高温下钢筋混凝土框架梁抗剪性能研究

杨志年，陈明远，王兴国，王绍杰

(1.华北理工大学建筑工程学院， 河北唐山063009； 2.河北省地震工程研究中心， 河北唐山063009)



高温下钢筋混凝土框架梁抗剪性能研究

杨志年1,2，陈明远1,2，王兴国1,2，王绍杰1,2

(1.华北理工大学建筑工程学院， 河北唐山063009； 2.河北省地震工程研究中心， 河北唐山063009)

为了研究高温下钢筋混凝土框架梁的抗剪性能，建立了框架梁的非线性有限元分析模型，采用恒载升温的方式，对高温下钢筋混凝土框架梁的抗剪性能进行模拟，分析了不同混凝土强度、剪跨比及混凝土保护层厚度对钢筋混凝土框架梁抗剪性能的影响。结果表明：减小剪跨比和增大混凝土保护层厚度能显著提高框架梁高温下的抗剪性能，在相同条件下，剪跨比为1.5的框架梁的耐火极限比剪跨比为2.3的框架梁的提高45%，剪跨比为2.3的框架梁的耐火极限比剪跨比为3.0的框架梁的提高50%；混凝土保护层厚度每增加10 mm，框架梁的耐火极限约提高20%。随着混凝土强度的增加，框架梁高温下的抗剪性能得到提高，但提高效果不够明显。工程设计时，适当提高混凝土强度、减小剪跨比、增大混凝土保护层厚度是提高钢筋混凝土梁抗剪性能的有效措施。

框架梁；高温；抗剪性能；有限元

0　引　言

钢筋混凝土(RC)框架梁是结构重要的水平承重构件，当发生火灾时，其损伤及破坏非常严重，因此,对其高温下的力学性能研究意义重大。目前,针对钢筋混凝土梁的力学性能的研究大多集中在常温或高温下的抗弯性能研究[1-14]，而对于抗剪性能研究较少。向延念等[2]通过对8根钢筋混凝土简支梁进行火灾模拟试验，对各种工况下的梁受损程度进行了对比分析,结果表明，梁保护层厚度越小，升温时间越长, 配筋率越低，则火灾对梁的损伤程度越大。张威振[3]对16根钢筋混凝土梁进行火灾下的抗火性能试验，通过试验量测和数据分析，在考察升温时间、配筋率对构件抗火性能影响的基础上，对简支梁高温下的力学性能和变形反应的一般规律进行了概括。吴波等[5]对8根混凝土约束梁进行了升降温全过程的耐火性能试验，考察了升降温作用下梁端轴向和转动约束、荷载比、升温时间等参数对约束梁高温变形及内力的影响。

本研究利用ABAQUS非线性有限元分析软件建立了9根RC框架梁的数值模型，对其火灾下的抗剪性能进行模拟及分析，研究混凝土强度、剪跨比及混凝土保护层厚度等对高温下框架梁抗剪承载性能的影响，旨在为钢筋混凝土梁的抗火性能化设计提供理论依据，以进一步完善梁的抗火设计理论。

1　试件设计

图1　框架梁的截面尺寸及配筋Fig.1　Arrangement of reinforcement of the frame beam

框架梁的尺寸及配筋按照现行规范进行设计，净跨为4 m，截面为250 mm×500 mm，纵筋采用HRB500级，箍筋采用HRB300级，设计的框架梁纵向受力钢筋较多，以保证框架梁的抗剪破坏先于受弯破坏发生，梁的截面尺寸及配筋示意如图1所示。框架梁采用恒载升温的方法，加载方式为集中荷载。为模拟火灾下梁承受的正常使用荷载，施加的恒荷载大小取为150 kN，对梁采取底面及两个侧面三面受火的加热方法，升温曲线采用ISO-834标准升温曲线。

考虑混凝土强度、剪跨比及混凝土保护层厚度等不同参数对RC框架梁火灾下抗剪性能的影响，选取3组共计9根框架梁进行研究，参数设计如表1所示。

表1　参数设计Tab.1　Parameter design

2　数值模拟

首先利用ABAQUS非线性有限元分析软件对框架梁的温度场进行数值模拟，其中，钢筋和混凝土的热工参数均根据欧洲规范[15]选取，得到框架梁在三面受火条件下的截面温度场分布。图2为梁截面温度随时间变化的云图。由图2可知，梁三面均匀受火时,等温线近似呈U型，热量由外向内缓慢传导，随着受火时间的增加，由于混凝土材料的热惰性，梁内外产生较大的温度梯度。

(a) 受火30 min

(b) 受火60 min

(c) 受火90 min

(d) 受火120 min

图2梁截面温度分布

Fig.2Temperature distribution through the beam depth

梁截面混凝土的温度随时间的变化曲线见图3。可以看出，梁内温度在受火初期增加较快，中后期趋于平缓，在120 min的受火时间内，梁直接受火的底面及侧面最高温度达到1 000 ℃，梁顶背火面最高温度超过200 ℃。

图3　梁截面温度—时间关系曲线

以梁的温度场分析结果作为力学计算的基础，对框架梁火灾后的抗剪性能进行分析。框架梁混凝土采用DC3D8单元，钢筋采用DC1D2单元。本研究取每个单元格尺寸为50 mm×50 mm，高度方向9个单元，宽度方向5个单元，跨度方向80个单元，采用四节点单元。梁的几何模型及单元划分如图4所示。

3　影响因素分析

采用有限元模拟计算的方法分析在集中荷载及高温作用下RC框架梁的抗剪性能。当梁内箍筋应力超过屈服强度，箍筋开始发生屈服时，认为钢筋混凝土梁发生斜截面剪切破坏。

3.1混凝土强度对高温下RC框架梁抗剪性能的影响

图5是剪跨比采用2.3、混凝土保护层厚度采用30 mm、具有不同混凝土强度的框架梁在火灾下其集中荷载作用处的挠度—时间曲线，图6为火灾下梁内箍筋应力—时间关系曲线。由图5可知，火灾发生后的前39 min内，梁在集中荷载作用处的挠度近似呈线性增长， 39 min后，混凝土强度为C35的梁L1挠度突然迅速增加。由图6可见，此时对应的箍筋应力不再发生变化，达到对应温度下的屈服强度。随着混凝土强度的提高，对应的箍筋屈服时间逐渐延后，混凝土强度为C40的框架梁L2在46 min时开始发生剪切破坏，与混凝土强度为C35的框架梁L1相比，其耐火极限提高17.95%；混凝土强度为C45框架梁L3在53 min开始发生破坏，与混凝土强度为C40的框架梁L2相比，其耐火极限提高15.21%。

图5不同混凝土强度框架梁挠度—时间关系曲线

Fig.5Vertical deflection-time curves of the frame beam with various concrete strength

图6不同混凝土强度框架梁箍筋应力—时间关系曲线

Fig.6Stirrup stress-time curves of the frame beam with various concrete strength

3.2剪跨比对高温下RC框架梁抗剪性能的影响

钢筋混凝土梁的剪跨比是影响梁受剪破坏的重要因素，决定着梁斜截面发生的破坏形式。当剪跨比λ<1，产生斜压破坏；λ>3，产生斜拉破坏;1≤λ≤3，产生剪压破坏。混凝土强度等级为C40、混凝土保护层厚度为30 mm、剪跨比λ分别为1.5、2.3及3.0的框架梁在火灾下其集中荷载作用处的挠度—时间曲线见图7，火灾下梁内箍筋应力—时间关系曲线见图8。由图7可知，火灾发生后的前40 min内，梁在集中荷载作用处的挠度近似呈线性增长，40 min后，剪跨比为3.0的框架梁L6挠度曲线发生突变。由图8可知，此时箍筋应力超过屈服强度，框架梁开始发生剪切破坏。剪跨比为2.3的框架梁L5在60 min时发生剪切破坏，与梁L6相比，其耐火极限提高50%；剪跨比为1.5的框架梁L4在87 min时发生剪切破坏，其耐火极限比梁L5提高45%。由上可知，随着剪跨比的减小，框架梁火灾下的抗剪性能显著提高。

图7不同剪跨比框架梁挠度—时间关系曲线

Fig.7Vertical deflection-time curves of the frame beam with various shear span to depth ratios

图8不同剪跨比框架梁箍筋应力—时间关系曲线

Fig.8Stirrup stress-time curves of the frame beam with various shear span to depth ratios

3.3混凝土保护层厚度对高温下RC框架梁抗剪性能的影响

图9是剪跨比采用2.3、混凝土强度采用C40、具有不同混凝土保护层厚度的框架梁在火灾下其集中荷载作用处的挠度—时间曲线。图10为火灾下梁内箍筋应力—时间关系曲线。由图9可知，受火初始，随着受火时间的增加，梁在集中荷载作用处的挠度近似呈线性增长， 38 min后，混凝土保护层厚度为20 mm的梁L7的挠度突然迅速增加。由图10可见，此时对应的箍筋应力不再增长，发生屈服。随着混凝土保护层厚度的增加，对应的箍筋屈服时间逐渐延后，混凝土保护层厚度为30mm的框架梁L8在46 min时开始发生剪切破坏，与梁L7相比，其耐火极限提高21.05%；混凝土保护层厚度为40 mm的框架梁L9在65 min开始发生破坏，与梁L8相比，其耐火极限提高41.30%。由此可以得出，随着混凝土保护层厚度的增加，框架梁在火灾下的抗剪耐火极限显著提高。

图9不同混凝土保护层厚度框架梁挠度—时间关系曲线

Fig.9Vertical deflection-time curves of the frame beam with various thickness of concrete cover

图10不同混凝土保护层厚度框架梁箍筋应力—时间关系曲线

Fig.10Stirrup stress-time curves of the frame beam with various thickness of concrete cover

4　结　论

本研究建立了一榀框架中RC梁的非线性有限元模型，利用模型研究了高温下不同混凝土强度、剪跨比及混凝土保护层厚度对RC梁抗剪性能的影响，得到以下结论：

①火灾下，三面受火的RC框架梁沿截面存在非线性温度场及较大的温度梯度，梁受火面温度远远高于非受火面。

②减小剪跨比能显著提高火灾下RC框架梁的抗剪性能，剪跨比为1.5的框架梁耐火极限比剪跨比为2.3的框架梁提高了45%，相同条件下，剪跨比为2.3的框架梁耐火极限比剪跨比为3.0的框架梁提高了50%。在一定范围内，适当提高混凝土强度可以提高RC框架梁火灾下的抗剪能力，但提高效果不够明显。

③混凝土保护层厚度增加后，火灾作用下混凝土对箍筋的保护作用增强，RC框架梁的抗剪能力显著提高，混凝土保护层厚度每增加10 mm，框架梁的耐火极限约提高20%。

④进行结构抗火设计时，应尽量减小框架梁的剪跨比，与常温相比，混凝土保护层厚度应进一步增加，以提高高温下RC框架梁的抗剪性能，避免梁在火灾中发生脆性剪切破坏，以利于消防安全。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Research on shear behavior of reinforced concrete frame beams at high temperature

YANG Zhi-nian1,2, CHEN Ming-yuan1,2, WANG Xing-guo1,2, WANG Shao-jie1,2

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China; 2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province, Tangshan 063009, China)

In order to study the shear behavior of RC frame beams at high temperature, a nonlinear finite element model is developed. The shear behavior of the beams at high temperature is simulated by heating the model under constant load. The parameters, including concrete strength, shear span to depth ratios and thickness of concrete cover of the fire-damaged RC beams are analyzed. The results show that with the decrease of shear span to depth ratios or the increase of thickness of concrete cover, the shear capacity of fire-damaged RC beam is obviously improved. Under the same conditions, the duration of fire resistance of the beam with a shear span to depth ratio of 1.5 is improved by forty-five percent than that of the beam with a shear span to depth ratio of 2.3, and the duration of fire resistance of the beam with a shear span to depth ratio of 2.3 is improved by fifty percent than that of the beam with a shear span to depth ratio of 3.0. With the increase of every 10 mm in the thickness of concrete cover, the duration of fire resistance of the frame beam is approximately improved by twenty percent. With the increase of concrete strength, the shear capacity of the fire-damaged RC beam is also improved, but the improvement is not obvious. In engineering design, the increase of concrete strength, decrease of shear span to depth ratio and increase of thickness of concrete cover are effective measures to improve the shear behavior of RC beam.

frame beam； high temperature； shear behavior； nonlinear finite element

2016-05-15；

2016-06-18

国家自然科学基金资助项目(51478161)；河北省自然科学基金资助项目(E2014209099)；河北省高等学校科学技术研究项目(QN2016051)

杨志年(1983—)，男，河北唐山人，华北理工大学讲师，工学博士；E-mail:yangzhinian1983@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1054

TU375.1

A

1001-7445(2016)04-1054-07

引文格式：杨志年，陈明远，王兴国,等.高温下钢筋混凝土框架梁抗剪性能研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1054-1060.