钢板加固受火后混凝土梁力学性能分析

段文峰，卞 博

吉林建筑大学 土木工程学院,长春 130118

近几年高层建筑火灾频发,据公安消防局统计,近十年来我国高层建筑共发生火灾3.1万起,除倒塌建筑外,其余没有倒塌的建筑结构在保证安全的前提下对其加固后仍可进行使用.而粘钢加固法在近几年因施工简单、周期短、不影响结构外形等优点得到了广泛应用.目前很多学者对常温钢筋混凝土结构构件加固的研究日渐增多,高轩能等[1]人对33根RC梁进行了试验,对比分析了粘钢位置、钢板宽厚比等因素对RC梁的挠度、开裂荷载、极限荷载的影响,并在试验的基础上提出了粘钢加固RC梁协同工作系数以及抗弯承载力和挠度的计算公式,为实际工程操作提供了依据.吴建国[2]进行了一系列粘钢加固混凝土梁抗弯试验,研究了分别采用厚钢板和高强钢板加固时钢筋混凝土梁的受力性能,研究结果表明,在保证良好协同工作的前提下,采用厚钢板或高强钢板加固与普通钢板加固并无区别.于本田等[3]人通过对正常混凝土梁和钢板加固后混凝土梁进行静载破坏试验,研究结果表明,粘钢加固后的混凝土梁抗弯性能有较大程度的提升.段文峰等[4]人在前人研究的基础上总结归纳了影响钢板加固混凝土梁剥离破坏的因素并进行了详细分析.但目前鲜有钢板加固受火后钢筋混凝土梁的研究.高温后加固试验需要耗费较大的人力、物力、财力,本文采用有限元分析软件对影响钢板加固受火后混凝土梁的相关因素展开讨论.

1 温度场模拟模型

1.1 材料的热工参数

材料热工参数是温度场模拟过程中必备的,进行温度场计算时,采用不同的材料热工参数,得到的温度场分析结果就会不同,所以合理的选择材料的热工参数显得尤为重要,本文采用文献[5]提出的热工参数计算公式.

1.2 升温曲线

由于火灾的发生与发展过程具有较大的不确定性,很多国家相继制订了各自标准的火灾温度-时间曲线作为建筑构件抗火试验的依据.本文中采用了应用较为广泛的ISO-834国际标准组制定的温度-时间曲线[6]模拟火灾后混凝土梁的温度场,其曲线方程如下：

T=T0+345 lg(8t+1)

(1)

式中,t为升温时间,min;T0为初始环境温度,℃ ;本文模拟取20 ℃.

1.3 建立温度场模拟模型

混凝土采用DC3D8热传递单元,钢筋采用DC1D2两节点传热单元,不考虑混凝土与钢筋之间的热阻,用“tie”约束混凝土单元和钢筋单元节点的温度.模拟时假定梁为三面受火,既梁的底面与沿长度方向的两侧面为受火面,其余面为未受火面,构件的受火面一般按照第3类边界条件设定,构件的未受火面则可看成第1类边界假定.

2 受火后混凝土梁力学性能分析模型

2.1 受火后混凝土和钢筋的本构关系

考虑到混凝土性能受受火时间以及混凝土强度等因素的影响,所以本文采用文献[7]提出的高温后混凝土抗压应力-应变曲线表达式以及受火后混凝土轴心抗压强度、弹性模量、峰值应变的经验公式.

受火后混凝土抗压应力-应变曲线如下：

(2)

式中,y=σc/fc(T),x=εc/ε0(T),σc为受火后混凝土压应力,N/mm2;εc为受火后混凝土压应变;fcu为常温状态混凝土立方体抗压强度,N/mm2.

(3)

(4)

ε0(T)={1+3.7×10-2[(T-20)/100]2}ε0

(5)

式中,fc(T)为受火后混凝土轴心抗压强度,N/mm2;fc为常温状态下混凝土轴心抗压强度,N/mm2;Ec(T)为受火后混凝土弹性模量,N/mm2;Ec为常温状态混凝土的弹性模量,N/mm2;ε0(T)为受火后混凝土受压峰值应变;ε0为常温状态混凝土受压峰值应变.

受火后混凝土抗拉强度根据文献[8]的研究成果进行取值,其表达式如下：

(6)

式中,ft(T)为受火T℃后混凝土的抗拉强度,N/mm2;T为受火后梁的温度,℃.

钢筋受火后弹性模量Es(T)的表达式取自文献[5],屈服强度fy(T)则根据钢筋的等级分别取自文献[9]和文献[10].

2.2 受火后混凝土梁模型的建立

混凝土采用C3D8R,八节点六面体线性减缩积分单元,钢筋采用T3D2两节点线性三维桁架单元.钢筋骨架与混凝土之间采用“嵌入区域”的约束方式来保证钢筋与混凝土之间变形的协调.为防止模型因应力集中而不收敛,分别在两端和加载点处设置刚性垫块,垫块与混凝土之间采用“tie”进行约束.为保证温度场分析模型结果能被正确导入力学性能分析模型,网格划分大小应与温度场分析模型保持一致.

2.3 承载力验证

本文选取文献[11]中的L 5梁进行对比验证,L 5梁的截面尺寸为b×h=250 mm×400 mm,受火时间为60 min,具体配筋详图及加载方式见文献[11].采用文献[5]提出的热工参数进行温度场模拟,再将温度场分析结果导入到力学分析模型中,力学分析模型的相关参数则依据受火后混凝土和钢筋的本构关系进行取值,进而可得到L 5梁的荷载-挠度曲线.图1为采用有限元分析软件和试验得到的荷载-挠度曲线,模拟结果与实验结果能较好吻合,证明了受火后混凝土梁有限元分析的可行性.

图1 模拟验证Fig.1 Simulation verification

图2 双线性本构模型Fig.2 Double linear constitutive model

3 钢板加固受火后混凝土梁力学性能分析模型

传统的有限元钢板加固性能分析模型往往假定钢板与混凝土之间没有粘结滑移,两者可协同作用[12],高估了结构构件的抗弯性能.本文则考虑了钢板与混凝土之间的粘结滑移,采用内聚力单元模拟钢板与混凝土界面之间的胶层,钢板与粘接层的本构关系如下：

3.1 钢板本构关系

钢板的本构关系采用理想弹塑性模型[13],其表达式如下：

(7)

式中,σ为钢板应力,N/mm2;ε为钢板应变;ε0为屈服应变;fy为屈服应力,N/mm2;E0为初始弹性模量,N/mm2.

3.2 粘接层本构关系

粘接层采用双线性本构模型,如图2所示.在材料达到损伤起始应力tmax之前处于线弹性阶段(点1到点2),其斜率K为罚刚度.之后为以线性进行软化的刚度降低段(点2到点3),δ0为损伤起始位移,δf为损伤失效位移,d为当δ处于δ0与δf之间时定义的损伤因子,其取值范围从0(损伤起始)到1(损伤失效)逐渐增加.法向断裂能释放率按图中三角形所围成的面积计算即可,切向断裂能释放率的计算公式取自文献[14].其中，粘结剂采用型号为ESA的高性能建筑结构胶,厂家提供的胶层材料具体性能参数见表1.

表1 粘结剂性能Table 1 Mechanical properties of binder

3.3 钢板加固受火后混凝土梁模型的建立

为防止钢板剥离脱落,可在钢板两端加贴U形箍板[15],构件加固需要在图3所示的3种界面涂抹胶层,界面1为U形箍板与钢板之间的黏结界面,界面2为钢板与混凝土黏结界面,界面3为U形箍板与混凝土黏结界面,在模拟时3个界面均采用内聚力单元进行模拟.内聚力单元的损伤起始准则采用二次名义应力准则,损伤扩展准则采用基于能量的形式.胶结层采用“扫掠”的网格划分方式沿胶层的厚度方向进行划分,同时为保证模型具有较好收敛性,胶层与钢板和混凝土接触面的网格划分应保持一致.有限元模型如图4所示.

图3 加固梁界面模型Fig.3 Interface model of strengthened beam

图4 有限元模型Fig.4 Finite element model

4 钢板加固受火后混凝土梁影响因素分析

4.1 试验梁模型

钢筋混凝土梁截面尺寸为b×h=180 mm×250 mm,跨度L=2 000 mm,计算跨度为1 800 mm,混凝土等级为C30,混凝土保护层厚度为20 mm;在梁底部配置两根直径为14 mm的受拉筋,受压钢筋直径为10 mm;箍筋直径为8 mm,加密区箍筋间距100 mm,非加密区箍筋间距150 mm,以上所用钢筋均为HRB400,三面受火.配筋详图及尺寸如图5所示.

图5 试验梁尺寸及截面配筋Fig.5 Dimension and reinforcement of RC beams

受火后混凝土梁通过在底部粘结型号为Q 235的钢板进行加固,钢板宽度为180 mm,厚度为2 mm.为保证加固梁不发生剥离破坏,在钢板两端各设置1道U型钢板箍进行锚固,宽度为90 mm,厚度为2 mm.以粘结钢板长度为1.5 m的加固梁为例,其加固情况如图6所示.

图6 试验梁钢板加固示意图Fig.6 Steel plate reinforcement diagram

通过改变受火时间、粘接层厚度、钢板长度来研究构件抗弯承载力的变化,有限元分析构件的设计参数见表2.

表2 构件参数Table 2 Specimen parameter

4.2 温度场模拟结果

图7为受火时间为60 min,90 min,120 min对应的温度云图,通过图像可以看出,当混凝土梁三面受火时,截面的温度呈层状由受火面向内部逐渐降低,等温线呈U形分布.随着受火时间的增加,混凝土温度逐渐升高,但增长趋势逐渐缓慢.

(a) 受火60 min (b) 受火90 min (c) 受火120 min图7 梁界面温度分布(单位:℃)Fig.7 Beam-section temperature distribution(Unit:℃)

4.3 影响因素分析

4.3.1 受火时间

图8为不同受火时间下构件的荷载-跨中挠度曲线,从图8中可以看出受火时间对构件的抗弯承载力有较大的影响,随着受火时间的增加,构件的刚度、屈服荷载降低,且受火时间越长,构件的剩余承载力降低越明显.

4.3.2 胶层厚度

图9为不同胶层厚度构件的荷载-跨中挠度曲线,由模拟结果可知，随着胶层厚度的增加,构件的刚度只发生了微小的变化,3条曲线几乎重合在一起,究其原因是胶层的弹性模量较小,因此对构件刚度的增长几乎没有影响.

4.3.3 钢板长度

图10为保证其他影响因素一致,对粘结不同钢板长度构件模拟得到的荷载-跨中挠度曲线,加固构件随着钢板长度的增加,其抗弯承载力也产生不同程度的增加,但增加幅度逐渐缓慢.在实际工程中,粘结钢板长度过长对构件的抗弯承载力提升不大且会造成不必要的资源浪费,故在加固过程中保证有效的粘结长度既可.

图8 不同受火时间Fig.8 Different fire time 图9 不同胶层厚度Fig.9 Different thickness of adhesive layer 图10 不同钢板长度Fig.10 Different steel plate lengths

5 结论

(1) 受火后混凝土梁截面温度由外向内逐层递减,且截面温度随着受火时间的增加而增加,但增长趋势逐渐变缓.

(2) 本文建立了钢板加固受火后混凝土梁力学性能分析模型,模型分析过程结合有限元软件ABAQUS的热分析和力学分析,设置粘结单元模拟钢板与混凝土之间的界面,通过对受火构件荷载-挠度曲线的研究可以得出，随受火时间的增加,构件的抗弯性能产生降低.

(3) 增加钢板长度可以提高构件的抗弯承载力,但提高幅度逐渐缓慢;胶结层厚度对构件的抗弯承载力几乎没有影响,在实际工程中,胶层涂抹厚度适度即可.