高温下震损对钢筋混凝土约束梁温度场的影响

陈伟，陈全杰，刘虹，卫璐，郭俊杰

（1.国网陕西省电力公司经济技术研究院，陕西 西安 710000；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055）

0 引言

地震次生火灾是地震后经常发生的次生灾害之一，在地震和火灾的共同作用下，建筑物的反应行为更加复杂和难以控制。根据文献中所收集的资料显示；在地震产生的次生灾害中，次生火灾往往是最危险的，就其所造成的生命及财产损失而言，有时甚至会远远大于地震本身。

考虑到地震次生火灾的危害性，国内外学者对其做了大量的研究。由文献可以得知，目前国内外学者的研究成果主要针对建筑结构的耐火性能和抗震性能研究，然而对地震和火灾耦合作用下的结构反应研究成果相对有限。

高温下钢筋混凝土构件的承载力取决于材料的性能劣化程度，温度对混凝土和钢筋的强度影响很大，因此有必要对钢筋混凝土梁的温度场分布规律做进一步的研究，本文根据整理归纳震害资料，确定以裂缝，混凝土剥落作为震损钢筋混凝土约束梁的主要几何损伤形式，建立混凝土约束梁的震损模型，利用abaqus进行数值模拟分析，基于有限元参数分析结果给出几何损伤对温度场的影响规律。

1 钢筋混凝土梁震损表现形式

1.1 震损形式

震损主要形式有力学损伤和几何损伤，文献[6]忽略了力学损伤的影响取得较好的模拟结果，因此本文研究几何损伤对温度的影响。根据震害资料，整理归纳得到梁主要的震损几何形式是裂缝和混凝土剥落，框架梁破坏的位置主要发生在两端和节点区附近。于150mm到700mm之间；交错斜裂缝和混凝土脱落位置处于300mm到700mm之间。

1.3 震损参数

1.2 震损尺寸

由文献[8]钢筋混凝土梁构件保护层剥落损伤情况可知：梁保护层剥落长度253mm～383mm，剥落长度与试件截面高度比值0.63～0.96。根据文献[9]的统计数据可知，钢筋混凝土框架梁裂缝最小宽度0.01mm，最大宽度0.48mm。根据低周往复加载试验结果，钢筋混凝土框架梁集中水平裂缝位置处于100mm到600mm之间；斜裂缝位置处

裂缝的几何特征主要通过宽度w，裂缝长度l，裂缝平均深度dˉ三个参数来体现，其中裂缝深度和长度同构件的截面宽度有密切的关系，取裂缝的长度、深度与混凝土构件横截面高度h的比值，即相对裂缝长度l h(0＜l h＜1)和相对裂缝深度dˉh(0＜dˉh＜1)；

混凝土保护层的剥落程度主要通过剥落厚度a、剥落长度h′、剥落宽度b三个参数来体现。其中剥落长度和宽度与截面宽度h有关，故取剥落长度、剥落宽度与截面宽度的比值，即相对剥落长度h′h(0≤h′h≤1)和相对剥落宽度b h(0≤b h≤1)。如图1所示。

图1 损伤参数示意图

假设完整构件在环境作用下，内部某位置在某时间的温度为T,当试件的损伤程度增加时，该位置在相同时间点的温度会相应上升，设其为T，则可以按式1定义剥落对温度的影响系数λ来描述这一损伤状态对该位置温度的影响程度大小。

2 有限元数值模型

梁长3m，截面尺寸250mm×400mm，保护层厚度取30mm。梁端约束方式为两端固定铰支座，运用有限元ABAQUS／Standard模块，混凝土热分析单元可用DC3D8六面体三维八节点实体单元，钢筋热分析单元可用DC1D2两节点桁架导热单元，混凝土单元和钢筋之间用Tie约束连接，目的是在分析过程中相同节点的钢筋和混凝土的温度相同，网格划分为0.02m，材料的热工参数包括材料的比热容、热传导系数及密度。升温曲线采用ISO-834标准升温曲线，环境初始温度取为20℃。分析中依照欧 洲 规 范BS EN 1993-1-2和BS EN 1992-1-2取值。

2.1 损伤模型

假设震后钢筋混凝土梁两侧的裂缝是对称布置的，根据前文震害资料，裂缝宽度取0.48mm，裂缝长度取250mm，相对裂缝深度 取0.125，0.25，0.375，0.5，梁上出现的裂缝位置出现在离梁端300mm处。本文针对剥落厚度和剥落长度进行有限元模拟分析，相对剥落长度分别取0.25,0.5,0.75,1.0，剥落厚度取10mm，20mm，30mm，40mm；为了简化模型，相对剥落宽度取定值1。约束梁配筋图2，测点布置图3。

图2 约束梁配筋图

图3 约束梁测点布置图

3 几何损伤对温度场的影响

3.1 裂缝对温度场的影响

根据不同测点在不同相对裂缝深度下λ时程曲线，如图4，得出如下结论：

图4 不同测点在不同相对裂缝深度下λ时程曲线分析

测点1和测点4分别位于梁底和梁侧面，从测点1和4的影响系数λ时程曲线可以看出：它们两者影响系数λ的时程曲线相似，因为都处于受火面；并且影响系数都是大于1，则说明裂缝深度对梁底和梁侧面温度场变化是有影响的，但是不显著；带有裂缝混凝土约束梁，升温初期呈现快速上升，在1000s左右达到峰值，是因为受火初期由于较大的温度梯度导致影响系数λ快速增加，在1000s左右达到峰值，由于温度梯度减小，影响系数λ逐渐下降并趋于平稳；然后缓慢回落并且趋近一个恒值，不同相对裂缝深度处的影响系数λ趋向同一个值。

测点2位于梁截面中心，通过影响系数λ时程曲线可知：随着相对裂缝深度的增加，使得影响系数λ峰值点左移，而且影响系数λ峰值就越大，对温度的影响越大，因为相对裂缝深度大，越靠近梁截面中心，受到温度的影响是显著的：达到峰值之后，时程曲线逐渐趋向于扁平化，不同相对裂缝深度处的影响系数λ趋向的恒值不同，即相对裂缝深度越大，影响系数λ恒值就越大。

测点3位于梁的背火面，由3的影响系数λ时程曲线可见：影响系数λ时程曲线是一条平行于x轴的直线，且值大约为1，说明随着相对裂缝深度的增加，裂缝对梁的背火面温度场分布没有影响，与完整梁的温度分布一样。

3.2 剥落损伤对温度场的影响

选取0.5h’长度处横截面中轴线上的节点作为测温点，选取深度d=60mm处的温度影响系数λ随时间变化趋势。从图5可以看出：影响系数λ的时程曲线呈现初始段快速上升，随着剥落厚度的增加，上升的速率就越大，并且达到影响系数λ的峰值越大，说明温度的影响就越大。由曲线可知，当剥落厚度a=10mm和a=20mm时，时程曲线分别在1000s和3000s左右会出现两个峰值，而在a=30mm和a=40mm时，曲线只有在1000s左右出现一个峰值，但在3000s左右时有出现第二个波峰的趋势。剥落长度在100mm-400mm内，随着剥落长度增加，剥落厚度影响系数λ时程曲线基本相似，说明剥落长度的增加不会影响剥落厚度对温度场的影响。

图5 深60mm处不同剥落高度厚度下λ时程曲线

根据图6可得，当忽略了剥落长度对剥落厚度的影响，随着深度增加，影响系数λ的峰值越小，同时使得峰值向右边移动，而且两个峰值出现越来越明显，升温的速率也变得缓慢；虽然不同深度λ时程曲线在前期的峰值以及变化路径有所差异，随着受火时间的增加，不同深度处的影响系数趋于同一个值，从图中可以看出该恒值的大小与剥落的厚度有关。

图6 不同剥落长度以及不同深度时各剥落厚度下λ时程曲线

3.3 剥落长度对混凝土温度场分析

选取距离梁端80mm的截面，取点距梁底d=60mm处的温度影响系数随时间变化趋势。

根据图7得出：对于距梁底相同位置，在相同的剥落厚度下，剥落长度对影响系数几乎没有影响。随着剥落厚度的增加，影响系数λ的峰值也逐渐增大，但第二个影响系数λ的峰值逐渐消失；四条曲线几乎相似，最后趋近于同一个值，而且剥落厚度越大，影响系数峰恒值也就越大。

图7 深60mm处在各剥落厚度下不同剥落长度λ时程曲线

4 结论

①裂缝深度对梁底和梁侧面温度场变化是有影响的，但是不显著；不同相对裂缝深度处的影响系数λ趋向同一个值；相对裂缝深度越大，影响系数λ恒值就越大；随着相对裂缝深度的增加，裂缝对梁的背火面温度场分布没有影响。

②剥落厚度对截面温度场有显著影响，剥落厚度越大，剥落处的混凝土温度就越高，升温速率也越快；剥落长度对温度场的影响较小，并且剥落长度的增加不会影响剥落厚度对温度场的影响。