高温试验在钢筋混凝土板加固中的应用

高温试验在钢筋混凝土板加固中的应用

1碳纤维布加固钢筋混凝土板高温反应分析该纤维加固混凝土结构技术具有高效、耐腐蚀性和耐用性好等优点，不增加组件的重量和体积。适用于广泛的应用和施工清洁的土地。但由于碳纤维布与混凝土之间粘结胶的抗剪强度随温度升高急剧降低,同时高温下碳纤维布的抗拉强度也明显下降,致使无防火保护的碳纤维布加固构件的抗火性能很差。为确保实际工程中该类加固构件的火灾安全性,深入开展其抗火性能研究是十分必要的。Blontrock等进行了碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火试验。试验过程中考虑了石膏板和石棉两种不同的防火材料,以及不同的加固量。研究结果表明:防火材料对提高加固板的耐火极限是必须的;碳纤维布与混凝土之间粘结作用的丧失发生在升温后24～55s之间,此时二者之间胶粘剂的温度约为47～69℃。Williams等也对采用不同种类及厚度防火材料进行保护的4块碳纤维布加固钢筋混凝土板进行了耐火试验。试验结果表明:在仅承受自重的情况下,防火材料厚度为38mm和19mm时,加固板的耐火极限分别大于4h和2h。鉴于这些研究中防火材料的厚度都相对较大,通过明火试验,比较了水泥砂浆防火保护层和不同厚度国产薄型防火涂料对提高加固板耐火性能的效果。由于耐火试验费钱费时,而影响碳纤维布加固钢筋混凝土板耐火性能的因素较多,完全依赖试验来进行参数影响研究显然是不经济的,此时数值分析不失为一种有效的选择,但目前还暂未见到相关文献报道。为此,本文通过碳纤维布加固钢筋混凝土板的大量高温反应分析,较系统地探讨了各主要参数对该类加固构件耐火极限的影响规律。在此基础上,建立了该类加固构件耐火极限的实用计算方法。2编程与准备2.1有限元分析过程为简化分析过程,考虑如下基本假定:①温度场分析独立于构件的内力和变形分析;②温度场分析时忽略钢筋和碳纤维布的存在,钢筋和碳纤维布的温度分别采用其坐标中心处的混凝土温度;③高温下防火材料的热工参数近似取为常数;④温度场沿构件长度方向保持不变。本文采用有限元—有限元差分混合方法求解构件内部的热传导方程。此方法是目前分析瞬态温度场时普遍采用的方法,即在空间域上采用有限元法进行离散,而在时间域上采用有限差分法进行离散,沿时间方向递推地进行有限元计算。温度场分析过程中,钢筋和硅质骨料混凝土热工参数随温度的变化规律采用文献中给出的相关公式进行确定。因目前缺少防火材料热工参数随温度的定量变化数据,高温下水泥砂浆的热工参数参照文献的做法,近似取其常温下的数值。与之相似,高温下薄型防火涂料的热工参数也近似取为常数,并具体取其膨胀之后的相应数值。薄型防火涂料对构件的保护不是靠涂层本身的隔热作用,而是靠涂层在高温下的物理化学反应形成的膨胀隔热泡沫层来实现的。一般来说,防火涂料与构件表面的附着力相对较弱(注:碳纤维布加固层的表面一般非常光滑,使这一特点显得更为突出),再加上高温气流的扰动,受火后涂料变得松散,受火过程中涂料可能部分或大面积脱落。由于目前还无法准确把握涂料脱落的时间和部位,本文分析中暂未计及涂料脱落的影响,这使得构件内部温度场的计算结果可能偏低。为在一定程度上平衡此效应,计算过程中防火涂料的厚度始终取其常温下的厚度值,不考虑其厚度的膨胀(注:不考虑火灾中涂料厚度的膨胀将使构件内部温度场的计算结果偏高,从而在一定程度上平衡前面所提到的计算结果偏低效应)。根据文献,本文计算中防火材料的热工参数取为:①水泥砂浆密度ρ=1800kg/m3,比热容c=840J/(kg·℃),导热系数λ=0.93W/(m·℃);②防火涂料密度ρ=600kg/m3,比热容c=800J/(kg·℃),导热系数λ=0.05W/(m·℃)(膨胀之后)。2.2高温下碳纤维布弹性模量的计算为简化分析过程,考虑如下基本假定:①构件横截面在升温过程中始终保持为平截面;②梁的挠曲线为正弦半波,取其中截面进行内力分析;③温度低于40℃时碳纤维布的弹性模量取其常温下的数值,120℃时取为零(即120℃时碳纤维布的加固作用完全丧失),40℃～120℃之间进行线性插值;④高温下碳纤维布的热膨胀系数取其常温下的数值(注:0.3×10-5(℃-1));⑤钢筋和混凝土均按单向应力状态考虑,忽略混凝土对抗拉的贡献。需要指出的是,文献的试验结果表明,高温下碳纤维布与混凝土之间粘结胶的抗剪强度显著降低,在120℃左右几乎丧失殆尽。由于计算过程中分别考虑粘结胶抗剪强度以及碳纤维布自身力学性能随温度的衰减较为复杂,为简便起见,上面以碳纤维布弹性模量随温度的降低作为一种形式上的综合体现,近似反映各种因素导致的高温下加固效果衰减效应。钢筋和混凝土的高温本构关系采用文献中给出的相关公式进行确定。图1所示为加固板承受的均布荷载转化为线荷载p之后的计算模型。图中L为计算跨度;um为中截面的挠度。中截面的应变分布及其单元划分见图2。由于对称性,可取中截面的一半进行考虑。由基本假定①和②可得中截面的曲率ϕ,以及中截面上任意一点由应力引发的应变εi分别为:ϕ=π2um/L2；εi=ϕyi+ε-εΤi(1)ϕ=π2um/L2；εi=ϕyi+ε−εTi(1)式中yi为该点y方向的坐标;ε为中截面形心处的总应变,以压为正,拉为负;εTi为该点的热膨胀应变,符号为负。根据应变εi,即可确定对应的混凝土应力σci、钢筋应力σsi和碳纤维布应力σcfsi,进而由各单元叠加,得到中截面的弯矩Min和轴力Nin分别为:Min=2n∑i=1σciyciAci+k∑i=1σsiysiAsi+l∑i=1σcfsiycfsiAcfsi)(2)Nin=2n∑i=1σciAci+k∑i=1σsiAsi+l∑i=1σcfsiAcfsi)(3)分析过程中,在每一时间步内均采用牛顿法迭代调整ε和ϕ(亦即调整um),直至Min和Nin分别与该时间步对应的实际弯矩M和实际轴力N(N=0)平衡。分析过程中,根据《建筑构件耐火试验方法》(GB/T9978-1999),加固板达到耐火极限的判定准则为:①构件因承载能力丧失而无法与外荷载平衡;②构件的最大挠度超过L/20。2.3复合加固板的试验分析图3和图4所示为利用本文程序得到的碳纤维布加固钢筋混凝土板的温度场计算结果与文献中部分试验结果的比较。图中各温度测点的具体位置见图5。从图3和图4中可以看出,除个别测点以外,计算曲线与试验曲线总体吻合较好。这从一个侧面反映前面提出的基本假定总体上是可行的,同时表明所编制的程序具有较好的分析精度。利用本文程序对文献中的试验试件进行了计算,耐火极限计算结果与试验结果的对比见表1,部分试件的计算跨中挠度—时间曲线与相应试验曲线的对比见图6。从表1和图6中可以看出,计算挠度曲线与试验挠度曲线较为接近,同时耐火极限的计算结果总体上也与试验结果吻合较好,这表明本文程序用于碳纤维布加固单向板的耐火极限分析是基本可行的。为进一步验证本文程序的适用性,利用该程序对文献中给出的部分钢筋混凝土未加固板以及加固板进行了计算,计算结果与该文献中相应试验结果的对比见图7。从图7中可以看出,二者总体上吻合较好。3构件荷载比考虑构件尺寸、防火涂料厚度、受拉纵筋配筋率、碳纤维布加固量、混凝土保护层厚度、荷载比(注:构件实际所受荷载与其常温极限承载力之比)6个参数,共计44×52=6400种工况,具体见表2。计算过程中,常温下纵筋屈服强度和混凝土立方体抗压强度分别取325MPa和28.8MPa,防火材料采用前面给出的热工参数。3.1加固板抗压强度图8所示为碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火极限Rf随板的厚度h的变化情况。从图中可以看出:随着板的厚度增加,加固板的耐火极限逐渐增大,但随荷载比的增加其增大幅度逐渐减小。这可能是因为在其他参数相同的情况下,随着板厚增加,板顶受压区混凝土的温度增长及强度降低缓慢,受压区高度相对较小,受压区合力作用点与板底纵筋之间的力臂相对较大,使得加固板的高温承载力衰减相对较缓慢所致。3.2碳纤维布与混凝土板的连接图9所示为碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火极限Rf随防火涂料厚度tf的变化情况。从图中可以看出:随着防火涂料厚度的增加,加固板的耐火极限逐渐增大,但增大幅度并非事先预计的那样明显。这主要是因为根据加固量反算而得的碳纤维布宽度一般均小于板的宽度,相应的防火涂料宽度也小于板的宽度,因此防火涂料只是保护了碳纤维布及其覆盖范围内的钢筋,即防火涂料只是延缓了一部分(或一小部分)钢筋温度的升高。通过计算分析发现,所有计算工况中的碳纤维布加固钢筋混凝土板,其耐火极限若要达到一级防火要求1.5h,则荷载比等于0.45且加固量为0.4时,板底喷涂3mm的薄型防火涂料即能满足要求;但荷载比等于0.45且加固量为1.0时,板底喷涂的薄型防火涂料即使达到6mm也仅能满足二级防火要求1.0小时。3.3碳纤维布加固量对加固板退火极限的影响图10所示为碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火极限Rf随碳纤维布加固量β的变化情况。从图中可以看出:随着碳纤维布加固量的增加,加固板的耐火极限逐渐减小。这主要是因为当荷载比一定时,碳纤维布加固量越大,加固板实际所承受的荷载也越大,一旦高温下碳纤维布的加固作用丧失,剩余钢筋混凝土部分将在高温下承受更大的荷载作用,从而导致其耐火极限降低。3.4受拉纵筋对混凝土被拉压的影响图11所示为碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火极限Rf随板底受拉纵筋配筋率ρ的变化情况。从图中可以看出:随着受拉纵筋配筋率的增加,加固板的耐火极限几乎保持不变。虽然随着受拉纵筋配筋率增加,钢筋直径逐渐增大,致使纵筋中心与受火面的距离加大,纵筋的温度增长变缓(注:计算中纵筋温度取其截面中心点所对应的混凝土温度)。但在本文计算过程中,受拉纵筋配筋率从0.35变化到0.8时,纵筋直径仅从6.67mm变为10.09mm,此时纵筋中心点位置仅相差1.7mm,因此从总体上看纵筋配筋率对加固板的耐火极限影响有限。3.5ov的变化情况图12所示为碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火极限Rf随混凝土保护层厚度tcov的变化情况。从图中可以看出:随着混凝土保护层厚度的增加,加固板的耐火极限逐渐增大,且荷载比改变对该趋势影响不大。这主要是因为保护层厚度越厚,相同时刻板底受拉纵筋的温度一般较低,从而使加固板的耐火极限提高。3.6荷载比的影响图13所示为碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火极限Rf随荷载比m的变化情况。从图中可以看出:随着荷载比的增加,加固板的耐火极限迅速降低,从而使荷载比成为影响加固板耐火极限的最主要因素。从上述分析可以看出,影响碳纤维布加固钢筋混凝土板耐火极限的最主要因素为荷载比,其次为混凝土保护层厚度、防火涂料厚度、碳纤维布加固量和板的厚度,而受拉纵筋配筋率对该类加固构件的耐火极限影响较小。4碳纤维布加固混凝土板退火极限通过对各种工况的大量计算结果进行统计分析,可以得到碳纤维布加固钢筋混凝土板耐火极限与板的厚度、防火涂料厚度、碳纤维布加固量、受拉纵筋配筋率、混凝土保护层厚度、荷载比之间的如下回归关系:Rf=ShStfSβSρStcovSm(4)式中:Sh=-0.236+7.533h;Stf=0.973+98.823tf;Stcov=3.859+118.150tcov;Sρ=-3.808+0.061ρ;Sβ=6.733-3.401β;Sm=-6.686+17.489m-12.075m2。其中h为板的厚度(m);tf为防火涂料厚度(m);β为碳纤维布加固量;ρ为板底受拉纵筋配筋率(单位:%);tcov为混凝土保护层厚度(m);m为荷载比;Rf为加固板的耐火极限(单位:min)。图14所示为利用式(4)求得的碳纤维布加固钢筋混凝土板的耐火极限与程序计算结果的对比。从图中可以看出,二者总体上吻合较好。5碳纤维布加固钢筋混凝土板高温下应用性能通过本文的研究,可以得到如下初步结论:(1)编制的碳纤维布加固钢筋混凝土单向板的火灾全过程分析程序,得到了本文以及其他学者试验数据的初步验证,