高溫后鋼筋套筒灌漿節(jié)點損傷分析

任 琦，郭 奇，劉 靜，唐麗君，吳煥娟

(1.中電投工程研究檢測評定中心有限公司,北京 100142； 2.中質華興(北京)技術檢測有限責任公司,北京 102446)

1 概述

隨著建筑工業(yè)化的快速發(fā)展，裝配式混凝土建筑已經(jīng)得到大量應用。而在裝配整體式混凝土結構中，鋼筋的連接是保證裝配式結構整體性的重要因素。目前，鋼筋套筒灌漿連接是裝配式混凝土結構鋼筋連接采用的重要方法之一。當裝配式建筑發(fā)生火災后，其鋼筋套筒灌漿連接部位的損傷評估尤為重要。

對火災后鋼筋套筒灌漿連接性能損傷分析是對經(jīng)歷火災的裝配式結構進行性能評估和修復加固的重要依據(jù)。Zhao[1]從數(shù)值模擬角度研究了高溫條件下，不同錨固長度對套筒灌漿極限荷載的影響，最終發(fā)現(xiàn)套筒在升溫前30 min套筒灌漿內部和外部溫度升高迅速，套筒的極限荷載隨著溫度的升高迅速降低。Ling[2]介紹了套筒灌漿連接的性能。利用套筒限制拼接鋼筋的長度，可以提高鋼筋與灌漿料之間的黏結性能。谷凡[3]對鋼筋套筒灌漿連接構件在高溫情況下的連接性能進行ABAQUS軟件數(shù)值模擬，研究了灌漿料在高溫下的應力狀態(tài)情況。鄧曦[4]從實驗和ABAQUS軟件數(shù)值模擬角度對高溫下鋼筋半套筒灌漿連接的靜力拉伸試驗進行了研究。先分析套筒灌漿高溫下的傳熱問題，其后將得到的套筒灌漿的溫度場作為已知條件來進行熱應力的分析，得到應力應變場。王國慶[5]對套筒灌漿連接試件在高溫下的極限承載力、延性、破壞模式等性能進行試驗研究，并用ABAQUS對連接試件在高溫下的黏結滑移性能進行模擬，得到不同直徑的鋼筋應用套筒灌漿連接的高溫性能。馮世賢[6]進行了高溫后灌漿料抗壓強度試驗，得出了高溫前齡期、冷卻方式、靜置時間對高溫后灌漿料力學性能的影響規(guī)律。周文君[7]對火災高溫條件下套筒灌漿連接鋼筋結點及帶套筒灌漿的鋼筋混凝土結構力學性能進行了研究。

上述學者對高溫下鋼筋套筒灌漿的力學性能研究中，較少關注考慮混凝土保護層影響的套筒灌漿高溫后受力性能的損傷情況。高溫下鋼筋連接的受力性能研究的深度和廣度跟不上裝配式結構的發(fā)展進程。因此，本文考慮單面受火工況的影響，依據(jù)ISO-834標準升溫曲線，對考慮整體墻板的鋼筋套筒灌漿溫度場及損傷情況進行研究。

2 裝配式混凝土剪力墻溫度場模型的建立

2.1 幾何模型

文獻[8]中對高強混凝土剪力墻抗火性能進行了試驗研究，并對試驗試件升降溫全過程的截面溫度場進行了監(jiān)測。本文利用有限元建立文獻[8]中試件相應的溫度場計算模型，用于驗證模型的準確性。試件為C90全現(xiàn)澆高強混凝土剪力墻，墻厚120 mm，水平分布筋及縱向分布筋均為φ8@100，單面受火，試驗時控制升溫時間，不同試件的兩端設置截面尺寸120 mm×200 mm的暗柱，暗柱縱筋為6φ22，箍筋為φ8@100，鋼筋保護層厚度為15 mm。

通過熱力學基本原理中瞬態(tài)熱傳導的基本微分方程，利用初始條件和邊界條件求得微分方程的溫度場結果,進一步可得出火災過程中構件內部的溫度場情況。

鋼筋和混凝土材料的熱工參數(shù)主要包括熱傳導系數(shù)、比熱和密度。本文采用T.T.Lie和Denham[9]提出的混凝土熱傳導系數(shù)和比熱計算公式。鋼筋的熱傳導系數(shù)(λs)較大，導熱性能非常好。但是比熱(Cs)較小，并且隨著溫度而不斷變化。本文采用EC3及EC4[10]給出的鋼筋熱傳導系數(shù)和比熱計算公式進行計算。

2.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

應用ABAQUS有限元軟件建立采用三維實體單元溫度場分析模型進行模擬。研究結果表明，鋼筋對溫度場計算影響較小，因此，模型中忽略鋼筋對溫度場的影響。升溫曲線按照ISO-834標準升溫曲線進行升溫，裝配式混凝土墻板邊界條件主要考慮熱對流傳熱方式，熱對流系數(shù)取25 W/(m2·℃)。溫度場分析模型采用線性熱傳導單元DC3D8劃分網(wǎng)格，溫度場計算模型及其網(wǎng)格劃分如圖1，圖2所示。

2.3 溫度場及力學模型的驗證

利用上述溫度場計算模型計算得到的受火鋼筋混凝土剪力墻各測點溫度(T)-時間(t)關系計算結果如圖3,圖4所示。由圖3可知，墻板整體溫度明顯低于空氣溫度，沿著墻板厚度方向出現(xiàn)了較為明顯的分層現(xiàn)象，同時受火面溫度遠高于非受火面，非受火面墻板表面溫度約為200 ℃。圖4給出了整體墻板溫度場分布，受火30 min 時受火墻面的溫度約為250 ℃，明顯低于空氣溫度。

3 全套筒灌漿節(jié)點溫度場分析

3.1 模型介紹

通過前述有限元分析，驗證了有限元模型建立方法的準確性。為了進一步的分析高溫條件下鋼筋套筒灌漿節(jié)點的溫度場情況，本文選取典型的裝配式剪力墻尺寸進行分析。墻板截面厚度為200 mm，墻板長度為2 620 mm，墻板寬度為2 700 mm，豎向分布鋼筋為φ12@200，水平分布鋼筋為φ10@100，套筒長度為245 mm，直徑為38 mm，套筒壁厚為5 mm，間距為400 mm，呈梅花形布置，墻板尺寸和套筒布置見圖5。墻板作為豎向構件，進行溫度場分析時可簡化為二維模型。同時，研究結果表明，鋼筋對于溫度場的分布影響較小，因此，模型中不考慮水平分布鋼筋和縱向鋼筋的影響。熱力學基本原理和混凝土、鋼筋熱工參數(shù)同2.1節(jié)類似。

3.2 邊界條件和網(wǎng)格劃分

ABAQUS有限元軟件建立溫度場分析模型時，混凝土采用三維實體單元進行模擬。升溫曲線按照實際試驗數(shù)據(jù)進行升溫，裝配式混凝土墻板邊界條件主要考慮熱對流傳熱方式，熱對流系數(shù)取25 W/(m2·℃)，只對混凝土單面板施加溫度荷載。溫度場分析模型采用線性熱傳導單元DC3D8劃分網(wǎng)格。溫度場計算模型及其網(wǎng)格劃分如圖6所示。

隨著森林面積的不斷增加，保護任務加重，森林資源保護手段欠缺。林業(yè)信息化建設薄弱。尤其是森林防火方面，野外火源防不勝防，具有突發(fā)性和撲救的艱巨性。除了南北山各綠化區(qū)有承包單位進行管護外，近幾年營造的重點林業(yè)工程權屬多為集體，隨著林地面積的增加，管護任務日益繁重，亂砍、亂采、亂挖屢禁不止，加劇了地表植被破壞。而我市林業(yè)信息化正處于起步階段，林業(yè)資源信息化發(fā)展存在劣勢。生態(tài)建設的信息資源整合力度不大，缺乏統(tǒng)籌管理，開發(fā)利用滯后，信息化應用跟不上林業(yè)核心業(yè)務的需求。

3.3 計算結果

圖7，圖8給出了整體混凝土墻板和套筒灌漿溫度分布云圖，灌漿料和套筒灌漿溫度分布基本相同，為進一步了解灌漿料溫度場分布情況，主要選擇里外兩排的中間灌漿料作為監(jiān)測對象進行分析溫度情況?？梢钥闯?，沿著套筒灌漿高度方向由內向外溫度變化較小。因此，以灌漿料外側中心點作為監(jiān)測點進行提取溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)圖9可知，監(jiān)測點1的最高溫度分別為420 ℃，642 ℃，775 ℃，860 ℃。監(jiān)測點2的最高溫度分別為491 ℃，701 ℃，816 ℃，888 ℃。兩測點溫度-時間曲線形狀基本一致，升溫初期溫度迅速增高，后期溫度增長較為緩慢。兩者相同時間內，最高溫度差值呈逐漸減小趨勢。

4 套筒灌漿黏結損傷分析

火災過程中，各種因素對水泥基灌漿料高溫力學性能、變形特征以及黏結性能均有不同程度的破壞。高溫后套筒灌漿抗拉破壞形式包括鋼筋受拉屈服和鋼筋刮犁式拔出破壞。破壞形式取決于高溫對灌漿料與鋼筋之間黏結的損傷程度以及對鋼筋的材料損傷。

4.1 鋼筋受拉破壞

高溫后鋼材強度會有不同程度的損傷，對于鋼筋高溫應力(σ)-應變(ε)關系，通過已有的研究表明，采用Lie[11]給出的不同溫度下鋼筋的應力-應變關系模型具有較好的模擬高溫下鋼筋的力學性能。

(1)

其中,εp為與比例極限對應的應變；T為溫度,℃。

PT=fyp(Tm)As

(2)

4.2 鋼筋刮犁式拔出破壞

鋼筋刮犁式拔出破壞承載力取決于鋼筋與灌漿料之間的平均黏結強度τ。根據(jù)EINEA等[12]的研究可知鋼筋與灌漿料之間的平均黏結強度τ可以假設如下:

(3)

其中，k為常數(shù)，取為1.43；fc為高溫下灌漿料的抗壓強度。高溫下灌漿料的抗壓強度可根據(jù)式(4)計算：

(4)

(5)

其中，Pu為黏結力；d為鋼筋直徑；L2為鋼筋連接的錨固長度。

根據(jù)第3節(jié)可知，豎向分布鋼筋為φ12@200，鋼筋常溫屈服強度fy=400 MPa，灌漿料常溫下立方體抗壓強度fcu=100 MPa，鋼筋在灌漿套筒中的錨固長度L2=125 mm。

根據(jù)上述分析可知，考慮混凝土影響的高溫后鋼筋連接用套筒灌漿抗拉強度為鋼筋受拉屈服和鋼筋發(fā)生刮犁式拔出破壞中的較小值。結合溫度場分析結果和強度計算公式，可得出高溫后套筒灌漿連接強度，如表1所示，表1中套筒溫度均取截面的最高溫度。

表1 高溫后鋼筋連接用套筒灌漿連接強度折減

5 結語

本文針對裝配式混凝土剪力墻，利用有限元分析了高溫條件下鋼筋套筒灌漿節(jié)點的溫度場情況，主要得出以下結論：

1)提出了考慮升降溫全過程裝配式剪力墻溫度場模型，分析了單面受火并與現(xiàn)有試驗結果對比，驗證了模型的準確性。

2)通過建立的鋼筋連接用套筒灌漿溫度場分析精細化模型，考慮受火時間、單面受火工況等參數(shù)的影響，對套筒灌漿溫度分布進行了詳細的分析，得出了套筒灌漿隨影響參數(shù)的變化規(guī)律和常用墻板高溫套筒連接強度的損傷大小。