段文峰，卞 博

吉林建筑大學 土木工程學院,長春 130118

近幾年高層建筑火災頻發(fā),據(jù)公安消防局統(tǒng)計,近十年來我國高層建筑共發(fā)生火災3.1萬起,除倒塌建筑外,其余沒有倒塌的建筑結(jié)構(gòu)在保證安全的前提下對其加固后仍可進行使用.而粘鋼加固法在近幾年因施工簡單、周期短、不影響結(jié)構(gòu)外形等優(yōu)點得到了廣泛應用.目前很多學者對常溫鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固的研究日漸增多,高軒能等[1]人對33根RC梁進行了試驗,對比分析了粘鋼位置、鋼板寬厚比等因素對RC梁的撓度、開裂荷載、極限荷載的影響,并在試驗的基礎上提出了粘鋼加固RC梁協(xié)同工作系數(shù)以及抗彎承載力和撓度的計算公式,為實際工程操作提供了依據(jù).吳建國[2]進行了一系列粘鋼加固混凝土梁抗彎試驗,研究了分別采用厚鋼板和高強鋼板加固時鋼筋混凝土梁的受力性能,研究結(jié)果表明,在保證良好協(xié)同工作的前提下,采用厚鋼板或高強鋼板加固與普通鋼板加固并無區(qū)別.于本田等[3]人通過對正?；炷亮汉弯摪寮庸毯蠡炷亮哼M行靜載破壞試驗,研究結(jié)果表明,粘鋼加固后的混凝土梁抗彎性能有較大程度的提升.段文峰等[4]人在前人研究的基礎上總結(jié)歸納了影響鋼板加固混凝土梁剝離破壞的因素并進行了詳細分析.但目前鮮有鋼板加固受火后鋼筋混凝土梁的研究.高溫后加固試驗需要耗費較大的人力、物力、財力,本文采用有限元分析軟件對影響鋼板加固受火后混凝土梁的相關(guān)因素展開討論.

1 溫度場模擬模型

1.1 材料的熱工參數(shù)

材料熱工參數(shù)是溫度場模擬過程中必備的,進行溫度場計算時,采用不同的材料熱工參數(shù),得到的溫度場分析結(jié)果就會不同,所以合理的選擇材料的熱工參數(shù)顯得尤為重要,本文采用文獻[5]提出的熱工參數(shù)計算公式.

1.2 升溫曲線

由于火災的發(fā)生與發(fā)展過程具有較大的不確定性,很多國家相繼制訂了各自標準的火災溫度-時間曲線作為建筑構(gòu)件抗火試驗的依據(jù).本文中采用了應用較為廣泛的ISO-834國際標準組制定的溫度-時間曲線[6]模擬火災后混凝土梁的溫度場,其曲線方程如下：

T=T0+345 lg(8t+1)

(1)

式中,t為升溫時間,min;T0為初始環(huán)境溫度,℃ ;本文模擬取20 ℃.

1.3 建立溫度場模擬模型

混凝土采用DC3D8熱傳遞單元,鋼筋采用DC1D2兩節(jié)點傳熱單元,不考慮混凝土與鋼筋之間的熱阻,用“tie”約束混凝土單元和鋼筋單元節(jié)點的溫度.模擬時假定梁為三面受火,既梁的底面與沿長度方向的兩側(cè)面為受火面,其余面為未受火面,構(gòu)件的受火面一般按照第3類邊界條件設定,構(gòu)件的未受火面則可看成第1類邊界假定.

2 受火后混凝土梁力學性能分析模型

2.1 受火后混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

考慮到混凝土性能受受火時間以及混凝土強度等因素的影響,所以本文采用文獻[7]提出的高溫后混凝土抗壓應力-應變曲線表達式以及受火后混凝土軸心抗壓強度、彈性模量、峰值應變的經(jīng)驗公式.

受火后混凝土抗壓應力-應變曲線如下：

(2)

式中,y=σc/fc(T),x=εc/ε0(T),σc為受火后混凝土壓應力,N/mm2;εc為受火后混凝土壓應變;fcu為常溫狀態(tài)混凝土立方體抗壓強度,N/mm2.

(3)

(4)

ε0(T)={1+3.7×10-2[(T-20)/100]2}ε0

(5)

式中,fc(T)為受火后混凝土軸心抗壓強度,N/mm2;fc為常溫狀態(tài)下混凝土軸心抗壓強度,N/mm2;Ec(T)為受火后混凝土彈性模量,N/mm2;Ec為常溫狀態(tài)混凝土的彈性模量,N/mm2;ε0(T)為受火后混凝土受壓峰值應變;ε0為常溫狀態(tài)混凝土受壓峰值應變.

受火后混凝土抗拉強度根據(jù)文獻[8]的研究成果進行取值,其表達式如下：

(6)

式中,ft(T)為受火T℃后混凝土的抗拉強度,N/mm2;T為受火后梁的溫度,℃.

鋼筋受火后彈性模量Es(T)的表達式取自文獻[5],屈服強度fy(T)則根據(jù)鋼筋的等級分別取自文獻[9]和文獻[10].

2.2 受火后混凝土梁模型的建立

混凝土采用C3D8R,八節(jié)點六面體線性減縮積分單元,鋼筋采用T3D2兩節(jié)點線性三維桁架單元.鋼筋骨架與混凝土之間采用“嵌入?yún)^(qū)域”的約束方式來保證鋼筋與混凝土之間變形的協(xié)調(diào).為防止模型因應力集中而不收斂,分別在兩端和加載點處設置剛性墊塊,墊塊與混凝土之間采用“tie”進行約束.為保證溫度場分析模型結(jié)果能被正確導入力學性能分析模型,網(wǎng)格劃分大小應與溫度場分析模型保持一致.

2.3 承載力驗證

本文選取文獻[11]中的L 5梁進行對比驗證,L 5梁的截面尺寸為b×h=250 mm×400 mm,受火時間為60 min,具體配筋詳圖及加載方式見文獻[11].采用文獻[5]提出的熱工參數(shù)進行溫度場模擬,再將溫度場分析結(jié)果導入到力學分析模型中,力學分析模型的相關(guān)參數(shù)則依據(jù)受火后混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系進行取值,進而可得到L 5梁的荷載-撓度曲線.圖1為采用有限元分析軟件和試驗得到的荷載-撓度曲線,模擬結(jié)果與實驗結(jié)果能較好吻合,證明了受火后混凝土梁有限元分析的可行性.

圖1 模擬驗證Fig.1 Simulation verification

圖2 雙線性本構(gòu)模型Fig.2 Double linear constitutive model

3 鋼板加固受火后混凝土梁力學性能分析模型

傳統(tǒng)的有限元鋼板加固性能分析模型往往假定鋼板與混凝土之間沒有粘結(jié)滑移,兩者可協(xié)同作用[12],高估了結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗彎性能.本文則考慮了鋼板與混凝土之間的粘結(jié)滑移,采用內(nèi)聚力單元模擬鋼板與混凝土界面之間的膠層,鋼板與粘接層的本構(gòu)關(guān)系如下：

3.1 鋼板本構(gòu)關(guān)系

鋼板的本構(gòu)關(guān)系采用理想彈塑性模型[13],其表達式如下：

(7)

式中,σ為鋼板應力,N/mm2;ε為鋼板應變;ε0為屈服應變;fy為屈服應力,N/mm2;E0為初始彈性模量,N/mm2.

3.2 粘接層本構(gòu)關(guān)系

粘接層采用雙線性本構(gòu)模型,如圖2所示.在材料達到損傷起始應力tmax之前處于線彈性階段(點1到點2),其斜率K為罰剛度.之后為以線性進行軟化的剛度降低段(點2到點3),δ0為損傷起始位移,δf為損傷失效位移,d為當δ處于δ0與δf之間時定義的損傷因子,其取值范圍從0(損傷起始)到1(損傷失效)逐漸增加.法向斷裂能釋放率按圖中三角形所圍成的面積計算即可,切向斷裂能釋放率的計算公式取自文獻[14].其中，粘結(jié)劑采用型號為ESA的高性能建筑結(jié)構(gòu)膠,廠家提供的膠層材料具體性能參數(shù)見表1.

表1 粘結(jié)劑性能Table 1 Mechanical properties of binder

3.3 鋼板加固受火后混凝土梁模型的建立

為防止鋼板剝離脫落,可在鋼板兩端加貼U形箍板[15],構(gòu)件加固需要在圖3所示的3種界面涂抹膠層,界面1為U形箍板與鋼板之間的黏結(jié)界面,界面2為鋼板與混凝土黏結(jié)界面,界面3為U形箍板與混凝土黏結(jié)界面,在模擬時3個界面均采用內(nèi)聚力單元進行模擬.內(nèi)聚力單元的損傷起始準則采用二次名義應力準則,損傷擴展準則采用基于能量的形式.膠結(jié)層采用“掃掠”的網(wǎng)格劃分方式沿膠層的厚度方向進行劃分,同時為保證模型具有較好收斂性,膠層與鋼板和混凝土接觸面的網(wǎng)格劃分應保持一致.有限元模型如圖4所示.

圖3 加固梁界面模型Fig.3 Interface model of strengthened beam

圖4 有限元模型Fig.4 Finite element model

4 鋼板加固受火后混凝土梁影響因素分析

4.1 試驗梁模型

鋼筋混凝土梁截面尺寸為b×h=180 mm×250 mm,跨度L=2 000 mm,計算跨度為1 800 mm,混凝土等級為C30,混凝土保護層厚度為20 mm;在梁底部配置兩根直徑為14 mm的受拉筋,受壓鋼筋直徑為10 mm;箍筋直徑為8 mm,加密區(qū)箍筋間距100 mm,非加密區(qū)箍筋間距150 mm,以上所用鋼筋均為HRB400,三面受火.配筋詳圖及尺寸如圖5所示.

圖5 試驗梁尺寸及截面配筋Fig.5 Dimension and reinforcement of RC beams

受火后混凝土梁通過在底部粘結(jié)型號為Q 235的鋼板進行加固,鋼板寬度為180 mm,厚度為2 mm.為保證加固梁不發(fā)生剝離破壞,在鋼板兩端各設置1道U型鋼板箍進行錨固,寬度為90 mm,厚度為2 mm.以粘結(jié)鋼板長度為1.5 m的加固梁為例,其加固情況如圖6所示.

圖6 試驗梁鋼板加固示意圖Fig.6 Steel plate reinforcement diagram

通過改變受火時間、粘接層厚度、鋼板長度來研究構(gòu)件抗彎承載力的變化,有限元分析構(gòu)件的設計參數(shù)見表2.

表2 構(gòu)件參數(shù)Table 2 Specimen parameter

4.2 溫度場模擬結(jié)果

圖7為受火時間為60 min,90 min,120 min對應的溫度云圖,通過圖像可以看出,當混凝土梁三面受火時,截面的溫度呈層狀由受火面向內(nèi)部逐漸降低,等溫線呈U形分布.隨著受火時間的增加,混凝土溫度逐漸升高,但增長趨勢逐漸緩慢.

(a) 受火60 min (b) 受火90 min (c) 受火120 min圖7 梁界面溫度分布(單位:℃)Fig.7 Beam-section temperature distribution(Unit:℃)

4.3 影響因素分析

4.3.1 受火時間

圖8為不同受火時間下構(gòu)件的荷載-跨中撓度曲線,從圖8中可以看出受火時間對構(gòu)件的抗彎承載力有較大的影響,隨著受火時間的增加,構(gòu)件的剛度、屈服荷載降低,且受火時間越長,構(gòu)件的剩余承載力降低越明顯.

4.3.2 膠層厚度

圖9為不同膠層厚度構(gòu)件的荷載-跨中撓度曲線,由模擬結(jié)果可知，隨著膠層厚度的增加,構(gòu)件的剛度只發(fā)生了微小的變化,3條曲線幾乎重合在一起,究其原因是膠層的彈性模量較小,因此對構(gòu)件剛度的增長幾乎沒有影響.

4.3.3 鋼板長度

圖10為保證其他影響因素一致,對粘結(jié)不同鋼板長度構(gòu)件模擬得到的荷載-跨中撓度曲線,加固構(gòu)件隨著鋼板長度的增加,其抗彎承載力也產(chǎn)生不同程度的增加,但增加幅度逐漸緩慢.在實際工程中,粘結(jié)鋼板長度過長對構(gòu)件的抗彎承載力提升不大且會造成不必要的資源浪費,故在加固過程中保證有效的粘結(jié)長度既可.

圖8 不同受火時間Fig.8 Different fire time 圖9 不同膠層厚度Fig.9 Different thickness of adhesive layer 圖10 不同鋼板長度Fig.10 Different steel plate lengths

5 結(jié)論

(1) 受火后混凝土梁截面溫度由外向內(nèi)逐層遞減,且截面溫度隨著受火時間的增加而增加,但增長趨勢逐漸變緩.

(2) 本文建立了鋼板加固受火后混凝土梁力學性能分析模型,模型分析過程結(jié)合有限元軟件ABAQUS的熱分析和力學分析,設置粘結(jié)單元模擬鋼板與混凝土之間的界面,通過對受火構(gòu)件荷載-撓度曲線的研究可以得出，隨受火時間的增加,構(gòu)件的抗彎性能產(chǎn)生降低.

(3) 增加鋼板長度可以提高構(gòu)件的抗彎承載力,但提高幅度逐漸緩慢;膠結(jié)層厚度對構(gòu)件的抗彎承載力幾乎沒有影響,在實際工程中,膠層涂抹厚度適度即可.