外包鋼加固鋼筋混凝土梁的抗火性能研究

徐良進，毛小勇，張翔

(江蘇省結構工程重點實驗室(蘇州科技學院)，江蘇 蘇州 215011)

0 引言

由于設計不合理、施工質量未達到設計要求、使用功能變更、混凝土結構本身耐久性等問題，使結構不能滿足正常使用要求，此時需要對其進行補強加固。外包鋼加固鋼筋混凝土梁是在混凝土梁四周包以型鋼的加固方法，具有強度高、對截面尺寸和外觀影響小、施工簡單、對環境影響小等優點，已廣泛用于混凝土結構的加固補強。角鋼外包于混凝土表面，使梁的承載力大幅度提高。而在高溫下，角鋼性能劣化、降低甚至失去原本加固強化的效果，構件受力惡化，回到加固前危險的狀態，但卻承受了加固后的荷載。因此，外包鋼加固鋼筋混凝土梁的抗火性能成為一個亟待解決的問題。

本文應用ABAQUS有限元分析軟件，對外包鋼混凝土梁的溫度場、力學分析、抗火全過程曲線和抗力折減系數進行了分析，為外包鋼加固鋼筋混凝土梁的抗火設計提供參考。

1 高溫下外包鋼鋼筋混凝土梁有限元模型

圖1為外包鋼加固鋼筋混凝土梁的有限元模型。梁3面受火，同時升溫過程中梁受到的約束保持不變。利用ABAQUS軟件中順序熱－力耦合的方式進行分析，首先計算構件的溫度場，然后引入溫度場的計算結果進行力學分析。

圖1 外包鋼加固混凝土梁有限元模型

進行溫度場分析時，混凝土、角鋼、砂漿、綴板采用8節點實體單元(DC3D8)，鋼筋采用2節點桁架單元(DC1D2)，混凝土與鋼筋骨架、混凝土與角鋼、混凝土與砂漿、角鋼與綴板都為綁定約束(TIE)。梁受火面對流換熱系數［1］取 25 W/(m2·K)，綜合輻射系數取0.5;不受火面對流換熱系數取9 W/(m2·K)，綜合輻射系數取0。鋼材和混凝土的熱工參數隨溫度的變化規律采用EC3 和 EC4 給出的相關公式確定。［2－8］

力學分析時，混凝土、角鋼、綴板和砂漿采用8節點減縮積分實體單元(C3D8R)，鋼筋采用2節點桁架單元(T3D2)，鋼筋骨架采用嵌入約束(EMBEDED REGION)，嵌入到整個模型中，其余約束同溫度場分析。

2 外包鋼加固鋼筋混凝土梁溫度場的計算

加固梁3面受火，其傳熱過程為:火焰熱流體通過輻射和對流將熱量傳遞到砂漿表面，再通過熱傳導進一步將熱量傳遞給內部的混凝土、角鋼和綴板。

在確定了鋼材和混凝土梁的熱工性能參數和邊界條件的基礎上，本文采用ABAQUS有限元分析軟件對外包鋼加固鋼筋混凝土梁的溫度場進行了分析。計算時截面形狀、溫度場點的選取及截面參數如圖2所示。圖2中各參數:梁寬b1取75mm;板寬b2取 250 mm;板高h1取120 mm;梁高h2取350 mm;角鋼厚度δ取8 mm;①為砂漿保護層，取25 mm。

圖2 截面形狀及截面參數

圖2所示截面各點在標準升溫下的T-t關系曲線見圖3。從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)可見，截面的溫度場在3個方向均由外向內遞減;受火面與背火面溫度相差很大，而截面內部及不受火區域溫度相差不大，尤其是在梁高腹中區域內可以看出，點13至點16溫差很小。

圖3 外包鋼混凝土梁截面的溫度場分布

3 抗火全過程曲線

圖2所示截面的加固梁在不同時刻的荷載－位移(P-d)全過程曲線如圖4所示，其中P為梁四分點處的集中力大小，d為集中力P所對應點位移。加固梁升溫不同時刻分別為0 min，30 min，60 min，90 min，120 min。由圖 4 可見，構件在高溫下，初始時刻存在一定的反拱，初始時間為30 min時，反拱最小，120 min時最大。該情況是由于溫度場產生的向上的溫度應力，且負位移先變大后變小。導致這種結果的原因是:溫度場由初始的很不均勻趨向于均勻，故溫度應力可能減小;鋼材和混凝土膨脹系數隨時間而變化也導致了溫度應力的變化。同時，隨著初始升溫時間的增加，構件極限承載力明顯下降。

圖4 構件不同初始時刻荷載－位移全過程曲線

3.1 抗火全過程曲線影響參數分析

梁寬b1、板寬b2、板厚h1、梁高h2和角鋼厚度δ對外包鋼加固梁全過程曲線的影響見圖5。圖5中每種梁截面所考慮不同初始時刻分別為0 min，30 min，60 min，90 min，120 min，150 min［9］;表 1 中參數代號意義為:A、B 代表b1，分別為75 mm和100 mm;C、D代表b2，分別為225 mm和250 mm;E、F代表h1，分別為100 mm 和120 mm;G、H代表h2，分別為 300 mm 和 350 mm;I、J代表δ，分別為5 mm 和8 mm。(注:角鋼厚度5 mm，8 mm分別代表角鋼規格為50 mm×50 mm ×5 mm、75 mm ×75 mm ×8 mm)。由圖5可以看出:

1)初始升溫時刻為0即常溫下的構件極限承載力最大，由于初始時刻無溫度應力的影響，因此無負向位移。初始升溫時刻為150 min，構件極限承載力最小，其主要原因是在高溫下，構件內部混凝土和鋼材強度剛度弱化;由于升溫時間較長，在溫度應力下，構件反向位移最大。

2)在0～90 min內，構件的負向位移相對較小，而在90～150 min明顯可以看出負向位移較大。主要原因是隨著升溫時間的增加(本文選用的是ISO標準升溫曲線)，溫度也相應升高，溫度應力也是更加強烈，在構件3面受火作用下，T形梁下部的溫度應力類似于膨脹力對構件的向上推力。

表1 梁截面參數

3)圖5(a)～(e)相比較發現:隨著梁寬、梁高、角鋼厚度的增加，構件不同初始時刻極限承載都有明顯增加，表明梁寬、梁高、角鋼厚度對構件的極限承載力有明顯影響。

圖5 構件抗火全過程曲線影響參數

4 抗力折減系數分析

4.1 抗力折減系數的計算

抗力折減系數［7］定義如下:

其中:Pu(t)為初始升溫t時刻構件的極限承載力;Pu(0)為初始時構件的極限承載力。

4.2 抗力折減系數影響因素分析

為進一步了解外包鋼加固混凝土梁抗力折減系數的特點，本文分析了不同參數對外包鋼混凝土梁抗力折減系數的影響。

1)由圖6(a)～(e)可以看出:隨著初始升溫時間的增加，抗力折減系數不斷下降，表明初始升溫時間增加時，由于在高溫下，構件材料屬性、強度、剛度不斷弱化，極限承載力不斷下降;

2)由圖6(a)、(d)、(e)可以看出:構件截面其他參數相同時，隨著梁寬、梁高、角鋼厚度的增大，抗力折減系數增大，表明隨著梁寬、梁高、角鋼厚度的增加，構件的受彎性能增強，對抗力折減系數有較明顯的影響;

3)由圖6(b)、(c)可以看出:構件截面其他參數相同時，隨著板寬、板厚的增大，抗力折減系數幾乎一致;

4)圖6(a)～(e)可以看出:抗力折減系數初期緩慢下降，然后速度加快，最后再趨向于平緩。

圖6 抗力折減系數影響參數分析

5 結論

通過研究可得到如下結論:

1)截面沿板厚度方向、梁寬方向、梁高方向溫度場均由外向內遞減;

2)試件恒溫加載得到不同時段抗火全過程曲線，在火災高溫下，試件呈現出一定的反拱，隨著初始升溫時間增大，反拱程度加劇;

3)影響全過程曲線的主要參數是梁高、梁寬和角鋼厚度。隨著梁高和角鋼厚度的增加，極限承載力明顯增大;梁寬增大時，極限承載力有一定的增加;其他參數影響較小;

4)影響抗力折減系數的主要參數是梁寬、梁高和角鋼厚度;其他參數影響較小;

5)抗力折減系數初期緩慢下降，然后速度加快，最后再趨向于平緩。

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