外包钢加固钢筋混凝土梁的抗火性能研究

徐良进，毛小勇，张翔

(江苏省结构工程重点实验室(苏州科技学院)，江苏 苏州 215011)

0 引言

由于设计不合理、施工质量未达到设计要求、使用功能变更、混凝土结构本身耐久性等问题，使结构不能满足正常使用要求，此时需要对其进行补强加固。外包钢加固钢筋混凝土梁是在混凝土梁四周包以型钢的加固方法，具有强度高、对截面尺寸和外观影响小、施工简单、对环境影响小等优点，已广泛用于混凝土结构的加固补强。角钢外包于混凝土表面，使梁的承载力大幅度提高。而在高温下，角钢性能劣化、降低甚至失去原本加固强化的效果，构件受力恶化，回到加固前危险的状态，但却承受了加固后的荷载。因此，外包钢加固钢筋混凝土梁的抗火性能成为一个亟待解决的问题。

本文应用ABAQUS有限元分析软件，对外包钢混凝土梁的温度场、力学分析、抗火全过程曲线和抗力折减系数进行了分析，为外包钢加固钢筋混凝土梁的抗火设计提供参考。

1 高温下外包钢钢筋混凝土梁有限元模型

图1为外包钢加固钢筋混凝土梁的有限元模型。梁3面受火，同时升温过程中梁受到的约束保持不变。利用ABAQUS软件中顺序热－力耦合的方式进行分析，首先计算构件的温度场，然后引入温度场的计算结果进行力学分析。

图1 外包钢加固混凝土梁有限元模型

进行温度场分析时，混凝土、角钢、砂浆、缀板采用8节点实体单元(DC3D8)，钢筋采用2节点桁架单元(DC1D2)，混凝土与钢筋骨架、混凝土与角钢、混凝土与砂浆、角钢与缀板都为绑定约束(TIE)。梁受火面对流换热系数［1］取 25 W/(m2·K)，综合辐射系数取0.5;不受火面对流换热系数取9 W/(m2·K)，综合辐射系数取0。钢材和混凝土的热工参数随温度的变化规律采用EC3 和 EC4 给出的相关公式确定。［2－8］

力学分析时，混凝土、角钢、缀板和砂浆采用8节点减缩积分实体单元(C3D8R)，钢筋采用2节点桁架单元(T3D2)，钢筋骨架采用嵌入约束(EMBEDED REGION)，嵌入到整个模型中，其余约束同温度场分析。

2 外包钢加固钢筋混凝土梁温度场的计算

加固梁3面受火，其传热过程为:火焰热流体通过辐射和对流将热量传递到砂浆表面，再通过热传导进一步将热量传递给内部的混凝土、角钢和缀板。

在确定了钢材和混凝土梁的热工性能参数和边界条件的基础上，本文采用ABAQUS有限元分析软件对外包钢加固钢筋混凝土梁的温度场进行了分析。计算时截面形状、温度场点的选取及截面参数如图2所示。图2中各参数:梁宽b1取75mm;板宽b2取 250 mm;板高h1取120 mm;梁高h2取350 mm;角钢厚度δ取8 mm;①为砂浆保护层，取25 mm。

图2 截面形状及截面参数

图2所示截面各点在标准升温下的T-t关系曲线见图3。从图3(a)、图3(b)、图3(c)可见，截面的温度场在3个方向均由外向内递减;受火面与背火面温度相差很大，而截面内部及不受火区域温度相差不大，尤其是在梁高腹中区域内可以看出，点13至点16温差很小。

图3 外包钢混凝土梁截面的温度场分布

3 抗火全过程曲线

图2所示截面的加固梁在不同时刻的荷载－位移(P-d)全过程曲线如图4所示，其中P为梁四分点处的集中力大小，d为集中力P所对应点位移。加固梁升温不同时刻分别为0 min，30 min，60 min，90 min，120 min。由图 4 可见，构件在高温下，初始时刻存在一定的反拱，初始时间为30 min时，反拱最小，120 min时最大。该情况是由于温度场产生的向上的温度应力，且负位移先变大后变小。导致这种结果的原因是:温度场由初始的很不均匀趋向于均匀，故温度应力可能减小;钢材和混凝土膨胀系数随时间而变化也导致了温度应力的变化。同时，随着初始升温时间的增加，构件极限承载力明显下降。

图4 构件不同初始时刻荷载－位移全过程曲线

3.1 抗火全过程曲线影响参数分析

梁宽b1、板宽b2、板厚h1、梁高h2和角钢厚度δ对外包钢加固梁全过程曲线的影响见图5。图5中每种梁截面所考虑不同初始时刻分别为0 min，30 min，60 min，90 min，120 min，150 min［9］;表 1 中参数代号意义为:A、B 代表b1，分别为75 mm和100 mm;C、D代表b2，分别为225 mm和250 mm;E、F代表h1，分别为100 mm 和120 mm;G、H代表h2，分别为 300 mm 和 350 mm;I、J代表δ，分别为5 mm 和8 mm。(注:角钢厚度5 mm，8 mm分别代表角钢规格为50 mm×50 mm ×5 mm、75 mm ×75 mm ×8 mm)。由图5可以看出:

1)初始升温时刻为0即常温下的构件极限承载力最大，由于初始时刻无温度应力的影响，因此无负向位移。初始升温时刻为150 min，构件极限承载力最小，其主要原因是在高温下，构件内部混凝土和钢材强度刚度弱化;由于升温时间较长，在温度应力下，构件反向位移最大。

2)在0～90 min内，构件的负向位移相对较小，而在90～150 min明显可以看出负向位移较大。主要原因是随着升温时间的增加(本文选用的是ISO标准升温曲线)，温度也相应升高，温度应力也是更加强烈，在构件3面受火作用下，T形梁下部的温度应力类似于膨胀力对构件的向上推力。

表1 梁截面参数

3)图5(a)～(e)相比较发现:随着梁宽、梁高、角钢厚度的增加，构件不同初始时刻极限承载都有明显增加，表明梁宽、梁高、角钢厚度对构件的极限承载力有明显影响。

图5 构件抗火全过程曲线影响参数

4 抗力折减系数分析

4.1 抗力折减系数的计算

抗力折减系数［7］定义如下:

其中:Pu(t)为初始升温t时刻构件的极限承载力;Pu(0)为初始时构件的极限承载力。

4.2 抗力折减系数影响因素分析

为进一步了解外包钢加固混凝土梁抗力折减系数的特点，本文分析了不同参数对外包钢混凝土梁抗力折减系数的影响。

1)由图6(a)～(e)可以看出:随着初始升温时间的增加，抗力折减系数不断下降，表明初始升温时间增加时，由于在高温下，构件材料属性、强度、刚度不断弱化，极限承载力不断下降;

2)由图6(a)、(d)、(e)可以看出:构件截面其他参数相同时，随着梁宽、梁高、角钢厚度的增大，抗力折减系数增大，表明随着梁宽、梁高、角钢厚度的增加，构件的受弯性能增强，对抗力折减系数有较明显的影响;

3)由图6(b)、(c)可以看出:构件截面其他参数相同时，随着板宽、板厚的增大，抗力折减系数几乎一致;

4)图6(a)～(e)可以看出:抗力折减系数初期缓慢下降，然后速度加快，最后再趋向于平缓。

图6 抗力折减系数影响参数分析

5 结论

通过研究可得到如下结论:

1)截面沿板厚度方向、梁宽方向、梁高方向温度场均由外向内递减;

2)试件恒温加载得到不同时段抗火全过程曲线，在火灾高温下，试件呈现出一定的反拱，随着初始升温时间增大，反拱程度加剧;

3)影响全过程曲线的主要参数是梁高、梁宽和角钢厚度。随着梁高和角钢厚度的增加，极限承载力明显增大;梁宽增大时，极限承载力有一定的增加;其他参数影响较小;

4)影响抗力折减系数的主要参数是梁宽、梁高和角钢厚度;其他参数影响较小;

5)抗力折减系数初期缓慢下降，然后速度加快，最后再趋向于平缓。

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