火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度退化的有限元分析研究

朱艷　謝超

【摘要】考慮到火災(zāi)下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響，進(jìn)行了鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)升溫情況下的有限元分析研究，并以有限元分析結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)判斷分析火災(zāi)對(duì)鋼筋混凝土力學(xué)性能的影響程度。有限元分析結(jié)果表明：隨著火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的增加，高溫層逐漸向鋼筋混凝土內(nèi)部擴(kuò)展，鋼筋應(yīng)變和跨中撓度也逐漸增大?；炷帘Ｗo(hù)層越厚，高溫層向內(nèi)部擴(kuò)展速度越慢，對(duì)梁體保護(hù)越好。

【關(guān)鍵詞】火災(zāi)高溫；鋼筋混凝土；強(qiáng)度退化；有限元；持續(xù)時(shí)間

1.引言

火災(zāi)是導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)失效的主要不可控的風(fēng)險(xiǎn)之一[1]。不論哪種火災(zāi)形勢(shì)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)造成的影響都是不可逆轉(zhuǎn)的損傷。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者進(jìn)行了火災(zāi)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)研究，建立了系列的理論體系。T.Z.Harmathy等[2]進(jìn)行了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下的熱參數(shù)及力學(xué)性能研究，建立了鋼筋混凝土的力學(xué)性能等與火災(zāi)溫度的關(guān)系。隨著有限元分析的發(fā)展，利用有限元分析軟件進(jìn)行火災(zāi)后的建筑結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能模擬逐漸成為一種比較理想的選擇方式[3]。

2.分析模型的建立

本文利用Ansys有限元分析軟件，建立了火災(zāi)下的鋼筋混凝土模型，進(jìn)而分析火災(zāi)下鋼筋混凝土內(nèi)部溫度的隨火災(zāi)時(shí)間的變化趨勢(shì)，從而判斷鋼筋混凝土損傷的程度。

2.1鋼筋混凝土受火溫度影響有限元基本假設(shè)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件受火溫度和熱工性能均是不斷變化的，其變化過(guò)程比較復(fù)雜，因而為了分析的簡(jiǎn)便有必要進(jìn)行簡(jiǎn)化分析和基本假設(shè)，基本假設(shè)如下：

（1）鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)沿長(zhǎng)度方向不變；

（2）鋼筋和混凝土材料均是各向同性材料；

（3）鋼筋混凝土內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)對(duì)溫度場(chǎng)的影響忽略不計(jì)。

2.2有限元分析模型單元的選取及對(duì)應(yīng)本構(gòu)關(guān)系

（1）混凝土單元

（2）鋼筋單元

Ansys分析中采用LINK8單元模擬鋼筋，采用通用的折線型本構(gòu)關(guān)系和隨動(dòng)強(qiáng)化模型。

有限元幾何模型為30m長(zhǎng)應(yīng)力混凝土梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C50，抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為、彈性模量。

（3）彈簧單元

為了模擬火災(zāi)下鋼筋混凝土界面的受力情況，這里選取Ansys單元中的彈簧combine39號(hào)單元模擬鋼筋和混凝土節(jié)點(diǎn)之間的粘結(jié)滑移。

2.3有限元計(jì)算模型及抗火曲線的選取

2.3.1有限元計(jì)算模型

有限元分析中建立不同保護(hù)層厚度的模型，模型中鋼筋和混凝土單元均采用共用節(jié)點(diǎn)方式建模，即節(jié)點(diǎn)位置相同，節(jié)點(diǎn)號(hào)不同，同時(shí)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的耦合，考慮到鋼筋和混凝土界面的粘結(jié)滑移，在鋼筋和混凝土共用節(jié)點(diǎn)處置入彈簧combine39號(hào)單元，該單元的F-D曲線（荷載-位移曲線）通過(guò)公式（1）得到，通過(guò)設(shè)置彈簧combine39號(hào)單元的自由度方向模擬粘結(jié)界面的受力情況。單元的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分采用的單位長(zhǎng)度為0.2m，有限元具體模型如圖1所示。

2.3.2抗火曲線的選取

為了較好的模擬鋼筋混凝土火災(zāi)下的溫度場(chǎng)分布，進(jìn)行簡(jiǎn)支梁的三面受火模擬，即下三面（不含梁頂面、兩側(cè)面），同時(shí)選取ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行溫度加載，以時(shí)間為變量，計(jì)算不同受火時(shí)間下簡(jiǎn)支梁的溫度場(chǎng)分布情況。

3、有限元分析結(jié)果

保護(hù)層厚度為20mm時(shí)，跨中截面的溫度場(chǎng)在不同受火時(shí)間下的分布如下：

1）受火10min溫度場(chǎng)分布 2）受火40min溫度場(chǎng)分布

3）受火70min溫度場(chǎng)分布 4）受火100min溫度場(chǎng)分布

5）受火130min溫度場(chǎng)分布 6）受火160min溫度場(chǎng)分布

提取不同保護(hù)層厚度及火災(zāi)溫度下基本數(shù)據(jù)如下表1所示。

由圖2和表1可知，隨著火災(zāi)時(shí)間的持續(xù)，火災(zāi)溫度逐漸升高，火災(zāi)高溫向鋼筋混凝土內(nèi)部發(fā)展，30mm保護(hù)層厚度的鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋最高溫度較20mm保護(hù)層厚度的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋最高溫度低，說(shuō)明保護(hù)層越厚，鋼筋受熱升溫越慢，因而對(duì)保護(hù)層厚度越厚對(duì)鋼筋有利。

提取不同保護(hù)層厚度及火災(zāi)溫度下的跨中鋼筋應(yīng)變?nèi)绫?所示。

由表2可知，隨著火災(zāi)時(shí)間的增大，跨中鋼筋的應(yīng)變值逐漸增大，保護(hù)層厚度越大，對(duì)跨中鋼筋應(yīng)變影響越小。

提取不同保護(hù)層厚度及火災(zāi)溫度下的跨中撓度如表3所示。

由表3可知，隨著火災(zāi)時(shí)間的增大，跨中撓度值逐漸增大，保護(hù)層厚度越大，對(duì)跨中撓度值影響越小。

4、受火時(shí)間與混凝土損傷的關(guān)系

以《廣規(guī) 2011》[4]評(píng)價(jià)混凝土高溫下彈性模量和混凝土強(qiáng)度的退化程度，具體如表4所示。

由表4可知，當(dāng)混凝土受火溫度達(dá)到600℃后，混凝土彈性模量和抗壓強(qiáng)度損傷程度基本相同。在較低溫度時(shí)，混凝土彈性模量較抗壓強(qiáng)度損傷值大?？梢?jiàn)，隨著火災(zāi)的持續(xù)，構(gòu)件有效承受荷載的截面逐漸減少，構(gòu)件應(yīng)變逐漸增大，因而火災(zāi)危險(xiǎn)越大。

5、結(jié)論

（1）隨著火災(zāi)持續(xù)時(shí)間的增加，高溫層逐漸向鋼筋混凝土內(nèi)部擴(kuò)展，對(duì)于的鋼筋應(yīng)變和梁體跨中撓度也逐漸增大，混凝土保護(hù)層越厚，高溫層向內(nèi)部擴(kuò)展速度越慢，鋼筋應(yīng)變和梁體跨中撓度越小。

（2）當(dāng)溫度<600℃時(shí)，溫度對(duì)混凝土彈性模量損傷較抗壓強(qiáng)度大，因而火災(zāi)下容易導(dǎo)致構(gòu)件變形嚴(yán)重。

參考文獻(xiàn)

[1]華毅杰.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)火災(zāi)反應(yīng)及抗火性能研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2000.

[2]T.Z.Harmathy.Thermal Properities of Concrete at Elevated Temperature[J].Journal ofMaterials，1970，5（1）：47-74.

[3]王俊，蔡躍，黃鼎業(yè).預(yù)應(yīng)力鋼筋高溫蠕變?cè)囼?yàn)研究及有限元分析應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào)，2004，37（11）：1-6.

[4]廣東省標(biāo)準(zhǔn).建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程（DBJT15-81-2011）[S].廣東省房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳發(fā)布，2011.