火灾对钢筋混凝土结构强度退化的有限元分析研究

2015-10-21朱艳谢超

科技与企业 2015年15期

朱艳　谢超

【摘要】考虑到火灾下钢筋混凝土结构内部温度的变化对结构性能的影响，进行了钢筋混凝土标准升温情况下的有限元分析研究，并以有限元分析结果为标准依据判断分析火灾对钢筋混凝土力学性能的影响程度。有限元分析结果表明：随着火灾持续时间的增加，高温层逐渐向钢筋混凝土内部扩展，钢筋应变和跨中挠度也逐渐增大。混凝土保护层越厚，高温层向内部扩展速度越慢，对梁体保护越好。

【关键词】火灾高温；钢筋混凝土；强度退化；有限元；持续时间

1.引言

火灾是导致建筑结构失效的主要不可控的风险之一[1]。不论哪种火灾形势对建筑结构造成的影响都是不可逆转的损伤。国内外大量学者进行了火灾对建筑结构的各项性能指标研究，建立了系列的理论体系。T.Z.Harmathy等[2]进行了钢筋混凝土结构在高温下的热参数及力学性能研究，建立了钢筋混凝土的力学性能等与火灾温度的关系。随着有限元分析的发展，利用有限元分析软件进行火灾后的建筑结构的各项性能模拟逐渐成为一种比较理想的选择方式[3]。

2.分析模型的建立

本文利用Ansys有限元分析软件，建立了火灾下的钢筋混凝土模型，进而分析火灾下钢筋混凝土内部温度的随火灾时间的变化趋势，从而判断钢筋混凝土损伤的程度。

2.1钢筋混凝土受火温度影响有限元基本假设

钢筋混凝土结构构件受火温度和热工性能均是不断变化的，其变化过程比较复杂，因而为了分析的简便有必要进行简化分析和基本假设，基本假设如下：

（1）钢筋混凝土结构温度场沿长度方向不变；

（2）钢筋和混凝土材料均是各向同性材料；

（3）钢筋混凝土内部应力场对温度场的影响忽略不计。

2.2有限元分析模型单元的选取及对应本构关系

（1）混凝土单元

（2）钢筋单元

Ansys分析中采用LINK8單元模拟钢筋，采用通用的折线型本构关系和随动强化模型。

有限元几何模型为30m长应力混凝土梁，混凝土强度等级采用C50，抗压强度标准值为、抗拉强度设计值为、弹性模量。

（3）弹簧单元

为了模拟火灾下钢筋混凝土界面的受力情况，这里选取Ansys单元中的弹簧combine39号单元模拟钢筋和混凝土节点之间的粘结滑移。

2.3有限元计算模型及抗火曲线的选取

2.3.1有限元计算模型

有限元分析中建立不同保护层厚度的模型，模型中钢筋和混凝土单元均采用共用节点方式建模，即节点位置相同，节点号不同，同时进行节点的耦合，考虑到钢筋和混凝土界面的粘结滑移，在钢筋和混凝土共用节点处置入弹簧combine39号单元，该单元的F-D曲线（荷载-位移曲线）通过公式（1）得到，通过设置弹簧combine39号单元的自由度方向模拟粘结界面的受力情况。单元的结构网格划分采用的单位长度为0.2m，有限元具体模型如图1所示。

2.3.2抗火曲线的选取

为了较好的模拟钢筋混凝土火灾下的温度场分布，进行简支梁的三面受火模拟，即下三面（不含梁顶面、两侧面），同时选取ISO-834标准升温曲线进行温度加载，以时间为变量，计算不同受火时间下简支梁的温度场分布情况。

3、有限元分析结果

保护层厚度为20mm时，跨中截面的温度场在不同受火时间下的分布如下：

1）受火10min温度场分布 2）受火40min温度场分布

3）受火70min温度场分布 4）受火100min温度场分布

5）受火130min温度场分布 6）受火160min温度场分布

提取不同保护层厚度及火灾温度下基本数据如下表1所示。

由图2和表1可知，随着火灾时间的持续，火灾温度逐渐升高，火灾高温向钢筋混凝土内部发展，30mm保护层厚度的钢筋混凝土构件中的钢筋最高温度较20mm保护层厚度的钢筋混凝土结构钢筋最高温度低，说明保护层越厚，钢筋受热升温越慢，因而对保护层厚度越厚对钢筋有利。

提取不同保护层厚度及火灾温度下的跨中钢筋应变如表2所示。

由表2可知，随着火灾时间的增大，跨中钢筋的应变值逐渐增大，保护层厚度越大，对跨中钢筋应变影响越小。

提取不同保护层厚度及火灾温度下的跨中挠度如表3所示。