钢筋混凝土连续梁火灾后抗剪性能有限元分析

王璐，尤志国，杨志年

(1.华北理工大学 建筑工程学院， 河北 唐山 063210； 2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

0 引言

随着建筑物的高度增加和结构的复杂化，火灾安全隐患增加。火灾的频繁发生给人类带来严重危害。经过火高温燃烧，建筑结构材料出现损伤，力学性能出现一定程度下降。钢筋混凝土(Reinforced Concrete，简称RC)梁承载板和次梁传递来的荷载，同时梁与柱互相连接使结构整体性较好，抵抗外荷载的性能得到改善。对于日常工程而言多选取的梁类型为连续梁。火灾发生时，钢筋混凝土连续梁处在火场上部，受火温度较高，材料损伤越严重，构件力学性能降低。结构承载力的大小和连续梁受火后力学性能的变化息息相关，需要对该构件的力学性能进行研究。当前，高温受火后RC梁力学性能方面的成果大都集中在受弯，对于抗剪方面成果相对较少。现有的火后梁力学性能研究多集中在简支梁。而连续梁具有正负弯矩和反弯点，在受力方面比简支梁要相对复杂一些。该项研究利用ABAQUS软件，结合ISO-834国际标准升降温曲线，模拟连续梁不同配箍率(通过改变箍筋直径和间距)、升温时间和剪跨比影响下抗剪性能变化规律，为高温后既有建筑结构检验和加固奠定基础。

1 模型设计

连续梁按照现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)要求，每跨净距均为2.0 m，混凝土强度为C30。纵向钢筋强度选取HRB400，箍筋强度选择HPB300。增加RC连续梁试件配筋率以确保其具有足够的抗弯能力来使连续梁产生受剪破坏。图1所示为梁截面尺寸及钢筋分布图。不同参数下模拟梁的编号如表1所示。

表1 两跨梁参数设计

图1 梁截面与配筋图

2 结果分析

2.1 温度场分析

图2是升温时间为90 min条件下钢筋混凝土梁在升降温过程中不同时间节点(30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min)对应的截面温度云图。

图2 模型不同时间节点温度切片云图

由图2可知：当RC梁左面、右面和底面三部分受火时，温度沿着横向截面呈U形对称分布；当梁处于高温环境时，因为混凝土自身热惰性的影响，越靠近受火面温度增加越快，受火面周围温度与梁的内核部位形成梯度差异，随着距受火面从近到远发生变化，温度梯度的疏密程度也会从密变疏，说明在实际工程当中，一定范围混凝土保护层厚度起到减缓建筑遭受高温影响程度的作用；当梁降温时，受火面周围温度开始降低，由于材料的滞后性，梁内部仍处于升温状态，进一步对构件产生破坏。

2.2 不同工况的影响

2.2.1 配箍率的影响

在常温下，箍筋在钢筋混凝土梁内与纵筋形成钢筋网，提高了结构的受压区与受拉区域的整体性，减缓已有裂缝的延伸扩展，增强其抗剪承载力。经过高温冷却后，箍筋同样影响梁的剩余承载力，不同配箍率对其影响也存在差异。根据配箍率ρsv=Asv/bs，依次调整箍筋的直径(6 mm、8 mm、10 mm)和间距(100 mm、200 mm、300 mm)模拟了配箍率分别为0.126%、0.188%、0.335%、0.377%和0.524%时其抗剪性能。梁的编号见表2。

图3所示为配箍率对双跨梁荷载挠度关系曲线影响。由图3可知：在其他条件相同的情况下，双跨梁的跨中荷载-挠度曲线的走势基本一致，当承载力达到屈服状态时，荷载不变，挠度继续增加。对比GL-1、DL-1、DL-2、DL-3、DL-4的曲线形状发现，构件加载初始阶段，梁发生弹性变形，加载力和位移大致呈线性增长，当DL-4位移达到9 mm，其他4根梁挠度在5～8 mm左右时梁达到屈服荷载。

表2 各配箍率影响下两跨梁编号

火灾后受损伤的纵筋和箍筋有所恢复，和斜裂缝相交部位的箍筋承担起卸荷混凝土之前所受的拉力，缓解了梁受剪损伤程度，使该阶段梁拥有一部分延性。DL-4与其它梁的曲线形状存在差异，可能由于配箍率偏小，高温冷却后梁在荷载作用下产生斜裂缝使得箍筋所受应力急剧增大。

图3 配箍率对双跨梁荷载挠度关系曲线影响

2.2.2 剪跨比的影响

在常温下，剪跨比λ在影响RC梁抗剪性能起关键作用，剪跨比λ﹤1时，出现受压破坏，1≤λ≤3时，出现剪压破坏，λ>3时，出现斜拉破坏。在抗剪承载力大小方面，斜压破坏所能承受的最大，而斜拉破坏最小。从脆性破坏方面来说，斜拉破坏时脆性最严重，剪压破坏最小。随着λ增加梁依照斜压、剪压、斜拉顺序发生转变，使得抗剪承载力出现下降。为了解高温作用后梁抗剪性能变化趋势与常温是否一致，分别选择λ分别是1.5(DL-12)、2(GL-1)、2.5(DL-9)和3(DL-11)的双跨梁进行高温后梁的抗剪性能分析。梁的编号见表3。

表3 各剪跨比影响下两跨梁编号

图4所示为剪跨比λ作用下双跨梁荷载-挠度关系曲线。由图4可知：若配箍率、保护层厚度与受火工况不发生改变，双跨梁GL-1、DL-9、DL-11和DL-12的荷载-挠度曲线的增长趋势一致，即当构件达到屈服状态，荷载变化幅度逐渐趋于平缓，但其挠度变化越大。观察分析四根梁的荷载-挠度曲线形状发现，在对高温冷却后两跨梁加载的初始阶段，梁处于弹性阶段，挠度随着荷载的提高而线性增加。通过对上述梁发现：由于剪跨比λ增加，构件两加载点间位移有明显区别。当GL-1挠度达到6.57 mm，DL-9挠度为9.23 mm，DL-11挠度为5.57 mm，DL-12挠度达到9.85 mm时梁达到屈服荷载。由于梁的破坏与混凝土裂缝有关，剪跨比越小，梁腹部开始出现斜裂缝，使得DL-11的拐点较其他3根梁要明显。由于λ增加，梁剩余承载力下降。

图4 剪跨比作用下双跨梁荷载-挠度关系曲线

2.2.3 受火时间的影响

高温作用下，RC梁材料性能遭致影响出现劣化。受火冷却到常温时，钢筋的强度有所恢复，而混凝土保持不变。则影响钢筋混凝土梁剩余承载力大小的关键性因素为受压区混凝土。为研究不同高温作用时间下混凝土损伤程度以及梁剩余抗剪性能，按照国际标准升降温曲线(ISO834)建立升温时长为30 min、60 min和90 min、120 min梁的温度场模型，并将其导入静力学模型模拟双跨梁受火后性能变化规律。梁的编号见表4。

表4 各受火时间影响下两跨梁编号

图5所示为升温时长对双跨梁荷载-挠度关系曲线影响。由图5知：在受火工况、剪跨比、保护层厚度、配箍率相同的条件下，双跨梁的变化趋势大致相同。对照DL-7、DL-8、DL-13和GL-1的曲线形状发现，对双跨梁高温后初步施加荷载，梁出现弹性变形，挠度和剩余承载力大致为线性变化。通过对比以上四根梁发现：由于受火时间较短，受火后梁的劣化程度并不大，DL-7和DL-8的曲线在弹性阶段较接近；当升温时间达到90 min，曲线弹性阶段刚度出现较明显下降。当GL-1挠度在6.57 mm，DL-7和DL-8挠度在5 mm左右，DL-13挠度为8.8 mm时梁达到屈服荷载。根据上述对比发现，当升温时间小于90 min时，构件刚度变化幅度并不大，若升温时长在90 min时，梁的受火温度越高，材料损伤较明显，构件刚度降低，梁的抗剪性能下降。

图5 升温时长对双跨梁荷载-挠度关系曲线影响

2.3 简支梁与双跨梁对比分析

作为超静定结构，当连续梁处于常温状态时，其承载力达到屈服弯矩的情况下塑性铰出现，对梁进行内力重分布。与常温条件不同的是，当梁处在高温恒载的条件下，材料受热不均匀导致温度差出现，使材料出现劣化，截面刚度降低，出现温度膨胀，使梁的内力重分布发生在塑性铰出现之前并一直存在于构件升温全过程。同常温下连续梁这种重分布相比，升温状态下的塑性铰会结合温度的变化进行改变，内力分布要更复杂。图6所示为 GJ-4和GL-4荷载-挠度曲线对比分析。

图6 GJ-4和GL-4荷载-挠度曲线对比分析

简支梁和双跨梁的荷载挠度关系曲线的变化趋势大体相似。虽然连续梁和简支梁在火后受剪破坏属于脆性破坏，但是，简支梁的拐点要比连续梁稍明显一些，因此高温后连续梁受剪破坏的延性要大于简支梁。

3 结论

(1)梁左、右、底面受火时，温度沿着横向截面呈U形对称分布；梁高温受火时，因为混凝土自身热惰性的影响，越靠近受火面部位温度提升越快，梁的内核位置处温度较受火面附近整体偏低。

(2)若配箍率按照0.126%→0.188%→0.335%→0.377%→0.524%增加时，剩余承载力增加，表明合理范围内增大配箍率可以改善RC梁剩余抗剪性能。

(3)剪跨比λ增加，荷载作用处至梁端长度变大，该位置最大弯矩降低，其剩余承载力下降，因此，合理界限内降低RC连续梁剪跨比，可提高其抗剪性能。

(4)若连续梁其他受火工况不变，仅改变其受火时间，梁的抗剪性能发生变化。若受火时间在90 min内，连续梁的剩余承载力变化程度较小，若升温时长达到90 min，梁的整体温度增高，抗剪承载力下降颇明显。