升降温全过程钢筋混凝土截面刚度和抗压强度研究
2018-11-19卢锦钟
卢锦钟
(佛山科学技术学院交通与土木建筑学院,广东佛山528000)
随着我国经济社会的高速发展,易燃装修材料的大量普及以及电器、燃气的广泛应用,引发的建筑火灾也越来越多,造成大量的人员伤亡和经济损失。一般情况下,建筑结构在火灾过程中较少发生整体坍塌,而只是产生一定的火灾损伤,火灾后经加固修复后仍可继续服役。火灾后钢筋混凝土的剩余刚度及抗压强度是灾后结构安全评估的重要内容,它的准确评估是灾后加固修复的重要基础。
目前有关火灾后混凝土结构的力学性能研究已有不少文献报道,在试验方面,吴波[1-3]等通过对高温后钢筋混凝土柱的周期性往复加载试验等进行了高温后钢筋混凝土柱的抗震性能研究;王全凤等[4]以HRBF500级钢筋混凝土梁为研究对象进行了常温下和受火后钢筋混凝土梁的力学性能试验。在数值计算方面,徐玉野[5]利用自编分析程序对ISO834标准火灾作用后钢筋混凝土柱的剩余承载性能及方形柱剩余承载力的实用计算方法进行了研究;朱建明等[6]基于等效弹性模量法、改进分段模型法以及参数反演法等计算了标准火灾作用后混凝土构件的剩余刚度。需要指出的是,在火灾后混凝土结构的力学性能计算分析中,目前关于混凝土截面的温度场大多只是采用升降温曲线的升温段计算得到,并没有考虑升降温全过程作用下混凝土截面各点经历的最高温度。由于在火灾降温初期,混凝土截面温度场仍存在温度梯度,截面大部分区域温度仍会继续升高而后才逐渐下降。因此,只考虑火灾升温段下混凝土截面的温度场并不能反映混凝土经历的最高温度,以此为基础分析火灾后混凝土的力学性能结果也偏向不安全。
因此,为更准确合理地评估混凝土结构火灾后的力学性能,本文拟利用钢筋混凝土截面在升降温全过程所经历的最高温度分布,计算高温后钢筋混凝土截面的初始轴向刚度、抗弯刚度及抗压强度,并与以火灾升温段下温度场的计算结果作对比分析,探讨两者计算结果的差别。
1 计算程序验证
以文献[7]中所用的温度场分析程序FIRES为基础,对其稍作修改以用于混凝土截面温度场的升降温全过程分析。
利用程序FIRES对文献[8]的三面受火混凝土梁升降温全过程的温度场进行数值模拟,试验过程中升降温曲线如图1所示,梁截面尺寸、受火面及测点布置如图2所示。
图1 实测炉温与ISO834标准升温曲线的对比
图2 梁截面尺寸及温度测点(单位:mm)
图3所示为混凝土梁截面内3个测点的温度计算结果与试验结果的对比,从图中可以看出,温度计算结果与试验结果总体吻合较好,说明本文程序FIRES可用于混凝土构件的升降温全过程温度场分析。
图3 温度场计算结果与实测结果的对比
2 混凝土截面升降温全过程温度场分析
基于上述温度场分析程序FIRES,本文对400 mm×400 mm的混凝土方形截面进行三面受火升降温全过程的温度场分析,研究其截面各点经历的最高温度分布情况。
本算例所用的升降温曲线采取ISO834标准升温曲线,如图4所示。图中各斜直线对应于不同升降温临界时刻下的降温段。该标准升降温曲线表达式如下[9]:
其中t为火灾发生后的时间,min;th为升温段持续时间,min。
图5分别给出了升温120 min降温240 min全过程的最高温度分布图和在升-降温临界时刻120 min时的截面温度场。从图5可以看出,越接近截面受火边界,两者的温度差别越小;截面内某些区域在升降温全过程的最高温度比升-降临界温时刻120 min时截面温度大很多,如图5b中的200℃等温线位置,对应于图5a约为400℃等温线位置,两者温度相差达200℃。
图4 ISO834标准升温曲线
图5 升温120 min后降温240 min混凝土截面温度情况图
为更清楚地了解升降温全程各点经历最高温度与升-降温临界时刻截面温度的相差值,图6分别给出了三面、四面受火情况下升温120 min降温240 min全过程各点经历最高温度与升-降温临界时刻120 min时截面温度的差值等值线图。
图6 升降温全程各点经历最高温度与升-降温临界时刻120 min时截面温度的差值等值线图
从图6中可以看出:1)三面受火时,最大温差等值线位于截面中心下方约50 mm处,温差可达240℃;2)四面受火时,最大温差等值线位于截面中心处,温差可达280℃;3)受火面附近20 mm区域,温度差值不大,远离受火面,温度差值逐渐增大。
3 高温后钢筋混凝土截面的刚度及抗压强度
目前有关高温后混凝土结构的损伤评估及力学性能分析所采用的截面温度场均是以升降温曲线中的升温段计算得到,并没有考虑在降温段混凝土温度仍继续上升的情况。由上述分析可知,只考虑火灾升温段下混凝土材料的温度场并不能反映混凝土经历的最高温度,以此为基础分析火灾后混凝土的力学性能结果也偏向不安全。因此,本文拟依据混凝土材料经历的最高温度,分析高温后混凝土截面的初始轴向刚度、初始抗弯刚度及抗压强度,并与以升-降温临界时刻温度场为基础的计算结果对比,分析两者计算结果的差别大小。
图7 截面计算示意图
根据图7所示高温后钢筋混凝土截面的计算示意图,可写出高温后钢筋混凝土截面的初始轴向刚度
高温后钢筋混凝土截面的初始抗弯刚度
高温后钢筋混凝土截面的轴向抗压强度
以钢筋混凝土方形截面为例,截面边长分别为300 mm、400 mm和500 mm,截面对称配筋,全截面配筋率为2.1%,混凝土净保护层厚度取30 mm,混凝土抗压强度fc=300 MPa,钢筋屈服强度fy=375 MPa。算例采用如图4所示的ISO834标准升降温曲线,火灾升-降温临界时刻分别为60 min、90 min、120 min和180 min,升降温全程总时间为8 h。高温后混凝土和钢筋的弹性模量、抗压强度等参数取自文献[10]。
图8~10分别为对应不同升-降温临界时刻(即图中横坐标所示的火灾开始降温时刻)下的高温后钢筋混凝土截面的轴向刚度比(高温后轴向刚度/常温轴向刚度)、抗弯刚度比(高温后抗弯刚度/常温抗弯刚度)和抗压强度比(高温后抗压强度/常温抗压强度),图中实心和空心标记分别对应依据升降温全程经历的最高温度、升-降温临界时刻截面温度场的计算结果。从图中可以看出:
(1)随着升-降温临界时刻的增大,高温后钢筋混凝土截面的轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比均逐渐减小;对应同一升-降温临界时刻,四面受火的高温后轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比均比三面受火的小。
(2)同一升-降温临界时刻对应的高温后轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比随着钢筋混凝土截面尺寸的减小而减小。这主要是由于截面尺寸小时,截面内温度较高导致材料劣化更为严重所致。
(3)图中实心标记与相应空心标记的纵坐标差异显示,以升降温全程的最高温度分布图所计算所得的轴向刚度、抗弯刚度和抗压强度,均明显小于依据升-降温临界时刻截面温度场的计算结果。为对比两种计算结果的差别,图11给出了三面受火情况下两者的相差比率,其中相差比率=(升-降温临界时刻温度场的计算结果—最高温度分布的计算结果)/最高温度分布的计算结果。
图8 以升降温全程经历的最高温度、升-降温临界时刻温度场所计算的高温后轴向刚度比
图9 以升降温全程经历的最高温度、升-降温临界时刻温度场所计算的高温后抗弯刚度比
图10 以升降温全程经历的最高温度、升-降温临界时刻温度场所计算的高温后抗压强度比
从图11可以看出:随着升-降温临界时刻的增加,相差比率均先增加而后逐渐平缓甚至下降;3种情况的相差比率均在10%以上。从总体上看,轴向刚度比的相差比率较大,最大可达35%;抗弯刚度比的相差比率次之,最大相差比率接近20%;而抗压强度比的相差比率相对较小,最大约17%。
从以上分析中可知,在火灾环境降温阶段,混凝土截面大部分区域温度继续上升会导致截面力学性能的进一步降低,且这种后续升温的影响不容忽视。部分学者在评估高温后钢筋混凝土的损伤时,以升-降温临界时刻截面的温度场作为混凝土截面经历的最高温度,其计算结果是偏向不安全的。因此,建议对高温后钢筋混凝土结构的损伤评估,应依据升降温全程混凝土截面各点经历的最高温度进行计算。
图11 以升降温全程经历的最高温度、升-降温临界时刻温度场所计算的结果相差比率
4 结论
火灾后钢筋混凝土的轴向刚度、抗弯刚度及抗压强度是灾后结构安全评估的重要内容,它的准确评估是灾后加固修复的重要基础。而混凝土截面在升降温全过程中所经历的最高温度是混凝土结构火灾后损伤评估计算的依据。本文通过试验数据验证温度场分析程序正确性的基础上,依据升降温全程混凝土截面各点经历的最高温度分布,分析了高温后钢筋混凝土截面的轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比,并与依据升-降温临界时刻截面温度场的计算结果作对比,初步得到如下结论:
(1)随着升-降温临界时刻的增大,高温后钢筋混凝土截面的轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比均逐渐减小;对应同一升-降温临界时刻,四面受火的高温后轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比均比三面受火的小。
(2)同一升-降温临界时刻对应的高温后轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比随着钢筋混凝土截面尺寸的减小而减小。
(3)依据升降温全程的最高温度分布图计算所得的轴向刚度比、抗弯刚度比和抗压强度比,均明显小于依据升-降温临界时刻截面温度场的计算结果。建议对高温后钢筋混凝土结构的损伤评估,应依据升降温全程混凝土截面各点经历的最高温度进行计算。