增大截面法加固RC柱耐火性能有限元分析

2021-06-24许兆友张之骁

辽宁工业大学学报(自然科学版) 2021年3期

温凯，刘猛，许兆友，张之骁

（辽宁工业大学土木建筑工程学院，辽宁锦州 121001）

增大截面法加固是加固行业应用最早的加固方法，通过增加构件的截面面积和配筋来提高构件的承载能力和整体刚度。随着加固构件越来越多，有必要对其耐火性能进行研究。

目前已有部分学者对钢筋混凝土加固柱的耐火性能进行了研究，其中赵英杰[1]通过试验和有限元的方法对钢管-碳纤维复合加固钢筋混凝土柱的抗火性能进行研究，验证了该加固方法的可靠性，并提出了该复合加固钢筋混凝土柱在火灾作用下的极限承载力计算公式；张翔等[2]采用ABAQUS软件建立了外包钢加固钢筋混凝土柱有限元分析模型，讨论了轴压比、偏心率、荷载比以及承载力提高系数对加固柱抗火性能的影响，结果表明，随着轴压比、荷载比和偏心率的增加，加固柱的耐火极限减小，增加承载力提高系数对轴心受压柱耐火极限影响很小，对偏心受压柱的耐火极限影响较大，但影响幅度有限；曲正[3]在考虑二次受力的基础上采用ABAQUS 软件建立了外包钢加固钢筋混凝土柱有限元模型，讨论了不同荷载比、偏心率、配筋率和角钢尺寸对二次受力下外包钢加固钢筋混凝土柱抗火性能的影响并提出有关抗火设计建议。在火灾作用下，钢材表面的砂浆保护层极易脱落，且钢材的耐高温性能较差，当温度达到400 ℃以后，钢材的强度和弹性模量急剧下降，因此钢加固钢筋混凝土柱在火灾下的危险性较高。

增大截面法加固方法不仅耐久性高，还能够改变加固结构的自振频率，而且目前关于增大截面法加固钢筋混凝土柱耐火性能的研究较少，为此，本文采用ABAQUS 有限元软件建立增大截面法加固钢筋混凝土柱温度场和耐火极限分析有限元模型，对不同参数影响下加固柱的耐火极限进行分析。

1 有限元模型的建立与验证

1.1 模型建立

在ABAQUS 中建立增大截面法加固钢筋混凝土柱有限元模型时，钢筋及混凝土的热工参数均按照Lie 等[4]提出的公式计算，力学性能参数中混凝土的应力-应变关系、抗压强度以及钢筋的屈服强度均按照清华大学过镇海等[5]提出的公式计算，钢筋的弹性模量按照欧洲规范EC3[6]提出的公式计算，混凝土的弹性模量按照文献[7]提出的公式计算。在进行温度场分析时，钢筋的单元类型为DC1D2，混凝土的单元类型为DC3D8，在进行耐火极限分析时，钢筋的单元类型为T3D2，混凝土的单元类型为C3D8R。耐火极限模型的网格划分需与温度场模型保持一致，以便能够正确读入节点温度数据。

增大截面法加固钢筋混凝土柱有限元模型如图1 所示。

图1 有限元模型图

1.2 模型验证

利用ABAQUS 软件对文献[8]中标号为NC1 的钢筋混凝土柱进行耐火性能模拟，以此来验证上述模型的正确性。试件NC1 长2 400 mm，截面尺寸为200 mm×300 mm，竖向荷载为784 kN，混凝土采用C30 商品混凝土，养护28 d 实测混凝土立方体抗压强度为34.3 MPa，混凝土保护层厚度为30 mm，柱内纵筋和箍筋均采用HRB400 钢筋，屈服强度、抗拉强度分别为430、587 MPa，弹性模量为2.0×105MPa。柱四面受火，火灾升温曲线采用ISO-834 标准升温曲线。柱中热电偶布置在柱高1/2 和1/4 处，布置情况见图2。

图2 柱内热电偶布置

图3 为钢筋混凝土柱内部距表面50 mm处混凝土温度试验模拟对比情况，图4 为柱顶轴向位移随受火时间变化的试验模拟对比情况。通过对比可以发现，二者差距较小，所以本文有限元参数选取和模型建立是正确的。

图3 温度场对比

图4 柱顶轴向位移对比

2 加固柱参数设计

2.1 基本参数

加固前钢筋混凝土柱长L为3 000 mm，截面尺寸为400 mm×400 mm，混凝土抗压强度为32.8 MPa，纵筋为4φ25 钢筋，中部箍筋为φ8@200，端部箍筋为φ8@100，纵筋的屈服强度为349.7 MPa，抗拉强度为536.5 MPa；箍筋的屈服强度为370.0 MPa，抗拉强度为464.5 MPa。加固层所用混凝土抗压强度为30 MPa，加固混凝土厚度为30 mm。

2.2 耐火极限判定标准

根据GB/T 9978—1999《建筑构件耐火试验方法》中的规定，当柱构件轴向变形大于h/100(mm)或轴向变形速率大于3h/1 000(mm/min)时，柱构件失去稳定性达到其耐火极限。h为柱构件耐火试验时的初始受火高度，mm。

3 增大截面法加固钢筋混凝土柱耐火性能分析

3.1 轴压比对耐火极限的影响

图5 为钢筋混凝土加固柱耐火极限在不同轴压比下的变化规律。由图5 可以看出，轴压比对加固柱耐火极限的影响较为显著，轴压比越大，耐火极限越短，这是因为轴压比变大，柱顶竖向荷载变大，柱受火后高温膨胀变形越不明显，随着温度升高，钢筋和混凝土材料性能下降越快，柱竖向变形就越大，达到耐火极限的时间就更早。因此减小轴压比，有利于提高柱的耐火极限。

图5 轴压比对耐火性能的影响

3.2 配筋率对耐火极限的影响

图6 为钢筋混凝土加固柱耐火极限在不同配筋率下的变化规律。由图6 可以看出，加固柱的耐火极限随着柱截面配筋率的提高逐渐增加，但增加幅度有限，这是因为提高柱的截面配筋率，只能较小幅度等地提高柱截面极限承载力，且在受火初期，不同配筋率的加固柱的轴向位移基本相同。所以配筋率对加固柱耐火极限的影响较小。

图6 配筋率对耐火极限的影响

3.3 加固层厚度对耐火极限的影响

图7 为钢筋混凝土加固柱耐火极限在不同加固层厚度下的变化规律。由图7 可以看出，加固层厚度对加固柱耐火极限的影响较大，加固层越厚，柱的耐火时间越长，这是因为随着加固层厚度的增加，柱内部混凝土在高温情况下升温速度变缓，材料性能下降变慢，而且增加加固层厚度，柱截面尺寸变大，荷载比变小，柱所能承受的极限荷载变大，柱破坏的时间就越晚。因此增加加固层厚度，有利于提高柱的耐火极限。

图7 加固层厚度对耐火极限的影响

3.4 荷载比对耐火极限的影响

图8 为钢筋混凝土加固柱耐火极限在不同荷载比下的变化规律。由图8 可以看出，加固柱耐火极限受荷载比的影响较大，柱的耐火极限随着荷载比增加而缩短，这是因为在柱截面尺寸不变的情况下，荷载比变大，柱顶承受的竖向荷载变大，柱的压缩变形变大，柱达到极限荷载的时间就越早。因此减小荷载比，有利于提高柱的耐火极限。