溫 凱，劉 猛，許兆友，張之驍

（遼寧工業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

增大截面法加固是加固行業(yè)應(yīng)用最早的加固方法，通過增加構(gòu)件的截面面積和配筋來提高構(gòu)件的承載能力和整體剛度。隨著加固構(gòu)件越來越多，有必要對(duì)其耐火性能進(jìn)行研究。

目前已有部分學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土加固柱的耐火性能進(jìn)行了研究，其中趙英杰[1]通過試驗(yàn)和有限元的方法對(duì)鋼管-碳纖維復(fù)合加固鋼筋混凝土柱的抗火性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證了該加固方法的可靠性，并提出了該復(fù)合加固鋼筋混凝土柱在火災(zāi)作用下的極限承載力計(jì)算公式；張翔等[2]采用ABAQUS軟件建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱有限元分析模型，討論了軸壓比、偏心率、荷載比以及承載力提高系數(shù)對(duì)加固柱抗火性能的影響，結(jié)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，增加承載力提高系數(shù)對(duì)軸心受壓柱耐火極限影響很小，對(duì)偏心受壓柱的耐火極限影響較大，但影響幅度有限；曲正[3]在考慮二次受力的基礎(chǔ)上采用ABAQUS 軟件建立了外包鋼加固鋼筋混凝土柱有限元模型，討論了不同荷載比、偏心率、配筋率和角鋼尺寸對(duì)二次受力下外包鋼加固鋼筋混凝土柱抗火性能的影響并提出有關(guān)抗火設(shè)計(jì)建議。在火災(zāi)作用下，鋼材表面的砂漿保護(hù)層極易脫落，且鋼材的耐高溫性能較差，當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃以后，鋼材的強(qiáng)度和彈性模量急劇下降，因此鋼加固鋼筋混凝土柱在火災(zāi)下的危險(xiǎn)性較高。

增大截面法加固方法不僅耐久性高，還能夠改變加固結(jié)構(gòu)的自振頻率，而且目前關(guān)于增大截面法加固鋼筋混凝土柱耐火性能的研究較少，為此，本文采用ABAQUS 有限元軟件建立增大截面法加固鋼筋混凝土柱溫度場(chǎng)和耐火極限分析有限元模型，對(duì)不同參數(shù)影響下加固柱的耐火極限進(jìn)行分析。

1 有限元模型的建立與驗(yàn)證

1.1 模型建立

在ABAQUS 中建立增大截面法加固鋼筋混凝土柱有限元模型時(shí)，鋼筋及混凝土的熱工參數(shù)均按照Lie 等[4]提出的公式計(jì)算，力學(xué)性能參數(shù)中混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、抗壓強(qiáng)度以及鋼筋的屈服強(qiáng)度均按照清華大學(xué)過鎮(zhèn)海等[5]提出的公式計(jì)算，鋼筋的彈性模量按照歐洲規(guī)范EC3[6]提出的公式計(jì)算，混凝土的彈性模量按照文獻(xiàn)[7]提出的公式計(jì)算。在進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，鋼筋的單元類型為DC1D2，混凝土的單元類型為DC3D8，在進(jìn)行耐火極限分析時(shí)，鋼筋的單元類型為T3D2，混凝土的單元類型為C3D8R。耐火極限模型的網(wǎng)格劃分需與溫度場(chǎng)模型保持一致，以便能夠正確讀入節(jié)點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)。

增大截面法加固鋼筋混凝土柱有限元模型如圖1 所示。

圖1 有限元模型圖

1.2 模型驗(yàn)證

利用ABAQUS 軟件對(duì)文獻(xiàn)[8]中標(biāo)號(hào)為NC1 的鋼筋混凝土柱進(jìn)行耐火性能模擬，以此來驗(yàn)證上述模型的正確性。試件NC1 長(zhǎng)2 400 mm，截面尺寸為200 mm×300 mm，豎向荷載為784 kN，混凝土采用C30 商品混凝土，養(yǎng)護(hù)28 d 實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為34.3 MPa，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm，柱內(nèi)縱筋和箍筋均采用HRB400 鋼筋，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度分別為430、587 MPa，彈性模量為2.0×105MPa。柱四面受火，火災(zāi)升溫曲線采用ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。柱中熱電偶布置在柱高1/2 和1/4 處，布置情況見圖2。

圖2 柱內(nèi)熱電偶布置

圖3 為鋼筋混凝土柱內(nèi)部距表面50 mm處混凝土溫度試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比情況，圖4 為柱頂軸向位移隨受火時(shí)間變化的試驗(yàn)?zāi)M對(duì)比情況。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，二者差距較小，所以本文有限元參數(shù)選取和模型建立是正確的。

圖3 溫度場(chǎng)對(duì)比

圖4 柱頂軸向位移對(duì)比

2 加固柱參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 基本參數(shù)

加固前鋼筋混凝土柱長(zhǎng)L為3 000 mm，截面尺寸為400 mm×400 mm，混凝土抗壓強(qiáng)度為32.8 MPa，縱筋為4φ25 鋼筋，中部箍筋為φ8@200，端部箍筋為φ8@100，縱筋的屈服強(qiáng)度為349.7 MPa，抗拉強(qiáng)度為536.5 MPa；箍筋的屈服強(qiáng)度為370.0 MPa，抗拉強(qiáng)度為464.5 MPa。加固層所用混凝土抗壓強(qiáng)度為30 MPa，加固混凝土厚度為30 mm。

2.2 耐火極限判定標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB/T 9978—1999《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》中的規(guī)定，當(dāng)柱構(gòu)件軸向變形大于h/100(mm)或軸向變形速率大于3h/1 000(mm/min)時(shí)，柱構(gòu)件失去穩(wěn)定性達(dá)到其耐火極限。h為柱構(gòu)件耐火試驗(yàn)時(shí)的初始受火高度，mm。

3 增大截面法加固鋼筋混凝土柱 耐火性能分析

3.1 軸壓比對(duì)耐火極限的影響

圖5 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同軸壓比下的變化規(guī)律。由圖5 可以看出，軸壓比對(duì)加固柱耐火極限的影響較為顯著，軸壓比越大，耐火極限越短，這是因?yàn)檩S壓比變大，柱頂豎向荷載變大，柱受火后高溫膨脹變形越不明顯，隨著溫度升高，鋼筋和混凝土材料性能下降越快，柱豎向變形就越大，達(dá)到耐火極限的時(shí)間就更早。因此減小軸壓比，有利于提高柱的耐火極限。

圖5 軸壓比對(duì)耐火性能的影響

3.2 配筋率對(duì)耐火極限的影響

圖6 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同配筋率下的變化規(guī)律。由圖6 可以看出，加固柱的耐火極限隨著柱截面配筋率的提高逐漸增加，但增加幅度有限，這是因?yàn)樘岣咧慕孛媾浣盥?，只能較小幅度等地提高柱截面極限承載力，且在受火初期，不同配筋率的加固柱的軸向位移基本相同。所以配筋率對(duì)加固柱耐火極限的影響較小。

圖6 配筋率對(duì)耐火極限的影響

3.3 加固層厚度對(duì)耐火極限的影響

圖7 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同加固層厚度下的變化規(guī)律。由圖7 可以看出，加固層厚度對(duì)加固柱耐火極限的影響較大，加固層越厚，柱的耐火時(shí)間越長(zhǎng)，這是因?yàn)殡S著加固層厚度的增加，柱內(nèi)部混凝土在高溫情況下升溫速度變緩，材料性能下降變慢，而且增加加固層厚度，柱截面尺寸變大，荷載比變小，柱所能承受的極限荷載變大，柱破壞的時(shí)間就越晚。因此增加加固層厚度，有利于提高柱的耐火極限。

圖7 加固層厚度對(duì)耐火極限的影響

3.4 荷載比對(duì)耐火極限的影響

圖8 為鋼筋混凝土加固柱耐火極限在不同荷載比下的變化規(guī)律。由圖8 可以看出，加固柱耐火極限受荷載比的影響較大，柱的耐火極限隨著荷載比增加而縮短，這是因?yàn)樵谥孛娉叽绮蛔兊那闆r下，荷載比變大，柱頂承受的豎向荷載變大，柱的壓縮變形變大，柱達(dá)到極限荷載的時(shí)間就越早。因此減小荷載比，有利于提高柱的耐火極限。

圖8 荷載比對(duì)耐火極限的影響

4 結(jié)論

利用有限元軟件ABAQUS 對(duì)增大截面法加固鋼筋混凝土柱進(jìn)行建模，通過分析軸壓比、配筋率、加固層厚度和荷載比等參數(shù)對(duì)加固柱耐火極限的影響，得出如下結(jié)論。

(1)軸壓比對(duì)加固柱的耐火極限影響較為顯著，隨著軸壓比的增加，加固柱的耐火極限急劇減小，當(dāng)軸壓比為0.4 和0.7 時(shí)，加固柱的耐火極限相差近120 min。

(2)加固層厚度對(duì)加固柱的耐火極限影響不大，不同加固層厚度對(duì)加固柱耐火極限的影響程度差別較大，當(dāng)加固層厚度為30 mm 和45 mm 時(shí)，耐火極限相差約60 min。

(3)加固柱耐火極限受荷載比的影響較大，隨著荷載比增加，加固柱耐火極限逐漸下降且下降曲線接近線性，當(dāng)荷載比為0.5 和0.8 時(shí)，加固柱耐火極限相差約90 min。

(4)截面配筋率對(duì)加固柱耐火極限的影響較小，當(dāng)配筋率分別為1%和4%時(shí)，加固柱耐火極限僅相差約50 min。