HRBF 500級細晶粒鋼筋混凝土簡支梁的耐火極限

王全鳳，霍喆赟，徐玉野，王凌云

（1.華僑大學廈門工學院，福建廈門361021；2.華僑大學土木工程學院，福建廈門361021；3.上海應用技術學院土木建筑與安全工程學院，上海201418）

HRBF 500級細晶粒鋼筋混凝土簡支梁的耐火極限

王全鳳1，霍喆赟2，徐玉野2，王凌云3

（1.華僑大學廈門工學院，福建廈門361021；2.華僑大學土木工程學院，福建廈門361021；3.上海應用技術學院土木建筑與安全工程學院，上海201418）

利用有限元軟件ANSYS，對500MPa細晶粒鋼筋（HRBF 500）混凝土簡支梁的溫度場及耐火極限進行分析.計算結果表明：ANSYS對溫度場和耐火極限的模擬結果基本與試驗結果吻合，初步驗證程序的有效性.在此基礎上，就不同荷載比、混凝土保護層厚度、配筋率共計36種工況組合進行有限元分析，考察各參數對HRBF 500混凝土梁耐火極限的影響，并據此建立耐火極限簡化計算公式.

HRBF 500；鋼筋混凝土；簡支梁；溫度場；耐火極限

火災給人類的生命財產造成極大的損失，對于建筑物，在火災下結構和構件材料性能發生惡化是導致結構和構件失效的主要原因.為了避免不必要的損失，加強混凝土構件的防火和抗火性能，了解鋼筋混凝土結構在高溫下的性能已是十分必要和緊迫的［1－2］.與傳統的通過添加微合金元素達到高強度的鋼材不同，細晶鋼在提高強度的同時，保證了鋼材的塑性和韌性［3］.HRBF 500鋼筋是通過細化晶粒的方法來達到提高強度的一種新型高強鋼筋，2008年頒布的國家標準GB 1499.2－2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》新加入該牌號鋼材作為新型建筑用鋼［4］.目前，已經有對該牌號鋼材的常溫及高溫力學性能和混凝土構件的常溫性能［58］進行研究，但對于細晶粒高強鋼筋混凝土構件的在火災下的行為及力學性能等仍然不清楚.火災試驗費用十分昂貴，依靠試驗來細致研究火災行為是不現實的.本文在配置HRBF 500級鋼筋的混凝土簡支梁的高溫下抗火性能試驗研究基礎上［］，數值模擬細晶粒混凝土梁截面的溫度場并進行構件耐火極限的數值分析.

1 試件溫度場

1.1 基本假設

1）假設構件應力場對溫度場不產生影響；2）忽略水分在受熱過程中蒸發對構件溫度場的影響；3）不考慮混凝土開裂對溫度場的影響.

1.2 構件建模

在溫度場分析環節，構件混凝土材料由Solid 70單元模擬，鋼筋單元由Link 33單元來模擬.由于三維有限元分析計算量較大，因此在建立幾何模型的時候只構建簡支梁一半的模型，即以簡支梁跨中截面為對稱面.這就減少了一半的計算量.同時，由于構件本身是以跨中截面對稱，且加熱過程也是對稱的，因此對模型作此處理不影響結果.溫度場分析時對稱面的熱邊界條件按絕緣處理.

1.3 參數選取

混凝土密度在高溫下變化不大，為簡化計算取混凝土密度為2 400kg·m－3.混凝土的導熱系數（λc）和容積比熱（Cc）采用文獻［8］建議的公式，即

由于目前沒有HRBF 500級鋼筋的高溫下相關熱工參數的文獻，因此溫度場計算時仍然使用普通鋼筋的高溫熱工參數.具體取值如下：密度取常數7.850Mg·m－3，鋼材的導熱系數（λs）和容積比熱（Cs）采用文獻［8］規定的公式，即

混凝土與外界環境的能量交換有兩種方式，分別是熱對流和熱輻射.文中采用綜合換熱系數來考慮爐內高溫流體由熱輻射和熱對流傳遞熱量到鋼筋混凝土構件表面.關于爐內火焰流體和鋼筋混凝土構件的之間的綜合換熱系數，不同的文獻有不同描述，且差別很大，文中采用文獻［10］推薦的值.

1.4 溫度場計算結果與試驗結果對比

利用ANSYS對文獻［9］中部分試件進行建模，然后在ISO 834標準升溫曲線下進行計算，其計算結果與試驗結果的對比，如圖1所示.從圖1可知：計算結果和試驗結果兩者基本吻合.

圖1 各測點溫度計算值與試驗值比較Fig.1 Comparison between the calculation temperatures and experimental temperatures

2 試件耐火極限計算

2.1 基本假設

1）忽略構件受力過程中鋼筋與混凝土之間的滑移；2）考慮混凝土對抗拉的貢獻.

2.2 建模及材料高溫性能

對試件結構部分的計算采用間接耦合解法.溫度場部分的數據采用上一節的分析結果.根據耦合分析的要求，將原來溫度分析的各種單元用結構分析的單元進行替代.對于模擬混凝土的Solid 70單元在結構分析中用Solid 65代替，模擬鋼筋的Link 33單元在結構分析中用Link 8單元替代，模擬構件支座鋼板的單元采用Link 45單元，對稱面采用定向滑移支座.

計算過程中只考慮受壓軟化效應，即關閉了混凝土的壓碎功能.當混凝土出現裂縫后，對于閉合的混凝土裂縫取剪力傳遞系數1.0，裂縫張開后剪力傳遞系數取0.5.混凝土的應力－應變關系采用了Lie推薦的公式［11］，即

而抗壓強度公式為

其中：峰值應變εmax＝0.002 5＋（6.0θ＋0.04θ2）×10－6；σc和εc分別為混凝土的應力和應變；fco為常溫下混凝土的軸心抗壓強度；fc和εmax分別為溫度θ作用下混凝土的軸心抗壓強度及其對應的峰值應變.

對于HRBF 500鋼筋的應力－應變模型［5］：在鋼筋屈服前，即ε≤εy（θ）時，σ＝E（θ）ε；在鋼筋屈服后，

2.3 耐火極限計算結果驗證

同樣以文獻［9］的試件為例，利用ANSYS進行耐火極限計算.各構件的耐火極限模擬計算值（Rc）和試驗值（Rr）對比，如表1所示.表1中：δ為相對誤差.從表1可知：計算結果與試驗結果比較接近，利用ANSYS對HBRF 500級鋼筋混凝土簡支梁耐火極限進行模擬是可行的.

3 參數對耐火極限的影響

3.1 基本參數

在ANSYS有限元分析有效性的基礎上，針對荷載比（m）、混凝土保護層厚度（c）、配筋率（ρ）等3個參數，共計36種工況搭配進行計算，分析各參數對耐火極限的影響.計算中的具體參數搭配情況：構件截面寬度為250mm，高度為400mm；構件的計算寬度為4.5 m；受火長度為4m；荷載比為0.4，0.5，0.6，0.7；混凝土保護層厚度為25，35，45mm；縱筋配筋率為0.84%，1.05%，1.25%；縱向受拉鋼筋屈服強度為518MPa；混凝土軸心抗壓強度為42.8MPa.

所有計算的36種工況的簡支梁的受火方式采用三面受火，升溫曲線采用ISO 834標準升溫曲線.箍筋采用雙肢箍，縱向受拉鋼筋單排布置，受壓區統一配置架立鋼筋2根，直徑取16mm.

3.2 荷載比

構件在火災過程中承受荷載作用的能力逐漸退化.構件承載能力從加熱開始不斷下降，當承載能力退化到外荷載作用的時候構件就達到耐火極限.因此初始荷載的荷載比越高，構件就越快達到耐火極限.HRBF 500鋼筋混凝土簡支梁耐火極限隨荷載比變化的情況，如圖2所示.

從圖2可知：隨著荷載比的增大，在其他各參數不變的情況下，構件的耐火極限值迅速下降.同時，從圖2中不同配筋率的各自結果來看，配筋率的變化對上述趨勢影響不大 .即相同保護層厚度但配筋率不同的各組耐火極限的變化趨勢基本相近，而混凝土保護層厚度變化對這一趨勢有一定的影響.總的來說，荷載比是影響構件耐火極限的一個重要參數.

表1 耐火極限計算值與試驗值對比Tab.1 Comparison between predicted fire resistance and experimental fire resistance

圖2 耐火極限隨荷載比變化情況Fig.2 Variations of fire resistance with load ratio

3.3 混凝土保護層厚度

混凝土保護層厚度的大小直接影響到構件底部受拉鋼筋的溫度高低.相對鋼筋而言，混凝土的導熱性相對較差，較大的混凝土保護層厚度的情況下受力鋼筋的溫度上升將緩慢很多.作為抵抗受彎作用的主要材料，鋼筋的溫度變化對構件耐火極限有重要的影響.這是因為鋼筋的力學性能隨著溫度的上升將不斷退化，直至構件不能承受外荷載作用.因此，混凝土保護層厚度對構件的耐火極限有著較大影響.

耐火極限隨混凝土保護層厚度變化情況，如圖3所示 .從圖3可知：隨著保護層厚度的增加，耐火極限值得到相應的提高.

圖3 耐火極限隨混凝土保護層厚度變化情況Fig.3 Variations of fire resistance with concrete cover thickness

3.4 配筋率

簡支梁耐火極限與配筋率的關系，如圖4所示.從圖4可知：在其他參數相同的情況下，隨著構件配筋率的增加，耐火極限得到相應的提高，變化趨勢基本呈線性.

圖4 耐火極限隨配筋率變化情況Fig.4 Variations of fire resistance with reinforcement ratio

4 耐火極限簡化計算公式

通過對計算結果的分析，了解了3種參數對耐火極限的影響趨勢，根據上述影響趨勢設定回歸公式的基本模式為

式（7）中：βρ，βc，βm分別表示配筋率、保護層厚度、荷載比對耐火極限的影響.

通過對各種參數組合的構件的耐火極限計算結果進行回歸分析，得到耐火極限回歸計算公式為

式（8）中：R為耐火極限；ρ為受拉縱筋配筋率；c為混凝土保護層厚度；m為荷載比.

對計算得到的耐火極限回歸值與有限元計算的耐火極限值進行比較，結果如圖5所示.從圖5可知：兩者吻合良好，相關系數為0.947.

圖5 耐火極限回歸值與數值模擬值對比Fig.5 Comparison between regressed fire resistance and numerical results

5 結論

1）通過ANSYS進行構件溫度場計算，結果表明計算結果與試驗結果吻合較好，證明利用ANSYS進行HRBF 500鋼筋混凝土構件溫度場模擬能得到比較可靠的結果.

2）在溫度場有限元計算的基礎上對構件的耐火極限進行有限元分析，表明得到的耐火極限基本接近試驗值.

3）利用ANSYS對荷載比、混凝土保護層厚度、配筋率3個參數不同組合的多組構件進行耐火極限計算發現，混凝土保護層厚度和配筋率的增加將增加構件的耐火極限時間，荷載比的增加將減少構件耐火極限的時間.

4）通過36種工況耐火極限計算回歸統計，可以得到HRBF 500級鋼筋混凝土簡支梁構件耐火極限的簡化計算公式.

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Fire Resistance of HRBF 500Reinforced Concrete Simple Beams

WANG Quan－feng1，HUO Zhe－yun2，XU Yu－ye2，WANG Ling－yu3
（1.Ximen Institute of Technology，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；2.College of Civil Engineering，Huaqiao University，Xiamen 361021，China；3.College of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China）

The temperature field and fire resistance of hot rolled ribbed bars of fine grains 500（HRBF 500）reinforced concrete simple beams were analyzed by the finite element software ANSYS.The calculation result is verified by comparing the numerical results with test data.The influence of parameters such as load ratio，thickness of concrete cover and reinforcement ratio on fire resistance of HRBF 500reinforced concrete simple beams is analyzed extensively.A simplified formula is proposed to determine the fire resistance of HRBF 500reinforced concrete simple beams.

HRBF 500；einforced concrete beams；temperature field；fire resistance

TU 375.103；TU 317.1

A

（責任編輯：黃仲一 英文審校：方德平）

1000－5013（2014）01－0076－06

10.11830／ISSN.1000－5013.2014.01.0076

2013－05－24

王全鳳（1945－），男，教授，主要從事結構工程和數值模擬的研究.E－mail：qfwang＠hqu.edu.cn.

國家高技術研究發展計劃（863）項目（2007AA03Z550）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（200803850001）；福建省廈門市科技計劃項目（3502Z20133022）；福建省泉州市技術研究與開發重點項目（2011Z10）