張翔，毛小勇,徐良進

（蘇州科技學院江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇蘇州215011）

外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能研究

張翔，毛小勇,徐良進

（蘇州科技學院江蘇省結構工程重點實驗室，江蘇蘇州215011）

利用有限元軟件ABAQUS建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱的溫度場和力學分析模型，應用鋼筋混凝土柱的抗火試驗數(shù)據對模型進行驗證。采用驗證后的模型分析了軸壓比、偏心率、荷載比以及承載力提高系數(shù)對外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響規(guī)律。分析結果表明：隨著軸壓比、荷載比和偏心率的增加，加固柱的耐火極限減小。對于軸心受壓柱，承載力提高系數(shù)的增加對加固柱耐火極限影響很??；對于偏心受壓柱，隨承載力提高系數(shù)的增大加固柱的耐火極限增大，但增幅有限。在荷載比相同的前提下，偏心率對柱的耐火極限影響不顯著。

外包鋼加固鋼筋混凝土柱；抗火性能；溫度場；鋼筋混凝土柱

外包鋼加固鋼筋混凝土柱，是在混凝土柱四周包以角鋼的加固方法[1]。該方法可在不顯著增大原柱截面面積的前提下，大幅度提高柱的承載能力，且現(xiàn)場工作量較小，施工快捷。作為加固規(guī)范[2]中的方法之一，外包鋼加固鋼筋混凝土柱在實際工程中得到了廣泛應用[3-4]。

目前，研究多集中于外包鋼加固鋼筋混凝土柱的承載能力[5-6]，很少考慮其在火災下的反應[7-8]。由于加固后柱的承載力顯著增加，其在火災下的危險性高于普通鋼筋混凝土柱。按照加固規(guī)范的構造要求所規(guī)定的水泥砂漿保護層厚度（25 mm），遠達不到加固柱的耐火保護要求。在火災作用下，由于界面粘結處結構膠融化、砂漿承載力低及角鋼導熱性優(yōu)良，將易造成加固柱外部砂漿層的剝落，導致加固角鋼直接暴露于火災熱場中。因此，隨著外包鋼加固技術的推廣和應用[9]，外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能及設計方法成為一個急需解決的問題。

針對上述現(xiàn)狀，文中建立了加固柱在四面受火條件下的抗火分析模型，并研究了各參數(shù)對火災下外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響，可為外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火設計提供參考。

1 外包鋼加固鋼筋混凝土柱的有限元模型

1.1 有限元模型簡介

加固柱模型由4部分組成（見圖1），分別是鋼筋骨架、內層混凝土、加固角鋼與綴板、外層水泥砂漿保護層，根據《混凝土結構加固設計規(guī)范》[2]要求，型鋼及混凝土表面涂抹25 mm的高強度水泥砂漿作為保護層。

利用ABAQUS軟件中的順序熱-力耦合功能進行外包鋼加固鋼筋混凝土柱有限元模型的抗火性能分析，即首先分析各部分的溫度場，然后將計算得到的溫度場作為體荷載進行后續(xù)的力學分析。

溫度場分析時，角鋼、綴板、水泥砂漿和混凝土采用DC3D8單元模擬，鋼筋采用DC1D2單元模擬，鋼筋、角鋼、綴板與水泥砂漿、混凝土對應接觸部位采用綁定約束。力學分析時，角鋼、綴板、水泥砂漿和混凝土采用C3D8R單元模擬，鋼筋采用T3D2單元模擬。鋼筋、角鋼和綴板采用嵌入約束（EMBEDED）嵌入到對應模型中，端板與相對應接觸的部位采用綁定約束（TIE）。

鋼材的高溫本構模型及熱工參數(shù)采用Lie[10]的應力應變曲線；混凝土的高溫本構模型及熱工參數(shù)采用Kodur[11]的應力應變曲線；混凝土高溫下的受拉應力應變曲線采用文獻[12]中給出的簡化雙折線模型。外層水泥砂漿保護層的熱工參數(shù)如下：密度2 000 kg/m3，比熱容及導熱系數(shù)和混凝土的熱工參數(shù)相同。

火災升溫采用ISO834標準的升溫曲線，柱四面受火。

圖1 外包鋼加固鋼筋混凝土柱的有限元模型

1.2 模型驗證

由于目前尚無外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能試驗，利用文獻[13]中NC1鋼筋混凝土柱的抗火試驗結果對上述模型進行驗證，可在一定程度上反映模型中單元、材料、邊界及約束關系的合理性。

試件NC1長3 810 mm，豎向荷載為1 181 kN，截面尺寸300 mm×300 mm，混凝土保護層厚度30 mm，縱筋為4Φ25，箍筋采用Φ8@100（200），受火面長度為3 000 mm。

圖2為模擬結果和試驗結果的對比情況，可以看出溫度場的計算結果與試驗結果吻合良好，軸向變形的模擬曲線與試驗曲線基本一致。

圖2 有限元模擬與試驗結果對比

2 加固柱參數(shù)及設計

試件加固前基本參數(shù)如下：柱長L=3 800 mm，截面尺寸300 mm×300 mm，混凝土抗壓強度fc=30 MPa，縱筋采用4Φ22鋼筋，箍筋為Φ8@100（200）。加固角鋼尺寸分別為L75×8、L90×10、L100×10、L100×12、L110×12、L110×14等6種，綴板尺寸240×40×6，角鋼與綴板均為HPB235鋼材。

鋼筋混凝土柱的極限承載力通過《混凝土結構加固設計規(guī)范》[2]計算，外包鋼加固鋼筋混凝土柱的極限承載力通過《混凝土結構設計規(guī)范》[14]計算。加固前、后柱軸力-彎矩相關曲線見圖3。

由圖3可知，柱豎向承載力顯著提高。在相同軸力水平下，柱抗彎能力提高超過一倍。這是由于外包鋼位于加固柱最外側，可有效抵抗彎矩作用。

圖3 承載力包絡圖

3 加固柱抗火性能參數(shù)分析

針對以上加固柱構件，分析了軸壓比m、荷載偏心率e、荷載比μ以及承載力提高系數(shù)β等4個參數(shù)對外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響。

3.1 軸壓比的影響

軸壓比m=N/fcA。其中，N為加固柱實際承受的軸力；fc為混凝土常溫下棱柱體的強度，A為截面面積。分析時m分別取值0.4、0.6、0.8、0.9、1.0。

圖4（a）、圖4（b）分別為軸心受壓（e=0）和偏心受壓（e=0.4）時柱軸向位移變化曲線。由圖4可見，隨著升溫時間增加，加固柱軸向位移的變化趨勢是先增大然后逐漸減?。浑S著軸壓比不斷增大，加固柱在升溫時出現(xiàn)的軸向最大膨脹變形越來越小。這是由于軸壓比的增加將使混凝土和加固角鋼承受更大的應力，而角鋼位于柱外側區(qū)域，火災下溫度上升較快，其承載能力隨升溫時間增加顯著降低，荷載向內部的鋼筋混凝土柱轉移，一旦達到高溫下混凝土的抗壓強度，柱即發(fā)生破壞，從這個角度講，火災下加固柱比普通混凝土混凝土柱更加危險；加固柱軸壓比越大，則其受壓產生的軸向壓縮越大，而加固柱因熱膨脹產生的軸向膨脹變形一定，故其軸向最大膨脹變形越來越小。

3.2 偏心率的影響

荷載偏心率e=e0/b。其中，e0為初始偏心距，b為偏心方向的相應邊長。分析時，e分別取值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5及0.03、0.07、0.10、0.13、0.18、0.20、0.23。

圖5（a）、圖5（b）中給出了偏心率e不同時加固柱軸向位移變化曲線。由圖5可見，在其他參數(shù)相同的前提下，隨著偏心率的增加，加固柱的耐火極限顯著減小。這是由于偏心率的增加意味著柱承受的彎矩增加。由于彎矩主要由外側的角鋼承受，故角鋼中的應力明顯加大。一旦位于外側的角鋼在高溫下失效，柱抗彎能力將顯著下降，導致耐火極限降低。

圖4 不同軸壓比下加固柱軸向位移變化曲線

圖5 不同偏心率下加固柱軸向位移變化曲線

3.3 荷載比的影響

荷載比μ=P0/Pu。其中，P0為常溫下柱的軸力；Pu為常溫下柱的極限承載力。分析時μ分別取值0.4、0.6、0.7、0.8。

圖6（a）、（b）為偏心率不同時，不同荷載比作用下加固柱軸向位移隨時間的變化曲線。由圖6可見，隨著荷載比增大，加固柱的耐火極限迅速減小。究其原因，荷載比μ增加則加固柱承受的軸向荷載增加，加固柱所能提供的剩余承載力減小，由于鋼材和混凝土在升溫時材性變差，故加固柱剩余承載力隨升溫時間增加逐漸降低。一旦在該荷載比下加固柱的剩余承載力減小為零，柱即發(fā)生破壞。

3.4 承載力提高系數(shù)的影響

承載力提高系數(shù)β=N1/N2。其中，N1為鋼筋混凝土柱由不同尺寸角鋼加固后所得加固柱在常溫下的極限承載力，N2為未加固鋼筋混凝土柱在常溫下的極限承載力。圖7（a）、圖7（b）、圖7（c）、圖7（d）分別對應荷載比μ=0.5、0.7、0.5、0.7，以及偏心率e=0.4、0.4、0、0條件下，軸向位移隨時間的變化曲線。各圖軸向壓力均是定值，其值為未加固鋼筋混凝土柱極限承載力乘以各圖對應的荷載比，其中不同值所對應的加固角鋼尺寸見表1。

圖6 加固柱軸向位移曲線

圖7 不同承載力提高系數(shù)下加固柱軸向位移變化曲線

表1 承載力提高系數(shù)-角鋼尺寸

由圖7可見，隨著加固柱承載力提高系數(shù)β增大，加固柱的耐火極限增大；當荷載比較小時，β增大，加固柱的耐火極限略微增加；當荷載比較大時，β增大，加固柱的耐火極限顯著增加。這是由于β增大則加固柱的極限承載力增大，加固柱需受火至更高溫度，使其內部鋼材和砼的材性進一步降低，以材料達到該荷載比作用下的破壞強度。

當荷載比較小時，由于內部鋼筋混凝土柱能夠承受外部角鋼因受熱失效而轉移來的荷載，角鋼受熱失效后內部混凝土柱不致馬上破壞，故β增大僅使柱的耐火極限略微增加；而當荷載比較大時，內部鋼筋混凝土柱無法承受外部轉移來的荷載，β增大使加固柱整體承載能力增加，故加固柱的耐火極限明顯增加。

圖8（a）、圖8（b）為荷載比μ一定時，軸心受壓與偏心受壓加固柱的耐火極限與β的關系。可見當荷載比一定時，承載力提高系數(shù)增加，加固柱耐火極限略微減小。這是由于當荷載比相同時，承載力提高系數(shù)增大，則加固柱整體承受的荷載也增大，角鋼將分擔更大比例的荷載，而一旦高溫下角鋼材性變差無法承受其原有荷載，則其所受荷載將轉移至內部鋼筋混凝土柱，這將使得內部鋼筋混凝土柱在高溫下承受更大作用的荷載，從而導致其耐火極限降低。

圖8 β-加固柱耐火極限變化

4 結論

應用ABAQUS建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱的有限元模型，并對軸力作用下外包鋼加固鋼筋混凝土柱的抗火性能進行了參數(shù)分析，結論如下：

（1）隨著加固柱軸壓比增大，加固柱的耐火極限減?。浑S著加固柱偏心率增加，加固柱的耐火極限減??；當荷載比較大時，偏心率略微增加，將導致加固柱的耐火極限顯著減小。

（2）當加固柱荷載比較大時，隨著加固角鋼尺寸的增大，加固柱耐火極限明顯增加；當加固柱荷載比較小時，加固角鋼尺寸的增大對加固柱耐火極限的影響可以忽略。

（3）當加固柱的荷載比增加時，加固柱的耐火極限減小；軸心與偏心受壓加固柱當其荷載比相同時，兩者的耐火極限基本相同

（4）當荷載比為定值時，承載力提高系數(shù)提高，加固柱耐火極限略微減小。

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Fire performance of concrete columns strengthened with angle steel

ZHANG Xiang，MAO Xiaoyong，XU Liangjin
（Jiangsu Key Laboratory of Structural Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

The thermal field and mechanical performance model of reinforced concrete columns strengthened with angle steel were established by using FEA software ABAQUS．The FEA model was verified by the fire performance test results from the reinforced concrete columns．The validated model was then used to analyze the influence of related factors on fire resistance,including axial compression ratio,load eccentricity ratio,load ratio and increasing coefficient of carrying capacity．From the results,we can see that the fire resistance of the strengthened columns decreases with the increase of axial compressive ratio,load eccentricity and load ratio．For the eccentric compression columns,the fire resistance of the strengthened columns increases little with the increase of improvement of bearing capacity coefficient,but the increase is limited．Under the same load ratio,the eccentricity ratio presents little influence on the fire resistance limit of the above-mentioned columns．

strengthened with angle steel;fire resistance;temperature field;RC columns

TU352

A

1672-0679（2015）01-0037-04

（責任編輯：秦中悅）

2014－04－16

江蘇省“333工程”中青年學術帶頭人項目（2011-24）；江蘇省“六大人才高峰”項目（2012-JS-004）

張翔（1989-），男，江蘇蘇州人，碩士研究生。