火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱力学性能分析

王微微，任卿举，吕学涛，米振伟(辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新，123000)

火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱力学性能分析

王微微，任卿举，吕学涛*，米振伟
(辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新，123000)

利用ABAQUS软件建立了火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱的非线性有限元模型，在确定混凝土和钢材的本构基础上，对其火灾后剩余承载力和轴压刚度进行了数值计算，并与已有相关试验数据进行比对分析。分析了升温时间、截面直径、材料强度、骨料取代率、含钢率和配筋率等参数对火灾后剩余承载力和轴压刚度的影响规律。结果表明：升温时间和截面直径是影响火灾后试件剩余承载力和轴压刚度的主要因素；提出了该类试件火灾后剩余承载力和轴压刚度的简化计算公式，可为工程实际应用提供参考。

火灾后；钢管约束钢筋再生混凝土；轴压短柱；剩余承载力；轴压刚度

0 引言

再生混凝土的有效利用，可以解决废弃混凝土的处理问题，减少建筑业对天然骨料的消耗，被认为是可以实现建筑资源可持续发展的有效途径之一[1,2]。与普通混凝土相比，再生混凝土的力学性能、耐久性能、变形能力等都相对较差，一定程度上限制了其在结构工程中的推广应用。将再生混凝土与已被证实具有良好工作性能的钢管约束混凝土柱[3]组合形成的钢管约束再生混凝土柱，在继承各自优点的同时可有效避免再生混凝土在应用中的不足。钢管约束再生混凝土可扩大再生混凝土的应用范围，为废弃混凝土资源化提供一条有效途径。

针对钢管约束混凝土柱的研究， Sakino等[4]进行了圆形截面钢管混凝土、钢管约束混凝土及内壁涂油脂的钢管约束混凝土短柱的轴压试验，结果表明：在同样条件下钢管内壁涂油的钢管约束混凝土短柱的轴压承载力高于未涂油的钢管约束混凝土短柱，且二者均高于钢管混凝土短柱；刘、周[5]对圆钢管约束钢筋混凝土短柱进行了试验研究，结果显示试件延性与钢管径厚比及混凝土强度成反比例关系，试件轴压承载力随钢管屈服强度的提高而增加；肖等[6]进行了圆钢管约束再生混凝土短柱的轴压试验，结果表明：与普通钢管约束混凝土柱相比，钢管约束再生混凝土柱的承载力略低，但变形能力更好；陈等[7]通过试验研究了钢管约束再生混凝土的受力机理，结果表明：钢管再生混凝土轴压短柱的受力破坏全过程和普通钢管混凝土是类似的，骨料取代率对钢管再生混凝土的破坏机理有影响但不明显，并提出了应力-应变全过程曲线的数学表达式和极限强度计算公式。

研究柱在火灾后的力学性能和损伤程度是制定合理修复加固措施的重要前提和基础。张等[8]、Liu等[9]分别进行了火灾后配筋钢管混凝土柱剩余承载力数值分析和钢管约束钢筋混凝土短柱的轴压试验，结果表明：经历火灾后柱的承载力和轴压刚度均有一定程度的减少；杨等[10]进行了火灾后钢管再生混凝土短柱的轴压试验，结果表明：与同等条件的普通钢管混凝土柱相比，经历火灾后其承载力和刚度均要小一些。

本文基于ABAQUS 有限元软件建立了火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土柱有限元模型，研究经历ISO-834标准火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱在不同参数下剩余承载力和轴压刚度的变化规律，以期为火灾后的修复与加固提供参考。

1 有限元模型

采用顺序热力耦合方法，建立了火灾后钢管约束钢筋再生混凝土柱有限元分析模型。首先建立试件温度场模型，选取合理的材料热工参数，按照ISO-834 升温曲线对试件进行升温，输出其节点温度；然后建立力学分析模型，选取合理的材料本构模型，读取节点温度后进行数值计算。

选择合适的材料热工参数，是求解温度场的基础。黄[11]研究了再生混凝土的热工性能，结果发现导热系数随着再生骨料取代率的增加而略微下降，比热基本不变；周[12]通过试验和有限元分析得出再生骨料取代率对温度场影响不大。温度场分析中，钢管约束钢筋混凝土柱与钢管混凝土柱类似，韩[13]、Hong 和 Varma等[14]采用 Lie[15]推荐的钢材和混凝土热工参数计算分析了钢管混凝土温度场，获得了较好的预测结果。因此本文近似采用Lie[15]建议的钢材和混凝土热工参数。

火灾后核心再生混凝土的本构关系采用杨、侯[16,17]推荐的本构模型，侯[17]采用此本构计算分析了恒高温后钢管再生混凝土柱的力学性能，得到了较好的结果。此本构模型考虑了再生粗骨料取代率的影响，其表达式为：

(1)

(2)

(3)

式中：x=ξ/ξ0，y=σ/σ0，r为粗骨料取代率。

火灾后钢材的本构采用双折线模型，强化段模量取弹性段模量的0.5%，同时假定高温后钢材的弹性模量和泊松比与常温时是一致的[13]。

温度场分析模型中，单元类型均设置为热分析单元，钢管与混凝土接触热阻值设置为 0.01；力学场分析中，单元类型均设置为结构分析单元，钢管与混凝土界面接触法向定义为硬接触，切向采用库伦摩擦模型，摩擦系数取 0.3，采用位移加载，且加载过程中钢管不直接承受纵向荷载。图1为试件有限元分析模型示意。

图1 试件有限元模型Fig.1 Finite element model

2 模型验证

对文献[6]、[17]中钢管约束再生混凝土短柱、恒高温后钢管再生混凝土短柱轴压试验进行了有限元分析，常温和恒高温后再生混凝土本构根据杨、候[16,17]推荐的本构选取。表1给出了试件相关参数，有限元计算结果(Nck)与试验结果(Ncr)比值(Nck/Ncr)的平均值为1.109，方差为0.089；有限元计算结果与试验结果对比情况如图2所示，两者吻合较好。

图 2 模型验证Fig.2 Model validation

表1 试件相关参数

注：Ncr、Nck分别为试验值和模拟值。

3 参数分析

火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱剩余承载力和轴压刚度的影响因素可能有：升温时间t，截面直径D，混凝土强度fcu，再生粗骨料取代率r，钢管屈服强度fy，钢筋屈服强度fb，钢管含钢率α，钢筋配筋率ρ等。根据以上已经验证的有限元模型建立火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱的分析模型，试件基本参数设置为：D=600 mm，fcu=40 MPa，r=50%，fy=345 MPa，fb=335 MPa，α=3.0%，ρ=4.0%，t=0 min～120 min，短柱选取的高宽比均为3。

在建筑工程常用范围内，分别对未受火试件、标准升温 30 min、 60 min、 90 min及120 min 后的试件进行计算，讨论上述各参数对火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱剩余承载力和轴压刚度的影响规律。同时为了便于分析，引入火灾后试件强度承载力影响系数和轴压刚度影响系数[13]kr、kc：

(4)

3.1 再生骨料取代率

选取再生粗骨料取代率为0%、30%、50%、70%、100%，讨论取代率对火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱剩余承载力和轴压刚度的影响规律。计算结果如图3所示，从图3中可以发现，随着取代率的增加，试件剩余承载力系数和轴压刚度系数均出现增大的趋势，轴压刚度系数的增长大于剩余承载力系数，取代率对试件剩余承载力和轴压刚度的影响整体不明显，但其影响程度随着受火时间的增大而变大。

图3 取代率的影响Fig.3 Influence of the replacement percentage

3.2 截面直径

选取试件截面直径为200 mm、400 mm、600 mm、800 mm，讨论截面直径对该类试件火灾后剩余承载力和轴压刚度的影响规律。计算结果如图4所示，从图4中可以看出，试件的剩余承载力影响系数和轴压刚度系数随着截面直径的增加而增大，且其增长速率在截面直径较小时较大，后渐趋缓慢。说明试件的截面直径对其火灾后的剩余承载力和轴压刚度的影响较为明显，说明试件内部损伤程度随着截面直径的增大而降低，相应试件剩余承载力和轴压刚度升高。

图4 截面直径的影响Fig.4 Influence of sectional dimensions

3.3 基体混凝土强度

参照建筑工程中常用的混凝土强度等级范围，选取C30、C40、C50、C60等级的混凝土，讨论混凝土强度对火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱剩余承载力和轴压刚度的影响规律。计算结果如图5所示，从图5中可以看出，随着基体混凝土强度的增加，火灾后试件剩余承载力系数和轴压刚度系数均出现不同程度下降，且轴压刚度系数下降幅度大于承载力系数；受火时间小于60 min时，试件的剩余承载力系数下降较为缓慢，而轴压刚度系数下降较快，受火时间大于60 min时，试件的剩余承载力系数下降速率增大，轴压刚度系数则下降缓慢，说明基体混凝土强度等级对火灾后试件轴压刚度和剩余承载力的影响均较为明显。

图5 基体混凝土强度等级的影响Fig.5 Influence of the concrete strength

3.4 钢材强度

参照建筑工程中常用的钢材等级，选取钢材强度标准值分别为 235 MPa、 345 MPa、 390 MPa 和 420 MPa 进行参数分析，讨论钢材强度对该类试件剩余承载力和轴压刚度的影响规律。计算结果如图6所示，从图6中可以看出，钢材强度等级对火灾后试件的轴压刚度影响不明显，剩余承载力系数随着钢材强度的增加略有上升，但是在本文参数范围内不明显。

图6 钢材强度的影响Fig.6 Influence of the steel strength

3.5 钢筋强度

讨论335 MPa、400 MPa和500 MPa三种钢筋强度对该短柱剩余承载力和轴压刚度的影响规律。从图7中可以看出，对于使用不同强度钢筋的试件，在经历相同受火时间后，剩余承载力影响系数随钢筋强度的增长略有升高，但升高的幅度并不明显；轴压刚度系数基本无变化，说明钢筋强度对火灾后试件的剩余承载力和轴压刚度影响不大。

图7 钢筋强度的影响Fig.7 Influence of the reinforcement strength

3.6 钢管含钢率

结合实际工程应用，选取钢管含钢率为2%、2.5%、3%、3.5%、4%进行参数分析，讨论钢管含钢率对该类型短柱剩余承载力和轴压刚度的影响规律。从图8中可以发现，经历相同受火时间后，随着钢管含钢率的增加，试件轴压刚度系数不断增大，而试件的剩余承载力系数变化不明显，说明钢管含钢率对火灾后轴压刚度的影响明显大于对剩余承载力的影响。

图8 含钢率的影响Fig.8 Influence of the steel ratio

3.8 钢筋配筋率

结合实际工程应用，选取钢筋配筋率为2%、3%、4%、5%、6%进行参数分析，讨论钢筋配筋率对该种类型短柱剩余承载力和轴压刚度的影响规律。计算结果如图9所示，从图9中可以发现，试件剩余承载力系数和轴压刚度系数随着配筋率的增大而增加，且轴压刚度系数的增加幅度大于剩余承载力系数；受火时间小于60 min时，剩余承载力系数下降较为缓慢，轴压刚度系数下降较快，受火时间大于60 min时，剩余承载力系数下降速率增大，而轴压刚度系数下降变得缓慢。说明配筋率对试件剩余承载力和轴压刚度的影响均比较明显。

图9 配筋率的影响Fig.9 Influence of the reinforcement ratio

4 简化计算

由上述参数分析可以发现，影响火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土短柱剩余承载力和轴压刚度的因素有：截面直径、基体混凝土强度、取代率、钢材强度、含钢率、升温时间，通过本文分析，将上述参数统一考虑为约束效应系数和升温时间的影响。

基于本文参数分析范围，升温时间t=0 min～ 120 min，骨料取代率r=0%～100%，截面直径D=200 mm～800 mm，混凝土强度等级fcu取C30～C60，钢管屈服强度fy取Q235～Q420，钢筋屈服强度fb=335 MPa～500 MPa，钢管含钢率α=2%～4%，配筋率ρ=2%～6%，回归了火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱剩余承载力系数和轴压刚度系数的实用计算公式：

(5)

(6)

式中：t为受火时间，h；ξ为约束效应系数[13]。

图10为火灾后剩余承载力系数和剩余刚度系数采用式(5)、式(6)的计算结果与有限元计算结果的对比，吻合较好。

图10 简化计算值与有限元计算值对比Fig.10 Comparison between simplified calculations and FE numerical results

5 结论

本文利用有限元软件对影响火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱剩余承载力和轴压刚度的因素进行了数值分析，在本文研究的参数范围内，得出以下结论：

(1)升温时间、截面直径、基体混凝土强度和钢筋配筋率对火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土轴压短柱的剩余承载力均有不同程度的影响。随着升温时间的增加，试件的剩余承载力下降先缓慢后速率增大，总体影响较为显著；随着截面直径增大，剩余承载力不断增加，但增长速率渐趋缓慢；基体混凝土强度和配筋率的增大提高了试件剩余承载力。

(2)升温时间、截面直径、基体混凝土强度、含钢率和配筋率对火灾后圆钢管约束钢筋再生混凝土短柱的轴压刚度有不同程度的影响。随着升温时间的增加，试件的轴压刚度下降由较快变为缓慢，总体影响较大；随着截面直径的增加，试件轴压刚度不断增加，增长速率渐趋缓慢；基体混凝土强度、含钢率和配筋率的增加增大了试件的轴压刚度。

(3)在工程常用范围内，提出了火灾后该种类型试件的剩余承载力和轴压刚度简化计算公式。

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Mechanical behavior of circular tubed reinforced recycled aggregate concrete stub columns after exposure to fire

WANG Weiwei, REN Qingju, LV Xuetao, MI Zhenwei
(College of Engineering and Architecture, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

To study the residual bearing capacity and axial stiffness of circular tubed reinforced recycled aggregate concrete(CTRAC) stub columns after exposure to fire, a finite element (FE) model was developed with the program ABAQUS, based on the thermal and mechanical properties of materials. The reliability of the FE model was validated by the good agreement between the theoretical results and the experimental data. The residual bearing capacity and axial stiffness of the CTRAC columns were analyzed based on the FE model, and the parameters investigated include fire exposure time, diameter of cross section, material strengths, recycled aggregate replacement percentage, steel ratio and reinforcement ratio. The study reveals that the fire exposure time and diameter of cross section have noticeable influences on the residual capacity and axial stiffness; simplified formulas were proposed for predicting the residual capacity and axial stiffness of CTRAC columns after fire, which may be a reference for this kind of columns used in practical engineering.

Post fire; Circular tubed reinforced recycled aggregate concrete; Stub columns; Residual capacity; Axial stiffness

2016-04-27；修改日期：2016-06-26

国家自然科学基金项目(51208246)；辽宁省教育厅一般项目(LJYL033)。

王微微(1980-)，女，讲师，博士生，主要从事钢-混凝土组合结构耐火性能研究。

吕学涛，E-mail:lxtwww30@sina.com

1004-5309(2017)-0054-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.01.08

X93; X932

A