火灾后及修复加固后型钢混凝土柱力学性能分析

火灾后及修复加固后型钢混凝土柱力学性能分析

钢筋混凝（src）是将钢（如钢、特钢等）和钢筋配置在混凝土中形成的结构。研究表明,型钢混凝土的外包混凝土可有效保护内部型钢,使该类结构的耐火性能良好,在多、高层建筑中应用日益增多。对于型钢混凝土构件的耐火性能,学者们已开展了不少研究工作。Malhotra和Stevens、宋天诣等、Yu等和Huang等进行了型钢混凝土柱耐火极限的试验研究,研究的参数包括轴压比、混凝土类型、保护层厚度、偏心率、截面形式和构件长度等。宋天诣等、Yu等、Huang等、韩林海和郑永乾以及Ellobody和Young进行了型钢混凝土柱在火灾升温下极限承载力与变形关系曲线的数值分析,并给出了其耐火极限的简化计算方法。此外,ECCS和Eurocode4给出了其耐火极限设计曲线或设计表格。以往对型钢混凝土结构耐火性能的研究大多是针对其在火灾升温阶段而开展的。随着结构抗火设计原理研究的逐步深入,火灾降温段的影响正越来越受到重视,这是因为:1)即使结构外界火灾处在降温段,结构内部温度仍可能继续升高;2)火灾降温段构件会产生收缩变形,当变形受到整体结构中的相邻构件的约束时会产生温度内力,这些都可能导致结构在火灾降温段发生破坏。型钢混凝土柱在火灾后的承载能力和刚度均有不同程度的降低,如何进行火灾后及加固后的力学性能分析,也是火灾后型钢混凝土柱修复和加固需要解决的问题。基于上述考虑,以及韩林海提出的包含常温、升温、降温和火灾后4个阶段的火灾和力的加载路径,本文利用非线性有限元软件ABAQUS建立型钢混凝土柱火灾前、火灾后和修复加固后力学性能的分析模型;并以某受火后的型钢混凝土柱为例,对其在上述3种情况下的轴力-弯矩(N-M)相关关系和使用阶段抗弯刚度进行对比研究。1建筑结构火灾和力耦合加载路径建筑结构从建成到遭受火灾后及修复加固,其经历的过程可归纳为:1)正常使用阶段;2)遭遇火灾阶段;3)火灾后阶段;4)加固后阶段。在这一过程中,建筑结构受力和遭受的火灾是连续的,近似于文中时间-荷载-环境温度相互耦合的火灾和力的加载路径。因此,在对结构火灾后和加固后力学性能进行分析时,应考虑类似文的火灾和力耦合的加载路径。具体分析流程如图1所示,即在确定研究对象的几何、物理和荷载参数(包括力和火灾荷载),以及初始和边界条件后,对其火灾前(常温下)、火灾后和加固后的力学性能进行对比分析和评价,其中对火灾后力学性能分析采用韩林海提出的火灾和力耦合的加载路径。2计算方法的选取对型钢混凝土柱火灾后和加固后力学性能的计算,包含温度场分析和结构分析这2个部分。本文基于ABAQUS有限元软件平台,采用顺序热力耦合的计算方法,即将温度场分析和结构分析作为相继耦合的过程计算。对于温度场分析,韩林海等文献中已有详细论述,本文不再赘述,仅介绍与结构分析相关的有限元模型。2.1混凝土的动态本构模型韩林海和Song等提出了适用于热力耦合作用下钢管混凝土柱中钢材和混凝土的本构关系,包括常温、升温、降温和高温后这4个阶段。本文采用的钢材模型与Song等相同。混凝土常温和升温段采用Lie的模型,降温段和高温后混凝土均采用陆洲导等模型。图2和图3分别为Q345钢材和C60混凝土在常温、升温时500℃、历史最高温度600℃后降温过程中降到500℃、历史最高温度600℃后降到常温这4个阶段的应力-应变关系。由图2和图3可见,对经历相同最高温度的钢材和混凝土在不同阶段的应力-应变关系差异较大。2.2材料非线性模型在包含升降温火灾作用下,截面内部材料将经历常温、升温、降温和高温后这4个阶段。由于混凝土的热惰性,当环境温度进入降温段时,构件外部区域已进入降温阶段而内部截面仍可能处于升温阶段。因此,截面不同位置进入升温和降温阶段的时间不同,这在有限元模型计算过程中需要准确选用各阶段的应力应变关系。在本模型中通过编制子程序实现不同温度阶段材料应力应变关系之间的自动识别和转换。首先在场变量子程序USDFLD中定义2个场变量(分别代表历史最高温度和所处加载的不同阶段),然后通过温度膨胀应变子程序UEXPAN读入主程序中每个增量步Increment的温度增量ΔT,由于在不同的阶段温度增量ΔT的变化不同:常温阶段,ΔT=0;升温阶段,ΔT>0;降温阶段,ΔT<0;高温后阶段,ΔT=0。在这过程中,当出现当前增量步ΔT>0且下一个增量步ΔT<0时,表明该积分点已达到最高温度,并将当前的温度(即最高温度)赋值与field(1);接着在场变量子程序USDFLD读入当前的荷载步Step,结合荷载步Step和ΔT,可用field(2)=1,2,3,4分别代表常温、升温、降温、高温后这4个阶段。确定积分点所处的温度阶段后,根据已定义的材性标识field(1)和field(2),即可通过程序自动选择不同温度阶段的材料模型。2.3混凝土结构模型进行结构分析时必须保持网格划分及节点编号与温度场分析模型一致,以便正确读入各节点的温度值。本模型暂不考虑型钢、钢筋与混凝土接触界面上的粘结滑移,认为型钢、钢筋与混凝土几何位置相同的节点之间变形一致,可通过采用Tie或Embedded约束实现。根据实际型钢混凝土柱的受力条件和变形特点,将其等效为两端铰接的标准受压柱。初始缺陷可根据《型钢混凝土组合结构技术规程》,取杆件附加偏心距(其值取20mm和偏心方向截面尺寸的1/30两者中的较大值)进行计算。图4所示为计算模型的热、力学边界条件和网格划分,图4c中为图形清晰,仅给出了沿纵筋方向的部分箍筋。高温下高强混凝土构件的表面混凝土(主要集中在混凝土保护层)易发生爆裂,从而直接导致构件截面面积减小,截面温度场发生突变,使得钢筋(包括纵筋和箍筋)直接暴露于高温环境而迅速软化,从而降低了构件的耐火性能,加速了构件的破坏。在考虑爆裂问题时,爆裂发生的初始时刻及持续时间是两个关键问题。相关研究表明,高强混凝土发生爆裂的初始时刻主要集中在8~23min左右,平均约为15min;持续时间则主要集中在8~25min左右,平均约为20min。在本模型中可通过采用“单元生死”来近似模拟混凝土的爆裂问题,即在受火开始的15~35min内,将拟爆裂的混凝土单元(纵筋的混凝土保护层)同时删除,并将被删除单元的热边界条件同时赋予由于混凝土爆裂而直接暴露在环境热空气的单元边界上。3预应力筋配筋以某火灾后的型钢混凝土柱绕强轴x轴单向压弯为例,对其火灾后和加固后的轴力-弯矩(N-M)相关关系和使用阶段抗弯刚度进行分析。型钢混凝土标准柱的参数为:高度5000mm,截面尺寸1250mm×850mm;截面配筋如图5所示,其中型钢采用H型钢,强度等级为Q345C,截面尺寸为600mm×300mm×40mm×40mm(高度×宽度×翼缘厚度×腹板厚度);混凝土强度等级为C60,纵筋和箍筋均采用HRB335级钢筋。火灾发生时,作用在型钢混凝土柱上的轴力N=1.3045×104kN,绕强轴x轴的弯矩Mx=220kN·m,环境升降温曲线如图6所示。对火灾后受损的型钢混凝土柱采用如图7所示的“增大截面法”进行加固,即在原型钢混凝土柱外部设置6@300钢筋网和厚60mm且比原混凝土强度高一等级混凝土(C65)。3.1安全火灾后和加固后的n0-m/m0相关分析及极限抗弯承载力损失率利用如图4所示的有限元模型计算型钢混凝土柱在常温下绕强轴x轴单向压弯的极限状态。即先求型钢混凝土柱火灾前(即常温下)轴压状态时的极限轴压承载力N0和纯弯状态时的极限抗弯承载力M0,当型钢混凝土柱处于压弯状态时,可通过改变轴向荷载N,求出相应的极限抗弯承载力M,求出一系列点(M,N),得到N-M相关曲线。然后将N-M相关曲线上点(M,N)分别除以M0和N0,得到N/N0-M/M0相关曲线,如图8所示。对于火灾后的型钢混凝土柱,与火灾前不同,在初始外荷载N和Mx以及包含升、降温的火灾作用下,截面内产生残余应力和变形;对于加固后的型钢混凝土柱(加固方案如图7所示),除火灾作用后柱内存在残余应力和变形,经加固后截面较火灾前有所增大。以降温段最末状态为基准,采用类似常温下的方法,可得到火灾后和加固后型钢混凝土柱的N/N0-M/M0相关曲线,如图8所示。由图8可见,火灾前、火灾后和加固后的N/N0-M/M0相关曲线形状类似,N/N0=0.25附近对应N/N0-M/M0相关曲线的点近似为界限破坏的临近点,N/N0>0.25受压破坏(小偏心受压);N/N0<0.25受拉破坏(大偏心受压)。型钢混凝土柱外部的混凝土由于受到高温的影响,火灾后其材料性能会有所降低,导致柱的承载能力下降;经历升、降温火灾后型钢混凝土柱的压弯相关曲线会较火灾前向内偏移,但由于外部混凝土较好的保护了内部混凝土、型钢和钢筋,使其受到的高温损伤较小,曲线向内偏移的程度有限;加固后,柱截面外层增加的混凝土使其承载能力明显增加,使得型钢混凝土柱的压弯相关曲线会向外偏移。定义不同轴向荷载比(N/N0)下型钢混凝土柱极限抗弯承载力损失率为(M-Mf)/M0·100,单位%,其中N为轴向荷载设计值,N0为火灾前(常温下)轴压状态时的极限轴压承载力设计值;M和Mf分别为与N对应的火灾前和火灾后N-M相关曲线上的极限抗弯承载力。同样,定义加固后的型钢混凝土柱极限抗弯承载力的提高率为(Ms-M)/M0·100,单位%,其中M和Ms分别为与轴向荷载设计值N对应的火灾前和加固后N-M相关曲线上的极限抗弯承载力。计算的损失率和提高率变化曲线分别如图9所示,图中计算损失率时,ΔM=M-Mf;计算提高率时,ΔM=Ms-M。由图9虚线可见,当N/N0<0.25时,极限抗弯承载力损失率随N/N0的增加而增加;当N/N0>0.25时,极限抗弯承载力损失率随N/N0的增加而减小,且变化相对比较平缓;极限抗弯承载力损失率在N/N0=0.25附近达最大6.4%,在N/N0=0(纯弯)附近达最小4.1%。这表明火灾对型钢混凝土受拉破坏的影响大于受压破坏,这是由于火灾后混凝土强度劣化而不能恢复常温水平,而钢筋和钢材的屈服强度基本能恢复至常温值,使混凝土的有效受压区减小(包含轴心抗压强度折减以及由于爆裂造成的面积减小等)。由图9实线可见,极限抗弯承载力提高率随N/N0的变化与相应损失率的变化规律相反,极限抗弯承载力提高率在N/N0=0.25附近达最小3.9%;当N/N0=0(纯弯)时,极限抗弯承载力提高率达最大9.1%。在确定不同设计轴向荷载比(N/N0)下,型钢混凝土柱极限抗弯承载力火灾后的损失率和加固后的提高率后,可为该类型钢混凝土柱的火灾后和加固后的压弯性能分析提供定量的依据。3.2混凝土抗弯刚度火灾作用后,材料的弹性模量降低以及混凝土高温爆裂导致的截面削弱等都可能使型钢混凝土的抗弯刚度降低。对常温下的型钢混凝土抗弯刚度,Eurocode4和《型钢混凝土组合结构技术规程》等规范对其作出了规定,但火灾后和加固后的抗弯刚度的计算方法尚少见。参考韩林海中对钢管混凝土抗弯刚度的计算方法,以Ms=0.6M0对应的弯矩M-曲率φ关系曲线中的割线刚度作为型钢混凝土的使用阶段抗弯刚度Ks,如图10所示。Ks的计算表达式如下:其中:φs为曲率;εc为受压边缘混凝土压应变;εs为受拉钢筋拉应变;h0为截面有效高度。采用如图4所示的有限元模型,分别得到其在火灾前、火灾后和加固后的纯弯状态下跨中截面的弯矩M-曲率φ关系曲线,如图11所示。为便于与火灾前使用阶段抗弯刚度的对比,火灾后和加固后的M0的取值与火灾前的相同,按照(1)式计算得到的火灾前、火灾后和加固后的使用阶段抗弯刚度分别用Ks、Ksf和Kss表示,结果如表1所示。由表1可见,火灾后型钢混凝土柱的使用阶段抗弯刚度与火灾前相比降低14.3%;加固后与火灾前相比,使用阶段抗弯刚度则提高6.7%。获得其火灾后和加固后的使用阶段抗弯刚度后,可获得如弹性模量和等效截面等参数,为进一步的力学分析打下基础。4抗弯刚度的提高率和速率本文提出了火灾后和加固后型钢混凝土(SRC)柱力学性能的分析流程,