鋼筋混凝土連續(xù)梁火災后抗剪性能有限元分析

王璐，尤志國，楊志年

(1.華北理工大學 建筑工程學院， 河北 唐山 063210； 2. 河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著建筑物的高度增加和結(jié)構(gòu)的復雜化，火災安全隱患增加。火災的頻繁發(fā)生給人類帶來嚴重危害。經(jīng)過火高溫燃燒，建筑結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)損傷，力學性能出現(xiàn)一定程度下降。鋼筋混凝土(Reinforced Concrete，簡稱RC)梁承載板和次梁傳遞來的荷載，同時梁與柱互相連接使結(jié)構(gòu)整體性較好，抵抗外荷載的性能得到改善。對于日常工程而言多選取的梁類型為連續(xù)梁?；馂陌l(fā)生時，鋼筋混凝土連續(xù)梁處在火場上部，受火溫度較高，材料損傷越嚴重，構(gòu)件力學性能降低。結(jié)構(gòu)承載力的大小和連續(xù)梁受火后力學性能的變化息息相關(guān)，需要對該構(gòu)件的力學性能進行研究。當前，高溫受火后RC梁力學性能方面的成果大都集中在受彎，對于抗剪方面成果相對較少?，F(xiàn)有的火后梁力學性能研究多集中在簡支梁。而連續(xù)梁具有正負彎矩和反彎點，在受力方面比簡支梁要相對復雜一些。該項研究利用ABAQUS軟件，結(jié)合ISO-834國際標準升降溫曲線，模擬連續(xù)梁不同配箍率(通過改變箍筋直徑和間距)、升溫時間和剪跨比影響下抗剪性能變化規(guī)律，為高溫后既有建筑結(jié)構(gòu)檢驗和加固奠定基礎(chǔ)。

1 模型設(shè)計

連續(xù)梁按照現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010-2010)要求，每跨凈距均為2.0 m，混凝土強度為C30。縱向鋼筋強度選取HRB400，箍筋強度選擇HPB300。增加RC連續(xù)梁試件配筋率以確保其具有足夠的抗彎能力來使連續(xù)梁產(chǎn)生受剪破壞。圖1所示為梁截面尺寸及鋼筋分布圖。不同參數(shù)下模擬梁的編號如表1所示。

表1 兩跨梁參數(shù)設(shè)計

圖1 梁截面與配筋圖

2 結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

圖2是升溫時間為90 min條件下鋼筋混凝土梁在升降溫過程中不同時間節(jié)點(30 min、60 min、90 min、120 min、150 min、180 min)對應的截面溫度云圖。

圖2 模型不同時間節(jié)點溫度切片云圖

由圖2可知：當RC梁左面、右面和底面三部分受火時，溫度沿著橫向截面呈U形對稱分布；當梁處于高溫環(huán)境時，因為混凝土自身熱惰性的影響，越靠近受火面溫度增加越快，受火面周圍溫度與梁的內(nèi)核部位形成梯度差異，隨著距受火面從近到遠發(fā)生變化，溫度梯度的疏密程度也會從密變疏，說明在實際工程當中，一定范圍混凝土保護層厚度起到減緩建筑遭受高溫影響程度的作用；當梁降溫時，受火面周圍溫度開始降低，由于材料的滯后性，梁內(nèi)部仍處于升溫狀態(tài)，進一步對構(gòu)件產(chǎn)生破壞。

2.2 不同工況的影響

2.2.1 配箍率的影響

在常溫下，箍筋在鋼筋混凝土梁內(nèi)與縱筋形成鋼筋網(wǎng)，提高了結(jié)構(gòu)的受壓區(qū)與受拉區(qū)域的整體性，減緩已有裂縫的延伸擴展，增強其抗剪承載力。經(jīng)過高溫冷卻后，箍筋同樣影響梁的剩余承載力，不同配箍率對其影響也存在差異。根據(jù)配箍率ρsv=Asv/bs，依次調(diào)整箍筋的直徑(6 mm、8 mm、10 mm)和間距(100 mm、200 mm、300 mm)模擬了配箍率分別為0.126%、0.188%、0.335%、0.377%和0.524%時其抗剪性能。梁的編號見表2。

圖3所示為配箍率對雙跨梁荷載撓度關(guān)系曲線影響。由圖3可知：在其他條件相同的情況下，雙跨梁的跨中荷載-撓度曲線的走勢基本一致，當承載力達到屈服狀態(tài)時，荷載不變，撓度繼續(xù)增加。對比GL-1、DL-1、DL-2、DL-3、DL-4的曲線形狀發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件加載初始階段，梁發(fā)生彈性變形，加載力和位移大致呈線性增長，當DL-4位移達到9 mm，其他4根梁撓度在5～8 mm左右時梁達到屈服荷載。

表2 各配箍率影響下兩跨梁編號

火災后受損傷的縱筋和箍筋有所恢復，和斜裂縫相交部位的箍筋承擔起卸荷混凝土之前所受的拉力，緩解了梁受剪損傷程度，使該階段梁擁有一部分延性。DL-4與其它梁的曲線形狀存在差異，可能由于配箍率偏小，高溫冷卻后梁在荷載作用下產(chǎn)生斜裂縫使得箍筋所受應力急劇增大。

圖3 配箍率對雙跨梁荷載撓度關(guān)系曲線影響

2.2.2 剪跨比的影響

在常溫下，剪跨比λ在影響RC梁抗剪性能起關(guān)鍵作用，剪跨比λ﹤1時，出現(xiàn)受壓破壞，1≤λ≤3時，出現(xiàn)剪壓破壞，λ>3時，出現(xiàn)斜拉破壞。在抗剪承載力大小方面，斜壓破壞所能承受的最大，而斜拉破壞最小。從脆性破壞方面來說，斜拉破壞時脆性最嚴重，剪壓破壞最小。隨著λ增加梁依照斜壓、剪壓、斜拉順序發(fā)生轉(zhuǎn)變，使得抗剪承載力出現(xiàn)下降。為了解高溫作用后梁抗剪性能變化趨勢與常溫是否一致，分別選擇λ分別是1.5(DL-12)、2(GL-1)、2.5(DL-9)和3(DL-11)的雙跨梁進行高溫后梁的抗剪性能分析。梁的編號見表3。

表3 各剪跨比影響下兩跨梁編號

圖4所示為剪跨比λ作用下雙跨梁荷載-撓度關(guān)系曲線。由圖4可知：若配箍率、保護層厚度與受火工況不發(fā)生改變，雙跨梁GL-1、DL-9、DL-11和DL-12的荷載-撓度曲線的增長趨勢一致，即當構(gòu)件達到屈服狀態(tài)，荷載變化幅度逐漸趨于平緩，但其撓度變化越大。觀察分析四根梁的荷載-撓度曲線形狀發(fā)現(xiàn)，在對高溫冷卻后兩跨梁加載的初始階段，梁處于彈性階段，撓度隨著荷載的提高而線性增加。通過對上述梁發(fā)現(xiàn)：由于剪跨比λ增加，構(gòu)件兩加載點間位移有明顯區(qū)別。當GL-1撓度達到6.57 mm，DL-9撓度為9.23 mm，DL-11撓度為5.57 mm，DL-12撓度達到9.85 mm時梁達到屈服荷載。由于梁的破壞與混凝土裂縫有關(guān)，剪跨比越小，梁腹部開始出現(xiàn)斜裂縫，使得DL-11的拐點較其他3根梁要明顯。由于λ增加，梁剩余承載力下降。

圖4 剪跨比作用下雙跨梁荷載-撓度關(guān)系曲線

2.2.3 受火時間的影響

高溫作用下，RC梁材料性能遭致影響出現(xiàn)劣化。受火冷卻到常溫時，鋼筋的強度有所恢復，而混凝土保持不變。則影響鋼筋混凝土梁剩余承載力大小的關(guān)鍵性因素為受壓區(qū)混凝土。為研究不同高溫作用時間下混凝土損傷程度以及梁剩余抗剪性能，按照國際標準升降溫曲線(ISO834)建立升溫時長為30 min、60 min和90 min、120 min梁的溫度場模型，并將其導入靜力學模型模擬雙跨梁受火后性能變化規(guī)律。梁的編號見表4。

表4 各受火時間影響下兩跨梁編號

圖5所示為升溫時長對雙跨梁荷載-撓度關(guān)系曲線影響。由圖5知：在受火工況、剪跨比、保護層厚度、配箍率相同的條件下，雙跨梁的變化趨勢大致相同。對照DL-7、DL-8、DL-13和GL-1的曲線形狀發(fā)現(xiàn)，對雙跨梁高溫后初步施加荷載，梁出現(xiàn)彈性變形，撓度和剩余承載力大致為線性變化。通過對比以上四根梁發(fā)現(xiàn)：由于受火時間較短，受火后梁的劣化程度并不大，DL-7和DL-8的曲線在彈性階段較接近；當升溫時間達到90 min，曲線彈性階段剛度出現(xiàn)較明顯下降。當GL-1撓度在6.57 mm，DL-7和DL-8撓度在5 mm左右，DL-13撓度為8.8 mm時梁達到屈服荷載。根據(jù)上述對比發(fā)現(xiàn)，當升溫時間小于90 min時，構(gòu)件剛度變化幅度并不大，若升溫時長在90 min時，梁的受火溫度越高，材料損傷較明顯，構(gòu)件剛度降低，梁的抗剪性能下降。

圖5 升溫時長對雙跨梁荷載-撓度關(guān)系曲線影響

2.3 簡支梁與雙跨梁對比分析

作為超靜定結(jié)構(gòu)，當連續(xù)梁處于常溫狀態(tài)時，其承載力達到屈服彎矩的情況下塑性鉸出現(xiàn)，對梁進行內(nèi)力重分布。與常溫條件不同的是，當梁處在高溫恒載的條件下，材料受熱不均勻?qū)е聹囟炔畛霈F(xiàn)，使材料出現(xiàn)劣化，截面剛度降低，出現(xiàn)溫度膨脹，使梁的內(nèi)力重分布發(fā)生在塑性鉸出現(xiàn)之前并一直存在于構(gòu)件升溫全過程。同常溫下連續(xù)梁這種重分布相比，升溫狀態(tài)下的塑性鉸會結(jié)合溫度的變化進行改變，內(nèi)力分布要更復雜。圖6所示為 GJ-4和GL-4荷載-撓度曲線對比分析。

圖6 GJ-4和GL-4荷載-撓度曲線對比分析

簡支梁和雙跨梁的荷載撓度關(guān)系曲線的變化趨勢大體相似。雖然連續(xù)梁和簡支梁在火后受剪破壞屬于脆性破壞，但是，簡支梁的拐點要比連續(xù)梁稍明顯一些，因此高溫后連續(xù)梁受剪破壞的延性要大于簡支梁。

3 結(jié)論

(1)梁左、右、底面受火時，溫度沿著橫向截面呈U形對稱分布；梁高溫受火時，因為混凝土自身熱惰性的影響，越靠近受火面部位溫度提升越快，梁的內(nèi)核位置處溫度較受火面附近整體偏低。

(2)若配箍率按照0.126%→0.188%→0.335%→0.377%→0.524%增加時，剩余承載力增加，表明合理范圍內(nèi)增大配箍率可以改善RC梁剩余抗剪性能。

(3)剪跨比λ增加，荷載作用處至梁端長度變大，該位置最大彎矩降低，其剩余承載力下降，因此，合理界限內(nèi)降低RC連續(xù)梁剪跨比，可提高其抗剪性能。

(4)若連續(xù)梁其他受火工況不變，僅改變其受火時間，梁的抗剪性能發(fā)生變化。若受火時間在90 min內(nèi)，連續(xù)梁的剩余承載力變化程度較小，若升溫時長達到90 min，梁的整體溫度增高，抗剪承載力下降頗明顯。