高温后钢筋套筒灌浆节点损伤分析

任 琦，郭 奇，刘 静，唐丽君，吴焕娟

(1.中电投工程研究检测评定中心有限公司,北京 100142； 2.中质华兴(北京)技术检测有限责任公司,北京 102446)

1 概述

随着建筑工业化的快速发展，装配式混凝土建筑已经得到大量应用。而在装配整体式混凝土结构中，钢筋的连接是保证装配式结构整体性的重要因素。目前，钢筋套筒灌浆连接是装配式混凝土结构钢筋连接采用的重要方法之一。当装配式建筑发生火灾后，其钢筋套筒灌浆连接部位的损伤评估尤为重要。

对火灾后钢筋套筒灌浆连接性能损伤分析是对经历火灾的装配式结构进行性能评估和修复加固的重要依据。Zhao[1]从数值模拟角度研究了高温条件下，不同锚固长度对套筒灌浆极限荷载的影响，最终发现套筒在升温前30 min套筒灌浆内部和外部温度升高迅速，套筒的极限荷载随着温度的升高迅速降低。Ling[2]介绍了套筒灌浆连接的性能。利用套筒限制拼接钢筋的长度，可以提高钢筋与灌浆料之间的黏结性能。谷凡[3]对钢筋套筒灌浆连接构件在高温情况下的连接性能进行ABAQUS软件数值模拟，研究了灌浆料在高温下的应力状态情况。邓曦[4]从实验和ABAQUS软件数值模拟角度对高温下钢筋半套筒灌浆连接的静力拉伸试验进行了研究。先分析套筒灌浆高温下的传热问题，其后将得到的套筒灌浆的温度场作为已知条件来进行热应力的分析，得到应力应变场。王国庆[5]对套筒灌浆连接试件在高温下的极限承载力、延性、破坏模式等性能进行试验研究，并用ABAQUS对连接试件在高温下的黏结滑移性能进行模拟，得到不同直径的钢筋应用套筒灌浆连接的高温性能。冯世贤[6]进行了高温后灌浆料抗压强度试验，得出了高温前龄期、冷却方式、静置时间对高温后灌浆料力学性能的影响规律。周文君[7]对火灾高温条件下套筒灌浆连接钢筋结点及带套筒灌浆的钢筋混凝土结构力学性能进行了研究。

上述学者对高温下钢筋套筒灌浆的力学性能研究中，较少关注考虑混凝土保护层影响的套筒灌浆高温后受力性能的损伤情况。高温下钢筋连接的受力性能研究的深度和广度跟不上装配式结构的发展进程。因此，本文考虑单面受火工况的影响，依据ISO-834标准升温曲线，对考虑整体墙板的钢筋套筒灌浆温度场及损伤情况进行研究。

2 装配式混凝土剪力墙温度场模型的建立

2.1 几何模型

文献[8]中对高强混凝土剪力墙抗火性能进行了试验研究，并对试验试件升降温全过程的截面温度场进行了监测。本文利用有限元建立文献[8]中试件相应的温度场计算模型，用于验证模型的准确性。试件为C90全现浇高强混凝土剪力墙，墙厚120 mm，水平分布筋及纵向分布筋均为φ8@100，单面受火，试验时控制升温时间，不同试件的两端设置截面尺寸120 mm×200 mm的暗柱，暗柱纵筋为6φ22，箍筋为φ8@100，钢筋保护层厚度为15 mm。

通过热力学基本原理中瞬态热传导的基本微分方程，利用初始条件和边界条件求得微分方程的温度场结果,进一步可得出火灾过程中构件内部的温度场情况。

钢筋和混凝土材料的热工参数主要包括热传导系数、比热和密度。本文采用T.T.Lie和Denham[9]提出的混凝土热传导系数和比热计算公式。钢筋的热传导系数(λs)较大，导热性能非常好。但是比热(Cs)较小，并且随着温度而不断变化。本文采用EC3及EC4[10]给出的钢筋热传导系数和比热计算公式进行计算。

2.2 边界条件和网格划分

应用ABAQUS有限元软件建立采用三维实体单元温度场分析模型进行模拟。研究结果表明，钢筋对温度场计算影响较小，因此，模型中忽略钢筋对温度场的影响。升温曲线按照ISO-834标准升温曲线进行升温，装配式混凝土墙板边界条件主要考虑热对流传热方式，热对流系数取25 W/(m2·℃)。温度场分析模型采用线性热传导单元DC3D8划分网格，温度场计算模型及其网格划分如图1，图2所示。

2.3 温度场及力学模型的验证

利用上述温度场计算模型计算得到的受火钢筋混凝土剪力墙各测点温度(T)-时间(t)关系计算结果如图3,图4所示。由图3可知，墙板整体温度明显低于空气温度，沿着墙板厚度方向出现了较为明显的分层现象，同时受火面温度远高于非受火面，非受火面墙板表面温度约为200 ℃。图4给出了整体墙板温度场分布，受火30 min 时受火墙面的温度约为250 ℃，明显低于空气温度。

3 全套筒灌浆节点温度场分析

3.1 模型介绍

通过前述有限元分析，验证了有限元模型建立方法的准确性。为了进一步的分析高温条件下钢筋套筒灌浆节点的温度场情况，本文选取典型的装配式剪力墙尺寸进行分析。墙板截面厚度为200 mm，墙板长度为2 620 mm，墙板宽度为2 700 mm，竖向分布钢筋为φ12@200，水平分布钢筋为φ10@100，套筒长度为245 mm，直径为38 mm，套筒壁厚为5 mm，间距为400 mm，呈梅花形布置，墙板尺寸和套筒布置见图5。墙板作为竖向构件，进行温度场分析时可简化为二维模型。同时，研究结果表明，钢筋对于温度场的分布影响较小，因此，模型中不考虑水平分布钢筋和纵向钢筋的影响。热力学基本原理和混凝土、钢筋热工参数同2.1节类似。

3.2 边界条件和网格划分

ABAQUS有限元软件建立温度场分析模型时，混凝土采用三维实体单元进行模拟。升温曲线按照实际试验数据进行升温，装配式混凝土墙板边界条件主要考虑热对流传热方式，热对流系数取25 W/(m2·℃)，只对混凝土单面板施加温度荷载。温度场分析模型采用线性热传导单元DC3D8划分网格。温度场计算模型及其网格划分如图6所示。

随着森林面积的不断增加，保护任务加重，森林资源保护手段欠缺。林业信息化建设薄弱。尤其是森林防火方面，野外火源防不胜防，具有突发性和扑救的艰巨性。除了南北山各绿化区有承包单位进行管护外，近几年营造的重点林业工程权属多为集体，随着林地面积的增加，管护任务日益繁重，乱砍、乱采、乱挖屡禁不止，加剧了地表植被破坏。而我市林业信息化正处于起步阶段，林业资源信息化发展存在劣势。生态建设的信息资源整合力度不大，缺乏统筹管理，开发利用滞后，信息化应用跟不上林业核心业务的需求。

3.3 计算结果

图7，图8给出了整体混凝土墙板和套筒灌浆温度分布云图，灌浆料和套筒灌浆温度分布基本相同，为进一步了解灌浆料温度场分布情况，主要选择里外两排的中间灌浆料作为监测对象进行分析温度情况。可以看出，沿着套筒灌浆高度方向由内向外温度变化较小。因此，以灌浆料外侧中心点作为监测点进行提取温度数据。

根据图9可知，监测点1的最高温度分别为420 ℃，642 ℃，775 ℃，860 ℃。监测点2的最高温度分别为491 ℃，701 ℃，816 ℃，888 ℃。两测点温度-时间曲线形状基本一致，升温初期温度迅速增高，后期温度增长较为缓慢。两者相同时间内，最高温度差值呈逐渐减小趋势。

4 套筒灌浆黏结损伤分析

火灾过程中，各种因素对水泥基灌浆料高温力学性能、变形特征以及黏结性能均有不同程度的破坏。高温后套筒灌浆抗拉破坏形式包括钢筋受拉屈服和钢筋刮犁式拔出破坏。破坏形式取决于高温对灌浆料与钢筋之间黏结的损伤程度以及对钢筋的材料损伤。

4.1 钢筋受拉破坏

高温后钢材强度会有不同程度的损伤，对于钢筋高温应力(σ)-应变(ε)关系，通过已有的研究表明，采用Lie[11]给出的不同温度下钢筋的应力-应变关系模型具有较好的模拟高温下钢筋的力学性能。

(1)

其中,εp为与比例极限对应的应变；T为温度,℃。

PT=fyp(Tm)As

(2)

4.2 钢筋刮犁式拔出破坏

钢筋刮犁式拔出破坏承载力取决于钢筋与灌浆料之间的平均黏结强度τ。根据EINEA等[12]的研究可知钢筋与灌浆料之间的平均黏结强度τ可以假设如下:

(3)

其中，k为常数，取为1.43；fc为高温下灌浆料的抗压强度。高温下灌浆料的抗压强度可根据式(4)计算：

(4)

(5)

其中，Pu为黏结力；d为钢筋直径；L2为钢筋连接的锚固长度。

根据第3节可知，竖向分布钢筋为φ12@200，钢筋常温屈服强度fy=400 MPa，灌浆料常温下立方体抗压强度fcu=100 MPa，钢筋在灌浆套筒中的锚固长度L2=125 mm。

根据上述分析可知，考虑混凝土影响的高温后钢筋连接用套筒灌浆抗拉强度为钢筋受拉屈服和钢筋发生刮犁式拔出破坏中的较小值。结合温度场分析结果和强度计算公式，可得出高温后套筒灌浆连接强度，如表1所示，表1中套筒温度均取截面的最高温度。

表1 高温后钢筋连接用套筒灌浆连接强度折减

5 结语

本文针对装配式混凝土剪力墙，利用有限元分析了高温条件下钢筋套筒灌浆节点的温度场情况，主要得出以下结论：

1)提出了考虑升降温全过程装配式剪力墙温度场模型，分析了单面受火并与现有试验结果对比，验证了模型的准确性。

2)通过建立的钢筋连接用套筒灌浆温度场分析精细化模型，考虑受火时间、单面受火工况等参数的影响，对套筒灌浆温度分布进行了详细的分析，得出了套筒灌浆随影响参数的变化规律和常用墙板高温套筒连接强度的损伤大小。