HPFL加固受火RC柱正截面承载力研究

曾令宏，秦元帅

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410012)

HPFL加固受火RC柱正截面承载力研究

曾令宏，秦元帅

(湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410012)

摘要:基于国内外对火灾后钢筋混凝土的力学性能的研究，结合混凝土三轴受压强度理论，以平截面假定为基础，不考虑被加固柱混凝土与高性能复合砂浆钢筋网(HPFL)之间的黏结滑移，忽略被加固柱箍筋的约束作用，提出计算模型。对HPFL加固受火RC柱的正截面承载力进行理论推导，并以实验数据和工程实例验证推导出的理论公式的合理性。分析结果表明，推导出的理论公式与实验数据符合较好，采用HPFL加固受火后的钢筋混凝土柱可明显提高其正截面承载力，满足实际工程要求。

关键词：HPFL；火灾；三轴受压；加固

在现实生活当中，不正确使用火就会经常造成火灾的发生，人的生命和财产安全也因此受到严重威胁。对于已经发生过火灾的建筑物，有些并没有完全丧失其原有的承载能力，一般情况下，损伤不是特别严重的建筑物经 加固后仍然可以继续保持原有的使用功能，重新建设的成本因而大幅度地减少了。高性能复合砂浆钢筋网 (HPFL)是一种新型的加固混凝土结构材料，它是采用高性能复合砂浆与钢筋网组成的薄层[1]，对混凝土结构进行加固处理。

蒋隆敏等[2]通过对9根圆柱单调加载的试验，研究了HPFL加固钢筋混凝土圆柱的轴压性能。在试验研究和理论分析的基础上，解释了这种加固薄层使柱子各项性能得以改善或增强的作用机理，建立了加固钢筋混凝土圆柱承载能力的计算模型，并给出了相应的计算公式。

蒋隆敏等[3]采用HPFL加固了6根足尺轴心受压钢筋混凝土柱，并对其力学性能作了试验与有限元数值模拟分析，研究了加固层中钢筋类型、钢筋直径和网格尺寸等变化参数对柱子加固效果的影响。试验研究结果表明：加固后，柱子的承载能力和刚度不同程度地提高了，柱子的延性也得到了一定的改善。

HPFL在常温下对混凝土结构的加固研究已有不少，例如已出版的规范《CECS242—2012高性能水泥复合砂浆钢筋网加固混凝土结构技术规程》，但是对于HPFL加固火灾后的混凝土结构的研究还很少。本文在已有研究成果的基础上，从理论和实际工程应用两方面对HPFL加固受火后钢筋混凝土柱 正截面承载能力进行探讨和研究，并以混凝土三轴受压强度理论为背景，平截面假定为基础，结合强度等效截面方法，推导了HPFL加固受火钢筋混凝土柱的正截面承载能力的理论计算公式，以满足实际工程应用的需要。

1受火后钢筋混凝土的力学性能

钢筋混凝土结构发生火灾以后，其构件的钢筋和混凝土的强度、变形性能下降，进而影响构件的承载力。

1.1受火后钢筋的力学性能

试验研究表明：随着受火温度的升高，钢筋的抗压强度也逐渐地降低，由于高温下钢筋所减少的抗压强度在高温后具有大幅度地恢复，与高温下钢筋的抗压强度相比，高温后钢筋的抗压强度减小的很少。

文献[4]计算Ks的公式：

(1)

火灾高温作用后钢筋的弹性模量折减系数KsE=EsT/Es。其中，EsT为钢筋在受到高温作用冷却后的弹性模量；Es为钢筋常温下弹性模量。

文献[5]计算KsE的公式为：

KsE=1-2.49×10-4T20 ℃

(2)

1.2受火后混凝土的力学性能

火灾高温作用后混凝土的抗压强度降低，因为高温下水泥石中Ca(OH)2发生化学反应生成的CaO，在高温过后CaO和水反应生成Ca(OH)2，从而产生体积膨胀，造成混凝土内部结构的破坏[5]。试验结果表明：火灾高温作用后的混凝土力学性能大体上随温度升高呈现逐渐劣化的趋势。

文献[6]计算Kc的公式为：

(3)

火灾高温作用后混凝土的弹性模量也存在着一定的变化。混凝土的弹性模量折减系数KE=EcT/Ec。其中，EcT为混凝土试块在受到温度T作用冷却后的弹性模量；Ec为混凝土常温下的弹性模量。

文献[7]计算KE的公式为：

试验表明：混凝土强度等级对高温后混凝土的弹性模量折减系数KE的影响不大。

2HPFL加固常温下RC柱正截面承载力计算理论分析

HPFL是由钢筋网和高性能复合砂浆组成的，是一种典型的复合材料。钢筋网的主要作用就是增强作用：环绕在加固柱外部的横向 网筋对原构件会形成一种强有力的约束，使核心 混凝土处于三向受压状态，因而大幅度地提高了 原构件的承载能力和延性性能。文献[3]实验证明：采用HPFL加固的混凝土柱 处于承载能力极限状态时，横向 网筋外侧的复合砂浆层开裂 但没有与原混凝土柱剥离开来，所以依然能够承担 一部分的纵向荷载。

为了避免混凝土应力集中，加固柱一般都要进行倒角处理，如图1所示。在轴向压力作用下，矩形HPFL加固混凝土柱会产生纵向压缩变形和横向拉伸变形。HPFL加固层的横向 网筋为了阻止混凝土横向膨胀 变形的同时也会产生拉伸变形，产生拉应力，横向 网筋的反作用力就会对原构件的 混凝土产生侧向约束作用。在加固柱的 四个转角部位(图1，A区)，对角线方向受到横向 网筋的相互垂直拉力而形成 了强约束区域；加固柱的中心区域(图1，B区)，在外围混凝土 和横向网筋的双重作用下也形成了强约束区域，A区和B区的混凝土处于三向受压 受力状态；然而在加固柱四边的中间区域(图1，C区)，由于横向 网筋抗弯刚度很小，对加固柱混凝土基本上也就没有什么约束作用，这部分混凝土 只是受到由四个角部传来的少量的侧向压力，并处于双向受压受力状态，形成了弱约束区域。

图1　HPFL加固矩形混凝土柱的变形约束图Fig.1 Deformation constraint graph of rectangular concrete column strengthened by HPFL

2.1有效约束率

从HPFL加固钢筋混凝土柱的工作机理可以看出，加固层对矩形截面钢筋混凝土柱的约束作用不是均匀分布的，而是划分成了明显的强约束区域和弱约束区域，故应考虑径向有效约束率ke。圆形截面钢筋混凝土柱受到的侧向约束力是均匀的，因此有效约束率ke=1；矩形截面钢筋混凝土柱的有效约束率计算简图如图2所示。

图2　有效约束率简图Fig.2 Effective restraint rate diagram

矩形截面柱径向有效约束率[3]可按下列规定确定：

(5)

(6)

式中：Ae为约束混凝土有效约束面积；Ac为被加固柱混凝土净截面面积；ke为径向有效约束率。

2.2有效约束应力

加固层对混凝土柱的径向约束应力仅由横向网筋提供，如图3所示。

图3　有效应力计算简图Fig.3 Effective stress calculation diagram

矩形截面柱径向有效约束应力[3]可按以下规定确定：

(7)

3HPFL加固受火RC柱正截面承载力计算公式推导

火灾作用后的RC柱正截面的温度分布是十分不均匀的，各点的损伤程度不同，其强度值也必然不等，因此计算变强度RC柱正截面的极限承载力是十分困难的。根据文献[8]，如果将变强度的RC柱正截面简化为匀质的等强度等效截面，便可直接利用在常温下HPFL加固RC柱承载力计算的基础上推导出火灾后加固公式。

3.1基本假定

根据文献[8] ～[11]，正截面承载力计算基本假定如下：

1)平截面假定成立。

2)不考虑原混凝土与HPFL加固层之间的相互滑移。

3)HPFL加固层对混凝土柱的径向约束力仅由横向 网筋提供，加固柱原箍筋的约束 作用很小，可以忽略不计。

3.2火灾后混凝土构件的力学性能

火灾后混凝土构件的强度和刚度在一定程度上都会下降，目前计算火灾高温作用后钢筋混凝土构件承载力折减的分析方法有很多，本文采用强度等效截面法，在计算火灾高温作用后混凝土的抗压强度时，首先需要对抗压强度计算公式进行简化，这样可将强度计算公式分为两个区域，如图4所示。

图4　混凝土抗压强度与温度的关系Fig.4 Relationship between concrete crushing strength and temperature

下面就以四面受火矩形截面柱为例阐述强度等效截面法。假设高温作用后混凝土抗压强度曲线为图4的梯形台阶，再推定出室内一般火灾的标准当量升温时间，并参照ISO834标准升温曲线以确定柱子截面温度场，来计算各相关等温线的位置，如图5(a)所示。其中300℃和800℃等温线可以近似看成矩形，如图5(b)所示。确定其边长分别为b1，h1和b2，h2，按照等效原则得到一个阶梯形截面，如图5(c)所示。

(a)截面温度场；(b)截面等温线；(c)等效截面图5　四面受火中柱强度等效截面法Fig.5 Equivalent section method of column surrounded by fire base on strength

3.2.1轴心受压

矩形轴心受压构件正 截面承载力应按下列公式计算：

N≤0.9(N1+N2+N3)

(8)

N1=fcAc+fy′As′

(9)

N2=kμ{fye′Ase′+fme[2tm(b+h)-Ase′]}

(10)

N3=4μσrA

(11)

式中：N1为未受约束作用时加固柱 能够承受的轴向压力设计值；N2为加固层直接 承担的轴向压力设计值；N3为加固柱混凝土因受加固层约束 作用的提高值；fc和Ac为加固柱混凝土轴 心抗压强度设计值、混凝土净截面面积，矩形截面Ac=bh-(4-π)r2-As′(倒角后的面积)，当原柱纵筋配筋率不大于0.03 时，可不扣除；fy′和As′为加固柱钢筋抗压强度设计值和受压钢筋截面面积；k为加固层的抗压强度 有效利用系数，对于上下端加密的柱k取0.3；fme为水泥复合砂浆轴心抗压强度设计值；tm为实际采用的加固层厚度，一般为20～30mm；σr为横向钢筋网的径向 有效约束应力，可按式(7)确定；r为倒角圆弧半径。

对于轴心受压柱的加固计算，按式(8)算得的构件受压 承载力设计值不应大于按文献[9]中算得的构件受压 承载力设计值的1.3倍。此外，当遇到下列一种 情况时，不应计入横向钢筋网的影响， 即N3=0。

2)当横向钢筋网的体 积配筋率ρw<0.16%时。

3.2.2偏心受压

假定加固层与加固柱原混凝土之间 不发生粘结—滑移破坏。如果最终的破坏 形式是大偏心受压破坏，则加固柱 受拉侧纵筋及纵向网筋被 拉屈服且受压区混凝土及复合砂浆被压碎；如果最终的破坏形式是小偏心受压破坏，则加固柱 受压区混凝土被压碎，横向网筋被 拉屈服的同时加固柱受压侧纵筋 和纵向网筋被压屈服。发生这两种破坏 及界限破坏时的应变分布如图6所示。

图6　应力分布图Fig.6 Stress distribution diagram

第三，要想在高等院校“C语言程序设计”课程上机实验教学环节过程中获得良好教学效果，应结合实际教学工作中的学习需求、涉及的教学内容，为学生编写和呈现内容新颖且专业的实验指导书文本，使学生在获得专业化和系统化理论知识指导的条件下，达到“C语言程序设计”课程上机实验教学环节的最佳学习效果。

加固柱发生 大偏心受压破坏时的等效应力分布图，即计算简图如图7所示。

图7　计算简图Fig.7 Calculation diagram

根据力平衡关系和几何关系，加固矩形截面大偏心受压钢筋混凝土柱的承载力计算公式为：N=α1fccbx+fy′As′+fzw′Azw′-fyAs-fzwAzw

(12)

(13)

(14)

ei=e0+ea

(15)

(16)

(17)

式中：α1为混凝土弯曲抗压强度修正系数，其取值同文献[8]；fcc为约束混凝土的峰值压应力，fcc=fc+4σr；

将加固柱承载力计算公式与文献[8]偏压柱承载力公式进行对比，发现加固公式已考虑了纵向网筋对轴向拉压应力的作用，也考虑了横向网筋对受压混凝土的侧向约束作用，在计算公式中是通过约束混凝土的峰值应力fcc这一参数来体现的。

文献[8]中有关加固轴心受压钢筋混凝土柱的试验研究：试验的试件设计为同一尺寸，同一强度，并在相同条件下制作和养护的棱柱体。钢筋混凝土柱的长细比h/b=4， 尺寸为300×300×1 200(mm)，如图8所示。采用C30混凝土，试验测得的混凝土立方体试块的抗压强度为30.7MPa。中柱四面受火，按照标准升温曲线升温90min，自然冷却。经HPFL加固受火中柱正截面承载力计算公式计算，加固层水泥砂浆，使用M50，厚30mm，横向钢筋和纵向钢筋均取B6@50，能使HPFL加固受火钢筋混凝土柱的极限承载能力达到原柱水平，如表1所示。

图8　构件配筋图Fig.8 Component reinforcement figure

Table1Comparisonofthebearingcapacityoftheexperimentalatumns

试件编号应力水平指标理论极限承载力/kN实测极限承载力/kN极限承载力提高率/%C1—13242150.5—C20.721659260825.30C50.791721280729.98C70.782457400085.57

4工程实例

某建筑为7层框架结构，于2005年建成并投入使用。1～2层为超市营业区，3～7层为住宅区。该建筑范围内1、2层局部火灾情况如图9所示，现场结构布置示意图如图10。

图9　火灾后局部损伤情况Fig.9 Local damage after fire

图10　结构布置示意图Fig.10 Schematic diagram of the structure arrangement

经过现场调查和构件取样鉴定，推定出该建筑发生火灾时的最高温度在900 ℃左右，当量升温时间为82min。以A区某四面受火中柱(B8交7轴)为例，根据强度等效截面法得出表2。

表2　混凝土柱截面参数

根据前文所推导的理论公式计算HPFL加固受火钢筋混凝土柱的极限承载力，加固处理措施如图11，并与原柱极限承载力设计值对比如表3。

图11　受火RC柱加固示意图Fig.11 Diagram of RC column strengthened after fire

结果表明：HPFL加固受火钢筋混凝土柱的正截面承载力小于受火前原柱的正截面承载力，但是误差在10%以内，公式计算结果偏于安全。由此可以说明，在满足一定精度的要求下，本文推导的计算公式可以运用于HPFL加固受火钢筋混凝土柱正截面承载力的计算。

表3 受火RC柱加固前后承载力对比

Table3ComparisonofthebearingcapacityofRCcolumnafterbetweenukstrenglhenedandstrengthend

应力水平指标纵向钢筋横向钢筋极限承载力/kN加固前—8ϕ18—2556.4加固后0.269ϕ8@100ϕ8@1002352.8

5结论

1)考虑了火灾高温对混凝土及钢筋性能的影响，运用强度等效截面法对受火后钢筋混凝土柱的承载力进行了简化计算。

2)经过理论推导，提出了HPFL加固受火钢筋混凝土柱的正截面承载力计算公式，以便实际工程中的计算。

3)通过已有的试验数据验证了所提出的正截面承载力计算公式的合理性，验证了HPFL加固受火钢筋混凝土柱的可行性，并且在满足一定精度的要求下可以应用于工程实例。

参考文献：

[1] 尚守平，曾令宏，陈大川，等.CECS242—2012高性能水泥砂浆钢筋网加固混凝土结构技术规程[S].北京：中国计划出版社，

SHANGShouping,ZENGLinghong,CHENDachuan,etal.CECS242—2012Technicalspecificationforstrengtheningconcretestructureswithhigh-performanceFerrocementlaminate[S].Beijing：ChinaPlaningPress.

[2] 蒋隆敏，尚守平，刘方成.钢筋网高性能 水泥复合砂浆加固圆柱的轴压性能研究[J].湖南工业大学学报，2009(1):12-18.

JIANGLongmin,SHANGShouping,LIUFangcheng.Highperformancecementcompositemortarreinforcedcolumnsaxialcompressionperformancestudy[J].Journalofhunanuniversityoftechnology, 2009(1):12-18.

[3] 蒋隆敏,何爱波,周露蒙.HPFL加固轴心受压RC柱的数值模拟分析[J]. 建筑结构,2014(17):50-55+82.

JIANGLongmin,HEAibo,ZHOULumeng.NumericalsimulationanalysisofRCaxialcompressioncolumnstrengthenedbyHPFL.Buildingstructure,2014,17:50-55+82.

[4] 沈蓉，凤凌云，戎凯.高温(火灾)后钢筋力学 性能的评估[J].四川建筑科学研究，1991(2):5-9.

SHENRong,FENGLingyun,RONGKai.Hightemperature(fire)evaluationofmechanicalpropertiesofsteel[J].Buildingscientificresearchinstituteinsichuanprovince, 1991(2):5-9.

[5] 吴波,梁悦欢. 高温后混凝土和钢筋强度的统计分析[J]. 华南理工大学学报(自然科学版),2008(12):13-20.

WUBo,LIANGYuehuan.Statisticalanalysisofconcreteandsteelbarstrengthafterhightemperature[J].JournalofSouthChinaUniversityofTechnology(NaturalScienceEdition), 2008(12):13-20.

[6] 刘利先，过镇海，时旭东.增大截面法加固高温损伤混凝土柱的试验研究[J].工程力学，2003(5):18-23.

LIULixian,GUOZhenhai，SHIXudong.Experimentalstudyofhightemperaturedamageofconcretecolumnreinforcedbyenlargingsection[J].EngineeringMechanics,2003(5):18-23.

[7] 徐彧，徐志胜，朱玛。高温作用后混凝土强度与变形试验研究[J].长沙铁道学院学报，2000(2):13-16+21.

XUYu,XUZhisheng,ZHUMa.Afterhightemperatureeffectofconcretestrengthanddeformationtestresearch[J].Journalofchangsharailwayinstitute, 2000(2):13-16+21.

[8] 汤繁华.HPFL加固RC偏心受压柱在高温和外载共同作用下的性能研究[D].株洲：湖南工业大学,2012.

TANGFanhua.StudyonthepropertiesofHPFLstrengthenedRCeccentriccompressioncolumnunderthejointactionofhightemperatureandload[D].Zhuzhou:HunanUniversityofTechnology, 2012.

[9] 曹晖.HPFL加固RC轴心受压柱在高温和外载共同作用下的性能研究[D].株洲： 湖南工业大学,2013.

CAOHui.StudyonthepropertiesofHPFLstrengthenedRCaxialcompressioncolumnunderthejointactionofhightemperatureandload[D].Zhuzhou:HunanUniversityofTechnology, 2013.

[10] 王国杰,郑建岚.二次受力下自密实混凝土加固梁抗剪性能试验研究[J].铁道科学与工程学报,2014，11(4):51-57.

WANGGuojie,ZHENGJianlan.ExperimentalinvestigationsonshearbehaviorofbeamsstrengthenedbySCCundersecondaryload[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2014，11(4):51-57.

[11] 王苏岩,王泽源.组合FRP约束高强混凝土棱柱力学性能试验研究[J].铁道科学与工程学报,2013，10(1):16-22.

WANGSuyan，WANGZeyuan.ExperimentalresearchonmechanicalbehaviorofhighstrengthconcreteprismsretrofittedwithhybridizedFRPmethod[J].JournalofRailwayScienceandEngineering, 2013，10(1):16-22.

Study on the normal section bearing capacity of RCcolumn strengthened with HPFL after fire

ZENG Linghong，QIN Yuanshuai

(CollegeofCivilEngineering，HunanUniversity,Changsha410012，China)

Abstract:Based on the domestic and foreign research on the mechanical properties of reinforced concrete(RC) after fire， this paper combined the triaxial compression strength theory of concrete with the assumption of flat section, neglected the bond-slip between the concrete of column strengthened and the high performance ferrocement laminate(HPFL) as well as the restraint effect of stirrup in reinforced column, and then proposed a calculation model. The theoretical derivation of the normal section bearing capacity of RC column strengthened by HPFL after fire was presented，and the rationality of the theoretical formula was verified with experiment data and engineering examples. The analysis results show that the theoretical formula yield results that agree well with the experimental data, and that strengthening the reinforced concrete column after fire by HPFL could improve its bearing capacity of normal section significantly，thus meeting the practical engineering requirements.

Key words:HPFL; fire; triaxial compression; strengthening

收稿日期：2015-10-21

基金项目：国家自然科学基金青年基金资助项目(51108173)

通讯作者：曾令宏(1978-)，男，湖南衡阳人，副教授，从事结构加固研究；E-mail: mikema21@126.com

中图分类号：TU375.3

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)05-0943-07