烧开始后t时试验炉内的空气平均温度,℃。

根据文献[8-9]中的描述,混凝土的导热系数λc、热容Cc、热膨胀系数αc采用式(3)(5)进行计算;混凝土随温度变化的弹性模量 ECT按表1的比例系数与混凝土在常温时的弹性模量的乘积进行设置,中间值按插值法计算。

图1 ISO 834曲线与ASTM-E119升温曲线对比

钢筋在温度变化时的导热系数 λs、热容Cs、热膨胀系数 αs以及弹性模量EsT按式(6)(9)进行设置。

表1 高温下混凝土弹性模量的降低系数

2 数值模型试验

表2 材料计算参数

利用ANSYS有限元进行数值模型试验时,钢筋混凝土连续梁采用200mm×300 mm的截面形式,钢筋直径为10 mm,梁顶、梁底各布置一排钢筋,每排布置 3根钢筋,截面的两个角部和中部各 1根,保护层厚度均为 20 mm,连续梁跨度为 2 m +3m+2m。边界条件采用固定两端,并在中间设置两个限制X、Y向位移的铰支座,模型图见图2。材料参数取值见表2及式(3)(8)。

图2 模型示意图

两端固定的框架梁高温分析时,采用间接法进行,即先采用常规热单元进行热分析,然后热单元转换为相应的结构单元,并求得节点温度作为体载荷施加到模型上再进行结构应力分析。在热分析阶段采用 SOLID70单元来模拟混凝土,采用LINK33单元来模拟钢筋单元;而在转入到结构分析阶段,单元相应的转换到SOLID45和LINK8单元。

在进行间接法分析时,结构导算所考虑的梁上传来的恒荷载分为 3部分。

第1部分为梁本身的自重: 1.5 kN/m。

第 2部分为梁上填充墙传来的荷载,填充墙设计为普通砖,且含双面抹灰,层高考虑为 3m,因此这部分传到梁上的荷载为: 12 kN/m。

第3部分为梁两边板传过来的荷载,梁两边板均考虑为 2 m×2 m,板厚均100 mm,板上含有吊顶和地面装修,因此此部分传到梁上的荷载为: 7.2 kN/m。

活荷载仅考虑梁两边的板上传来的载荷。板上传来的活荷载为: 4 kN/m。

按照《建筑结构荷载规范》[10]进行荷载组合,在梁上采用 32.985 kN/m的载荷进行加载,考虑到在三维实体面上进行加载,故将线荷载转换为面荷载为:165 kN/m2

分析过程中,将主要讨论 5种火灾工况下连续梁结构的应力分布情况和变形特点。5种火灾工况为:(1)单独作用结构荷载;(2)火灾高温单独作用在边跨;(3)火灾高温单独作用在中跨;(4)火灾高温同时作用在一个边跨和中跨;(5)火灾高温同时作用在三跨。

图3 工况1框架连续梁Y向位移示意图

经过计算可以得到如图3所示框架连续梁在工况 1下,即单独作用结构荷载时的位移变形情况,括号中为变形放大系数。可以看出结构的位移与钢筋的位移变形趋势是一致的,两个边跨竖向位移很小,而中跨位移较明显,结构整体位移和钢筋位移最大值均出现在中跨中点处,最大位移值分别为-1.105 mm和-1.103mm。

分别计算其他工况可知,第 2种工况下结构的正负 Y向位移最大值分别出现在中跨靠近支座 3的部位和右边跨靠近支座3的梁截面底部,其值分别为 16.09 mm和-15.89 mm;钢筋最大值出现的位置与整体结构的一致,其值分别为16.05 mm和-11.08mm。第3种工况下结构和钢筋的正负 Y向位移最大值分别出现在两边跨跨中靠近中间支座的部位和中跨跨中梁截面底部;结构位移最大值分别为12.76 mm和-40.44mm,钢筋位移最大值分别为12.73mm和-35.61mm。第4种工况下结构Y向正位移最大值出现在左边跨靠近支座 4的部位和右边跨靠近支座 3的梁截面顶部,而 Y向负位移最大值则出现在中跨靠近支座4的部位;结构位移最大值分别为11.49 mm和-23.02 mm,钢筋位移最大值分别为10.56mm和-18.1 7mm。第5种工况下结构Y向正位移最大值出现在中跨梁截面顶部,而Y向负位移最大值则出现在两边跨梁截面底部靠近边支座的部位;结构位移最大值分别为11.15mm和-8.52mm,钢筋位移最大值分别为8.12mm和-2.28mm。这4种工况下的结构位移和钢筋位移与工况1相比,相应位置的位移要大的多,Y向最大位移值也相应大得多,这也说明了当结构承受不大的结构导算荷载时,温度荷载对结构和钢筋变形的影响较大。而相比中部钢筋而言,同工况下,温度对角部钢筋影响更大。

表3 不同工况下连续梁3种主应力最大值比较和分布情况对照

由这 5种工况荷载作用下的位移变形比较得到,结构和钢筋在第 3种工况下 Y向位移将出现最大值,这是由于结构荷载和中跨温度荷载同时作用时,中跨处于荷载最不利位置,两种位移叠加所造成。在工况2下,右边跨的温度荷载能使单独作用结构荷载时的 Y向负位移发展成 Y向正位移;在工况4下,温度荷载使得跨中出现负位移,但位移幅值相对工况 3时小得多;工况 5下,3跨同时作用温度荷载,使得Y向负位移幅值变小。从上述分析可知温度荷载与结构荷载一样,在连续梁结构中存在着荷载最不利位置,工况 3即为温度荷载的最不利荷载布置情况。

从表3可以看出:最大压应力出现在工况 3中跨梁截面底部,与位移情况保持一致,但最大拉应力与位移变化趋势并不一致,而是出现在工况 5两边跨支座底部,这是因为梁受火段越长,其热膨胀越剧烈,连续梁越容易在支座处形成拉应力集中,相对而言,仅考虑结构荷载作用的工况一的最大拉压应力值则显得较小。