齊建全，白胤領(lǐng)，楊志年，王興國(guó)

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

高溫下連續(xù)梁的耐火極限主要取決于高溫過(guò)程中材料的損傷程度。梁表層混凝土的熱惰性能減緩熱量傳遞至鋼筋的速度，所以混凝土保護(hù)層厚度一定程度上影響了梁受力鋼筋的瞬時(shí)溫度，進(jìn)而影響了高溫下鋼筋混凝土梁的耐火極限。目前針對(duì)鋼筋混凝土連續(xù)梁抗火性能的研究大多為抗彎性能研究[1-11]，而對(duì)于抗剪性能的研究較少。通過(guò)ABAQUS分析軟件，建立了6根不同保護(hù)層厚度的鋼筋混凝土連續(xù)梁數(shù)值模型，分析了不同保護(hù)層厚度對(duì)梁火災(zāi)下耐火極限的影響，彌補(bǔ)了對(duì)連續(xù)梁火災(zāi)下抗剪性能研究的不足，為建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)提供參考。

1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

雙跨連續(xù)梁的計(jì)算長(zhǎng)度均為4.0 m，截面尺寸為300 mm×150 mm。梁編號(hào)中，LD為單跨受火工況，LS為雙跨受火工況，保護(hù)層厚度分別為10 mm、20 mm和30 mm，箍筋間距為200 mm，剪跨比為2.0。

梁的截面尺寸及配筋示意如圖1所示，連續(xù)梁參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

圖1 梁的尺寸及配筋

混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，箍筋為直徑6 mm的 HPB300級(jí)鋼筋，底部縱筋為直徑22 mm的HRB400級(jí)鋼筋，頂部縱筋為直徑16 mm的HRB400級(jí)鋼筋，考慮連續(xù)梁支座處負(fù)彎矩的存在，為了保證受剪破壞先于受彎破壞發(fā)生，在支座處設(shè)置1 200 mm長(zhǎng)負(fù)彎矩鋼筋，規(guī)格型號(hào)與頂部縱筋相同。

表1 參數(shù)設(shè)計(jì)

2 有限元模型

建立雙跨連續(xù)梁有限元模型，進(jìn)行梁截面溫度場(chǎng)分析?；馂?zāi)升溫曲線按照ISO-834國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，如公式(1)所示，其中，T0為初始溫度，取20 ℃。

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

(1)

連續(xù)梁升溫后混凝土與鋼筋骨架溫度場(chǎng)如圖2和圖3所示，升溫120 min后鋼筋混凝土梁截面溫度分布云紋圖和沿截面高度方向溫度-時(shí)間曲線如圖4所示。

圖2 混凝土溫度場(chǎng)

圖3 鋼筋溫度場(chǎng)

圖4 梁截面溫度分布

由圖4可見(jiàn)，在截面豎直方向上，梁底混凝土溫度上升迅速，升溫趨勢(shì)與ISO-834國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線大致相同。在120 min的升溫過(guò)程中，梁底部混凝土最高溫度達(dá)到1 047 ℃。在整個(gè)升溫過(guò)程中，梁內(nèi)部溫度相比于梁底部溫度明顯滯后，同一時(shí)刻梁截面溫度梯度差別很大，分析是由于混凝土材料熱惰性導(dǎo)致熱量向核心區(qū)混凝土傳遞速率減慢。因此，混凝土保護(hù)層厚度越大，鋼筋至梁表面的距離越大，鋼筋溫度越低。

進(jìn)行抗剪性能非線性有限元分析時(shí)，網(wǎng)格劃分如圖5所示。其中，鋼筋和混凝土分別設(shè)置為桁架T3D2類(lèi)型和三維應(yīng)力C3D8R類(lèi)型，網(wǎng)格密度設(shè)0.05。

圖5 混凝土網(wǎng)格劃分

3 抗剪性能分析

雙跨連續(xù)梁在恒載升溫過(guò)程中，鋼筋和混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨溫度的升高而降低，截面內(nèi)部由于溫度梯度的存在產(chǎn)生溫度應(yīng)力，隨著溫度的不斷升高，梁發(fā)生極限破壞。

3.1 雙跨連續(xù)梁?jiǎn)慰缡芑鹂辜粜阅芊治?/h3>

如圖6所示為雙跨連續(xù)梁?jiǎn)慰缡芑鸸r極限破壞變形圖及鋼筋變形圖。

圖6 雙跨連續(xù)梁邊跨受火變形圖

由圖6可見(jiàn)，梁發(fā)生極限破壞時(shí)，彎剪段縱向鋼筋應(yīng)力變化遠(yuǎn)小于箍筋，在縱向鋼筋還未屈服時(shí)，箍筋已經(jīng)達(dá)到相應(yīng)溫度下的屈服應(yīng)力，支座及加載點(diǎn)附近混凝土產(chǎn)生較大應(yīng)力，梁純彎段未發(fā)生較大變形，破壞形態(tài)呈現(xiàn)出水槽狀。有限元軟件無(wú)法模擬出RC梁的宏觀裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，實(shí)際上裂縫的位置與混凝土單元的剪切破壞區(qū)域是相對(duì)應(yīng)的。彎剪段箍筋在熱-力耦合作用下，屈服應(yīng)力由于溫度的逐漸升高不斷下降，直至梁截面內(nèi)箍筋應(yīng)力值大于其相應(yīng)溫度下屈服應(yīng)力，即發(fā)生極限剪切破壞。

為獲得梁耐火極限，繪制連續(xù)梁受火跨跨中截面撓度-時(shí)間曲線，如圖7所示，繪制受火跨彎剪段箍筋應(yīng)力-時(shí)間曲線，如圖8所示。

圖7 不同保護(hù)層厚度的梁撓度-時(shí)間曲線 圖8 箍筋應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系

由圖7可見(jiàn)，升溫30 min內(nèi)，梁跨中撓度值為正值，分析是由于梁底混凝土溫度升高，梁頂混凝土溫度明顯低于梁底，梁底混凝土材料的膨脹產(chǎn)生了起拱的現(xiàn)象。升溫30 min后，由于材料性能的劣化，特別是鋼筋的高溫劣化，梁整體抗彎剛度下降，梁跨中撓度變?yōu)樨?fù)值。由圖7及圖8可得各連續(xù)梁?jiǎn)慰缡芑鸬哪突饦O限及箍筋最大應(yīng)力，如表2所示。

表2 各梁的耐火性能

由圖8可見(jiàn)，相同升溫時(shí)間，保護(hù)層厚度越小，梁箍筋應(yīng)力值增長(zhǎng)越快，以LD3最大應(yīng)力值22.2 MPa為例，LD1箍筋達(dá)到此應(yīng)力值時(shí)間為31.6 min，LD2箍筋達(dá)到此應(yīng)力值時(shí)間為47.4 min，LD3箍筋達(dá)到此應(yīng)力值時(shí)間為64 min。因此，混凝土保護(hù)層厚度的增大，能有效提高連續(xù)梁整體剛度，減小由于梁變形產(chǎn)生的箍筋應(yīng)力，提高鋼筋混凝土連續(xù)梁耐火極限。在相同升溫曲線下，保護(hù)層厚度10 mm梁LD1耐火極限為53.4 min，保護(hù)層厚度20 mm梁LD2耐火極限為63.7 min，保護(hù)層厚度30 mm梁LD3耐火極限為77.8 min，保護(hù)層30 mm的梁耐火極限比保護(hù)層20 mm的耐火極限提高了22.13%，保護(hù)層20 mm的梁耐火極限比保護(hù)層10 mm的耐火極限提高了19.28%。由此可見(jiàn)，在受火時(shí)間相同的條件下，保護(hù)層厚度越大，箍筋高溫劣化越小，抗拉強(qiáng)度損傷越小，耐火極限越大。

3.2 雙跨連續(xù)梁雙跨受火抗剪性能分析

圖9所示為雙跨連續(xù)梁雙跨受火工況極限破壞變形圖及鋼筋變形圖。由圖9可見(jiàn)，雙跨連續(xù)梁由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、受力對(duì)稱(chēng)且兩跨均受火，所以變形基本一致。

圖9 雙跨連續(xù)梁全跨受火變形圖

由圖9可見(jiàn)，連續(xù)梁雙跨受火工況下，雙跨均發(fā)生極限破壞，跨中支座兩側(cè)及兩端彎剪段箍筋應(yīng)力增大，支座及加載點(diǎn)附近混凝土應(yīng)力值遠(yuǎn)大于梁跨中純彎段混凝土應(yīng)力值，梁純彎段均未發(fā)生較大變形，呈現(xiàn)出水槽狀。雙跨連續(xù)梁兩跨破壞形態(tài)基本一致，選取邊跨跨中截面，繪制其撓度-時(shí)間曲線，變化趨勢(shì)如圖10所示。繪制邊跨彎剪段箍筋應(yīng)力-時(shí)間曲線，如圖11所示。

圖10 不同保護(hù)層厚度的梁撓度-時(shí)間曲線 圖11 箍筋應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系

由圖10和圖11可得各保護(hù)層厚度的連續(xù)梁雙跨受火工況耐火極限和彎剪段箍筋最大應(yīng)力值，如表3所示。與單跨受火工況不同，在升溫初期，僅LS3發(fā)生起拱現(xiàn)象，保護(hù)層厚度較小的LS1與LS2均未發(fā)生起拱現(xiàn)象。對(duì)比圖10與圖11可發(fā)現(xiàn)，保護(hù)層厚度為10 mm時(shí)，梁LS1箍筋外側(cè)混凝土較少，火災(zāi)下其熱惰性對(duì)箍筋的保護(hù)較小，短時(shí)間內(nèi)箍筋溫度迅速上升，撓度迅速增大，箍筋應(yīng)力增長(zhǎng)速率較快。LS2相比于LS1保護(hù)層厚度增加10 mm，梁耐火極限為48.6 min；LS3相比于LS1保護(hù)層厚度增加20 mm，梁耐火極限為63.4 min。保護(hù)層厚度30 mm的梁耐火極限比保護(hù)層厚度10 mm的耐火極限提高了61.32%，保護(hù)層厚度20 mm的梁耐火極限比保護(hù)層厚度10 mm的耐火極限提高了23.66%。由此可見(jiàn)，保護(hù)層厚度不同，曲線拐點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間也不同，保護(hù)層厚度越大，箍筋高溫劣化越小，抗拉強(qiáng)度損傷越小，能有效減緩梁撓度的增大，延后構(gòu)件發(fā)生極限破壞的時(shí)間，增強(qiáng)其耐火性能。

由圖11可見(jiàn)，25.1 min時(shí)，LS1箍筋屈服應(yīng)力為34.6 MPa；37.4 min時(shí)，LS2箍筋屈服應(yīng)力為29.5 MPa；46.8 min時(shí)，LS3箍筋屈服應(yīng)力為24.4 MPa。LS2箍筋應(yīng)力值相比于LS1降低了14.7%，LS3箍筋應(yīng)力值相比于LS2降低了17.29%。分析可得，保護(hù)層厚度越大，箍筋應(yīng)力進(jìn)入屈服階段后上升趨勢(shì)越平緩，梁進(jìn)入屈服階段直至極限破壞所需時(shí)間越長(zhǎng)。

4 結(jié)論

(1)由于表層混凝土材料熱惰性，火災(zāi)產(chǎn)生的熱量向核心區(qū)混凝土傳遞速率減慢，梁內(nèi)部溫度相比于梁表面溫度明顯滯后，升溫過(guò)程中，梁截面溫度梯度很大，截面內(nèi)存在較大的溫度應(yīng)力。

(2)混凝土保護(hù)層厚度的增大，能有效提高連續(xù)梁整體剛度，減小由于梁變形產(chǎn)生的箍筋應(yīng)力，提高鋼筋混凝土連續(xù)梁耐火極限。保護(hù)層厚度為30 mm構(gòu)件LD3箍筋達(dá)到最大應(yīng)力值22.2 MPa時(shí)間為64 min，保護(hù)層厚度為10 mm構(gòu)件LD1箍筋達(dá)到此應(yīng)力值時(shí)間為31.6 min，梁LD3相比于LD1延后32.4 min，保護(hù)層厚度為20 mm構(gòu)件LD2箍筋達(dá)到此應(yīng)力值時(shí)間為47.4 min，梁LD3相比于LD2延后16.6 min。

(3)鋼筋混凝土雙跨連續(xù)梁保護(hù)層厚度越大，火災(zāi)下混凝土熱惰性對(duì)箍筋的保護(hù)越大，能有效減小火災(zāi)過(guò)程中箍筋溫度上升速率，提高連續(xù)梁耐火極限。保護(hù)層厚度為10 mm構(gòu)件LS1耐火極限為39.3 min，LS2相比于LS1保護(hù)層厚度增加10 mm，梁耐火極限為48.6 min，提高了23.66%；LS3相比于LS1保護(hù)層大20 mm，梁耐火極限為63.4 min，提高了61.32%。