火灾后方钢管约束加固钢筋混凝土柱力学性能数值模拟

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　　摘要：对外包钢管约束加固火灾后钢筋混凝土柱力学性能进行了数值模拟，分别建立了受火钢筋混凝土构件的温度场分析模型及加固后构件的三维单元力学分析模型。使用ABAQUS有限元软件对外包钢管约束加固火灾后钢筋混凝土柱采用顺序耦合热-应力。分析结果表明：加固后钢筋混凝土柱的承载力和刚度都会明显提高，组合柱力学性能将得到大大改善。分析结果可为有关工程应用提供参考。

　　关键词：钢筋混凝土;火灾后;外包钢管;数值模拟

　　0前言

　　火灾日益频发，对人民生命财产损失安全影响越来越大，火灾已成为严重威胁社会安全的问题[1]。火灾会导致建筑结构及构件不同程度的损伤，从而影响结构安全。但尽管如此，当建筑物受损不至于破坏时，可以通过合理的加固修复手段使得结构及构件继续服役。火灾后大部分钢筋混凝土构件经过加固维修后即能满足原设计要求，少数情况下可能需要拆除重建。当能够比较准确地进行火灾后钢筋混凝土构件剩余力学性能(如剩余承载力和刚度等)的评估，合理评价其损伤程度，从而选择合理的修复加固方法即可实现受损后构件的继续使用[2]。对于钢筋混凝土结构及构件火灾后常用加固方法有：加大截面修复法[3]、粘钢加固法、喷射混凝土法、外加预应力加固法、粘贴碳纤维加固法以及置换法等。对加大截面修复方法进行改进提出加固受火后受损的钢筋混凝土柱的新方法，此种加固方法简单易行，可被广泛的应用于结构的维修和加固。

　　为明确采用加大截面加固火灾后钢筋混凝土柱的性能，确定合理的修复加固措施和方案，本文采用ABAQUS软件建立了受火后钢筋混凝土柱加大截面加固后分析的数值模型，初步讨论了采用该方法加固后承载力及刚度等指标的变化。

　　1方钢管加固方钢筋混凝土柱原理

　　遭受火灾损伤的构件进行修复加固的原则：加固修复后结构强度、刚度和延性基本能恢复到受火前状态，即修复后结构的质量和刚度变化不应超过原结构的5%和10%，以避免修复后结构的动力特性改变而影响整体结构的抗震性能[1]。作为压弯构件的柱，其承载力、刚度和延性指标可由其荷载-位移曲线确定，因此该类构件的加固修复原则也可以理解为修复后柱的荷载-位移曲线与未受火时接近。

　　钢筋混凝土柱经过高温后，承载力及柱的延性，刚度都大大降低，钢筋混凝土的表面部分混凝土受损严重。根据文献[2]，一般以500℃线作为钢筋混凝土构件烧损深度线，这是基于500℃以下的混凝土还具有较高的承载力，能满足与新混凝土的界面粘结需要，以及考虑施工等综合原因确定的。高温过火后，凿除混凝土保护层，外套钢管，并在空隙间浇筑混凝土，可保证新浇筑混凝土和受火后混凝土之间良好的粘结。这样的加固后的构件可达到共同工作、整体受力的目的。

　　根据《混凝土设计规范》设计典型方形截面钢筋混凝土柱，轴压比为0.4(标准值)，截面为600mm×600mm，柱高4.2m，C40混凝土，纵筋配筋率2.74%，箍筋φ10@200。在ISO-834标准火灾下受火90min。因此在获得柱表面最高温度Tf和柱截面中心点最高温度Tc后，烧损深度即可确定。

　　对于算例，根据后面温度场计算，去除柱保护层即可，外套方形钢管并在其中浇筑混凝土。采用Q235钢材，新浇筑的混凝土等级采用C40。钢管两端长度缩短10mm，这样钢管并不直接承担纵向轴力，以实现钢管只起约束作用，能更好的发挥钢材抗拉性能。为方钢管为B×t=640mm×3.5mm。钢筋混凝土柱及加固示意如图1所示。

　　(a)原钢筋混凝土柱(b)方钢管加固后

　　图1外包钢管约束加固火灾后钢筋混凝土柱示意

　　Fig.1StrengtheningapproachoftheRCcolumnsafterfirewithwrappedsteeltube

　　2钢筋混凝土柱温度场数值模拟

　　对方钢筋混凝土柱火灾后方钢管加固力学性能的数值模拟，采用顺序耦合热-应力分析。先进行热分析求解，得出标准火灾作用下构件温度场的分布。在温度场分析之后进行构件力学分析，设置材料属性，并将进行的热分析单元转化为相应的结构单元，读入热分析中的节点温度，然后进行相应的计算。

　　2.1钢筋混凝土柱温度场分析

　　材料的热工参数：钢与混凝土的传热系数、比热、密度等。材料的热工参数选择，参见文献[5]。

　　在火灾作用下，热流体通过热辐射和对流传热与混凝土表面进行热传递，属于第三类边界条件。有限元热分析建模时，钢管采用热分析四节点壳单元DS4，混凝土采用八节点三维热分析实体单元DC3D8，钢筋采用采用热分析单元DC1T2。有限元热分析建模中，将原钢筋混凝土保护层为界分别建立。再将这两部分混凝土用绑定(Tie)约束在一起，使传递热。除原钢筋混凝土柱两部分以外，其余部分之间可暂不考虑接触，即按绝缘考虑。模拟时，设定初始环境温度为20℃，再按照ISO-834标准升温曲线进行升温加载。柱周围表面按照第三类边界条件考虑对流传热和热辐射，受火构件表面的对流传热系数取25W/m2•K、热辐射系数取0.5。所建模型的属性设置中设置相应的Stefan-Boltzmann常数(5.67×10-8W/m2•K4)和绝对零度(-273℃)。

　　为了在结构分析中调用温度场分析结果，必须在输入文件(*.inp)中写入命令“MODEFILE，NT”，计算结果产生一个节点温度文件(*.fil)，将升温过程中构件所有节点的温度存入输出文件(*.fil)中。

　　2.1.1材料本构关系

　　(1) 钢材本构关系模型

　　高温受火90min后，由于保护层的存在，由后边温度场的计算可知，钢筋的温度低于600℃，而热轧钢筋在遭受低于600℃的高温作用后，其力学性能基本不变[1]。因此，可不考虑火灾后热轧钢筋力学性能的变化，采用常温下钢材模型。受火后加固使用的钢管也为常温状态。本文中钢材采用二次塑流模型，具体可参见文[6]。

　　(2) 常温下普通混凝土本构关系模型

　　对核心混凝土以外的混凝土，暂忽略箍筋对混凝土的约束作用。采用文献[6]模型，其单轴应力(σc)-应变(εc)关系如下：

　　(1)

　　式中Y=σc/fc´，X=εc/εco，其余参数参见文[5]。以上各式中σc和εc分别为混凝土应力和应变，fc´和εco分别为混凝土圆柱体轴心抗压强度及对应应变。

　　(3) 高温过火后混凝土本构关系模型

　　高温过火后混凝土采用文献[1]中应力-应变关系模型，表达式如下：

　　当0<ε0≤ε0r(T)时，

　　(2)

　　当ε0>ε0r(T)时，

　　(3)

　　式中：X=ε/ε0r(T)，σ和ε分别为应力和应变;ε0r(T)为温度T作用后混凝土峰值应力对应的峰值应变，其余参数参见文[1]。

　　(4) 新浇筑的混凝土本构关系模型

　　新浇筑混凝土由加固后外包钢管和原有钢筋混凝土的约束，与中空夹层钢管混凝土构件中的夹层核心混凝土类似。本文中新浇筑的混凝土将采用此模型[5]，计算公式如下：

　　(4)

　　式中：x=ε/ε0;y=σ/σ0，其余参数参见文[5]。

　　混凝土受拉软化性能采用能量破坏准则来考虑。本文中混凝土受拉软化模型采用应力-断裂能表达式，具体可参见文[5]。

　　2.1.2单元类型、网格划分、边界及加载

　　方钢管约束加固火灾后方钢筋混凝土柱是由新浇筑混凝土，过火后混凝土、钢管、钢筋及刚性加载板组成。在进行结构分析时，钢管采用四节点壳单元S4R，厚度方向采用9点Simpson积分。新浇筑混凝土、过火后的混凝土和加载板采用八节点三维实体单元C3D8R。钢筋采用Truss单元。钢管、新浇筑混凝土、过火后混凝土、刚性加载板采用结构网格。在钢管混凝土柱底部的端板底面上，施加x，y，z三方向的位移约束，以模拟柱底部固接。加载时，先用*REMOVE命令移除保护层的混凝土然后在柱顶施加轴力，当施加至预定轴力稳定后，再在柱端一侧施加x方向的荷载。典型的加固后试件的有限元网格及边界、荷载条件如图2所示。

　　图2加固后柱有限元模型

　　Fig.2FiniteelementmodelofstrengtheningRCcolumn

　　2.1.3界面模型

　　新浇筑的混凝土与受火后混凝土之间以及刚性加载板与柱端混凝土之间采用绑定约束(Tie)模拟。钢筋与混凝土之间采用Embeded模拟。在进行结构分析时，钢管与新浇筑的混凝土之间的接触，在界面法线方向采用硬接触，而切线方向考虑粘结滑移，界面切向力模拟采用库仑摩擦模型，摩擦系数取0.6。采用Newton-Raphson法求解。

　　2.2温度场分析

　　为验证本文热分析模型，分别选取了文献[7-8]中钢筋混凝土柱和钢管混凝土构件的温度场试验数据，图3是对文献中构件的模拟计算结果与试验结果对比情况计算值与试验值基本吻合良好。

　　(a) 钢筋混凝土

　　(b) 方钢管混凝土

　　图3钢筋混凝土及钢管混凝土构件

　　截面T-t关系计算试验结果对比

　　Fig.3Comparisonontemperatureversustimerelationshipofreinforcedconcreteandconcrete-filledsteeltubularmembersbetweentestandpredictedresults

　　(a)原钢筋混凝土(b)箍筋内核心混凝土

　　图4钢筋混凝土截面温度分布(受火时间90min)

　　Fig.4TemperaturefiledofRCcolumnafterexposuretostandardfireunder3hours

　　基于以上分析建立了火灾后钢筋混凝土柱数值模拟模型，按照ISO-834标准升温曲线升温，进行温度场计算。受火时间为90min。图4(a)为钢筋混凝土柱受火90min后截面温度场分布，图4(b)为保护层内混凝土混凝土柱截面的温度场分布，可见受火90min后，混凝土表面受火后虽有损伤深度，且未超过保护层。

　　2.3方钢管加固方钢筋混凝土柱力学性能分析

　　为了解构件的受力特性，选择典型方钢管加固受火后方钢筋混凝土柱的力学性能进行分析。典型试件基本信息：方钢管尺寸为B×t=640×3.5mm，名义含钢率αn(αn=Aso/Ace为钢管加固受火后钢筋混凝土柱的截面名义含钢率，其中Aso为外钢管的面积，Ace为新浇筑混凝土面积，即外钢管与剥去保护层后原有柱之间混凝土的面积)为0.044，Q235钢材。

　　通过ABAQUS通用有限元计算软件计算得到原钢筋混凝土柱、火灾受损后钢筋混凝土柱(标准升温曲线下90min)及加固后钢筋混凝土柱的P-Δ曲线如图5所示。

　　图5钢筋混凝土柱受火前后及加固后P-Δ曲线

　　Fig.5LoadversusdisplacementrelationshipofRCcolumnandafterfireorstrengtheningusingsteeltubes

　　(a)加固后旧钢筋混凝土和新钢筋混凝土

　　(b)加固后方钢管

　　图6加固后钢筋混凝土柱和钢管应力状态

　　Fig.6StressstateofRCcolumnandtubeafterfirestrengtheningusingsteeltubes

　　由图5，图6可见，火灾后钢筋混凝土柱加固后的柱子承载力有所提高，弹性和塑性阶段的刚度也有所提高，但柱子的延性有所改善下降，主要原因是钢管厚度较薄。但此加固方法满足加固原则，柱子刚度、强度及延性都满足要求。

　　3结论

　　采用方钢管约束加固火灾后方钢筋混凝土柱效果良好，加固后提高了构件的强度和刚度，也可使构件延性得到改善。

　　参考文献

　　[1] 吴波.火灾后钢筋混凝土结构的力学性能[M].北京:科学出版社,2003.