高溫下鋼筋混凝土框架梁抗剪性能研究

楊志年，陳明遠，王興國，王紹杰

(1.華北理工大學建筑工程學院， 河北唐山063009； 2.河北省地震工程研究中心， 河北唐山063009)

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高溫下鋼筋混凝土框架梁抗剪性能研究

楊志年1,2，陳明遠1,2，王興國1,2，王紹杰1,2

(1.華北理工大學建筑工程學院， 河北唐山063009； 2.河北省地震工程研究中心， 河北唐山063009)

為了研究高溫下鋼筋混凝土框架梁的抗剪性能，建立了框架梁的非線性有限元分析模型，采用恒載升溫的方式，對高溫下鋼筋混凝土框架梁的抗剪性能進行模擬，分析了不同混凝土強度、剪跨比及混凝土保護層厚度對鋼筋混凝土框架梁抗剪性能的影響。結果表明：減小剪跨比和增大混凝土保護層厚度能顯著提高框架梁高溫下的抗剪性能，在相同條件下，剪跨比為1.5的框架梁的耐火極限比剪跨比為2.3的框架梁的提高45%，剪跨比為2.3的框架梁的耐火極限比剪跨比為3.0的框架梁的提高50%；混凝土保護層厚度每增加10 mm，框架梁的耐火極限約提高20%。隨著混凝土強度的增加，框架梁高溫下的抗剪性能得到提高，但提高效果不夠明顯。工程設計時，適當提高混凝土強度、減小剪跨比、增大混凝土保護層厚度是提高鋼筋混凝土梁抗剪性能的有效措施。

框架梁；高溫；抗剪性能；有限元

0　引　言

鋼筋混凝土(RC)框架梁是結構重要的水平承重構件，當發生火災時，其損傷及破壞非常嚴重，因此,對其高溫下的力學性能研究意義重大。目前,針對鋼筋混凝土梁的力學性能的研究大多集中在常溫或高溫下的抗彎性能研究[1-14]，而對于抗剪性能研究較少。向延念等[2]通過對8根鋼筋混凝土簡支梁進行火災模擬試驗，對各種工況下的梁受損程度進行了對比分析,結果表明，梁保護層厚度越小，升溫時間越長, 配筋率越低，則火災對梁的損傷程度越大。張威振[3]對16根鋼筋混凝土梁進行火災下的抗火性能試驗，通過試驗量測和數據分析，在考察升溫時間、配筋率對構件抗火性能影響的基礎上，對簡支梁高溫下的力學性能和變形反應的一般規律進行了概括。吳波等[5]對8根混凝土約束梁進行了升降溫全過程的耐火性能試驗，考察了升降溫作用下梁端軸向和轉動約束、荷載比、升溫時間等參數對約束梁高溫變形及內力的影響。

本研究利用ABAQUS非線性有限元分析軟件建立了9根RC框架梁的數值模型，對其火災下的抗剪性能進行模擬及分析，研究混凝土強度、剪跨比及混凝土保護層厚度等對高溫下框架梁抗剪承載性能的影響，旨在為鋼筋混凝土梁的抗火性能化設計提供理論依據，以進一步完善梁的抗火設計理論。

1　試件設計

圖1　框架梁的截面尺寸及配筋Fig.1　Arrangement of reinforcement of the frame beam

框架梁的尺寸及配筋按照現行規范進行設計，凈跨為4 m，截面為250 mm×500 mm，縱筋采用HRB500級，箍筋采用HRB300級，設計的框架梁縱向受力鋼筋較多，以保證框架梁的抗剪破壞先于受彎破壞發生，梁的截面尺寸及配筋示意如圖1所示。框架梁采用恒載升溫的方法，加載方式為集中荷載。為模擬火災下梁承受的正常使用荷載，施加的恒荷載大小取為150 kN，對梁采取底面及兩個側面三面受火的加熱方法，升溫曲線采用ISO-834標準升溫曲線。

考慮混凝土強度、剪跨比及混凝土保護層厚度等不同參數對RC框架梁火災下抗剪性能的影響，選取3組共計9根框架梁進行研究，參數設計如表1所示。

表1　參數設計Tab.1　Parameter design

2　數值模擬

首先利用ABAQUS非線性有限元分析軟件對框架梁的溫度場進行數值模擬，其中，鋼筋和混凝土的熱工參數均根據歐洲規范[15]選取，得到框架梁在三面受火條件下的截面溫度場分布。圖2為梁截面溫度隨時間變化的云圖。由圖2可知，梁三面均勻受火時,等溫線近似呈U型，熱量由外向內緩慢傳導，隨著受火時間的增加，由于混凝土材料的熱惰性，梁內外產生較大的溫度梯度。

(a) 受火30 min

(b) 受火60 min

(c) 受火90 min

(d) 受火120 min

圖2梁截面溫度分布

Fig.2Temperature distribution through the beam depth

梁截面混凝土的溫度隨時間的變化曲線見圖3。可以看出，梁內溫度在受火初期增加較快，中后期趨于平緩，在120 min的受火時間內，梁直接受火的底面及側面最高溫度達到1 000 ℃，梁頂背火面最高溫度超過200 ℃。

圖3　梁截面溫度—時間關系曲線

以梁的溫度場分析結果作為力學計算的基礎，對框架梁火災后的抗剪性能進行分析。框架梁混凝土采用DC3D8單元，鋼筋采用DC1D2單元。本研究取每個單元格尺寸為50 mm×50 mm，高度方向9個單元，寬度方向5個單元，跨度方向80個單元，采用四節點單元。梁的幾何模型及單元劃分如圖4所示。

3　影響因素分析

采用有限元模擬計算的方法分析在集中荷載及高溫作用下RC框架梁的抗剪性能。當梁內箍筋應力超過屈服強度，箍筋開始發生屈服時，認為鋼筋混凝土梁發生斜截面剪切破壞。

3.1混凝土強度對高溫下RC框架梁抗剪性能的影響

圖5是剪跨比采用2.3、混凝土保護層厚度采用30 mm、具有不同混凝土強度的框架梁在火災下其集中荷載作用處的撓度—時間曲線，圖6為火災下梁內箍筋應力—時間關系曲線。由圖5可知，火災發生后的前39 min內，梁在集中荷載作用處的撓度近似呈線性增長， 39 min后，混凝土強度為C35的梁L1撓度突然迅速增加。由圖6可見，此時對應的箍筋應力不再發生變化，達到對應溫度下的屈服強度。隨著混凝土強度的提高，對應的箍筋屈服時間逐漸延后，混凝土強度為C40的框架梁L2在46 min時開始發生剪切破壞，與混凝土強度為C35的框架梁L1相比，其耐火極限提高17.95%；混凝土強度為C45框架梁L3在53 min開始發生破壞，與混凝土強度為C40的框架梁L2相比，其耐火極限提高15.21%。

圖5不同混凝土強度框架梁撓度—時間關系曲線

Fig.5Vertical deflection-time curves of the frame beam with various concrete strength

圖6不同混凝土強度框架梁箍筋應力—時間關系曲線

Fig.6Stirrup stress-time curves of the frame beam with various concrete strength

3.2剪跨比對高溫下RC框架梁抗剪性能的影響

鋼筋混凝土梁的剪跨比是影響梁受剪破壞的重要因素，決定著梁斜截面發生的破壞形式。當剪跨比λ<1，產生斜壓破壞；λ>3，產生斜拉破壞;1≤λ≤3，產生剪壓破壞。混凝土強度等級為C40、混凝土保護層厚度為30 mm、剪跨比λ分別為1.5、2.3及3.0的框架梁在火災下其集中荷載作用處的撓度—時間曲線見圖7，火災下梁內箍筋應力—時間關系曲線見圖8。由圖7可知，火災發生后的前40 min內，梁在集中荷載作用處的撓度近似呈線性增長，40 min后，剪跨比為3.0的框架梁L6撓度曲線發生突變。由圖8可知，此時箍筋應力超過屈服強度，框架梁開始發生剪切破壞。剪跨比為2.3的框架梁L5在60 min時發生剪切破壞，與梁L6相比，其耐火極限提高50%；剪跨比為1.5的框架梁L4在87 min時發生剪切破壞，其耐火極限比梁L5提高45%。由上可知，隨著剪跨比的減小，框架梁火災下的抗剪性能顯著提高。

圖7不同剪跨比框架梁撓度—時間關系曲線

Fig.7Vertical deflection-time curves of the frame beam with various shear span to depth ratios

圖8不同剪跨比框架梁箍筋應力—時間關系曲線

Fig.8Stirrup stress-time curves of the frame beam with various shear span to depth ratios

3.3混凝土保護層厚度對高溫下RC框架梁抗剪性能的影響

圖9是剪跨比采用2.3、混凝土強度采用C40、具有不同混凝土保護層厚度的框架梁在火災下其集中荷載作用處的撓度—時間曲線。圖10為火災下梁內箍筋應力—時間關系曲線。由圖9可知，受火初始，隨著受火時間的增加，梁在集中荷載作用處的撓度近似呈線性增長， 38 min后，混凝土保護層厚度為20 mm的梁L7的撓度突然迅速增加。由圖10可見，此時對應的箍筋應力不再增長，發生屈服。隨著混凝土保護層厚度的增加，對應的箍筋屈服時間逐漸延后，混凝土保護層厚度為30mm的框架梁L8在46 min時開始發生剪切破壞，與梁L7相比，其耐火極限提高21.05%；混凝土保護層厚度為40 mm的框架梁L9在65 min開始發生破壞，與梁L8相比，其耐火極限提高41.30%。由此可以得出，隨著混凝土保護層厚度的增加，框架梁在火災下的抗剪耐火極限顯著提高。

圖9不同混凝土保護層厚度框架梁撓度—時間關系曲線

Fig.9Vertical deflection-time curves of the frame beam with various thickness of concrete cover

圖10不同混凝土保護層厚度框架梁箍筋應力—時間關系曲線

Fig.10Stirrup stress-time curves of the frame beam with various thickness of concrete cover

4　結　論

本研究建立了一榀框架中RC梁的非線性有限元模型，利用模型研究了高溫下不同混凝土強度、剪跨比及混凝土保護層厚度對RC梁抗剪性能的影響，得到以下結論：

①火災下，三面受火的RC框架梁沿截面存在非線性溫度場及較大的溫度梯度，梁受火面溫度遠遠高于非受火面。

②減小剪跨比能顯著提高火災下RC框架梁的抗剪性能，剪跨比為1.5的框架梁耐火極限比剪跨比為2.3的框架梁提高了45%，相同條件下，剪跨比為2.3的框架梁耐火極限比剪跨比為3.0的框架梁提高了50%。在一定范圍內，適當提高混凝土強度可以提高RC框架梁火災下的抗剪能力，但提高效果不夠明顯。

③混凝土保護層厚度增加后，火災作用下混凝土對箍筋的保護作用增強，RC框架梁的抗剪能力顯著提高，混凝土保護層厚度每增加10 mm，框架梁的耐火極限約提高20%。

④進行結構抗火設計時，應盡量減小框架梁的剪跨比，與常溫相比，混凝土保護層厚度應進一步增加，以提高高溫下RC框架梁的抗剪性能，避免梁在火災中發生脆性剪切破壞，以利于消防安全。

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(責任編輯唐漢民裴潤梅)

Research on shear behavior of reinforced concrete frame beams at high temperature

YANG Zhi-nian1,2, CHEN Ming-yuan1,2, WANG Xing-guo1,2, WANG Shao-jie1,2

(1.College of Civil and Architectural Engineering,North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China; 2.Earthquake Engineering Research Center of Hebei Province, Tangshan 063009, China)

In order to study the shear behavior of RC frame beams at high temperature, a nonlinear finite element model is developed. The shear behavior of the beams at high temperature is simulated by heating the model under constant load. The parameters, including concrete strength, shear span to depth ratios and thickness of concrete cover of the fire-damaged RC beams are analyzed. The results show that with the decrease of shear span to depth ratios or the increase of thickness of concrete cover, the shear capacity of fire-damaged RC beam is obviously improved. Under the same conditions, the duration of fire resistance of the beam with a shear span to depth ratio of 1.5 is improved by forty-five percent than that of the beam with a shear span to depth ratio of 2.3, and the duration of fire resistance of the beam with a shear span to depth ratio of 2.3 is improved by fifty percent than that of the beam with a shear span to depth ratio of 3.0. With the increase of every 10 mm in the thickness of concrete cover, the duration of fire resistance of the frame beam is approximately improved by twenty percent. With the increase of concrete strength, the shear capacity of the fire-damaged RC beam is also improved, but the improvement is not obvious. In engineering design, the increase of concrete strength, decrease of shear span to depth ratio and increase of thickness of concrete cover are effective measures to improve the shear behavior of RC beam.

frame beam； high temperature； shear behavior； nonlinear finite element

2016-05-15；

2016-06-18

國家自然科學基金資助項目(51478161)；河北省自然科學基金資助項目(E2014209099)；河北省高等學校科學技術研究項目(QN2016051)

楊志年(1983—)，男，河北唐山人，華北理工大學講師，工學博士；E-mail:yangzhinian1983@163.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1054

TU375.1

A

1001-7445(2016)04-1054-07

引文格式：楊志年，陳明遠，王興國,等.高溫下鋼筋混凝土框架梁抗剪性能研究[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1054-1060.