火灾后钢筋混凝土柱外包钢管加固性能_数值模拟(1)

第21卷第3期2012年6月自然灾害学报JOURNAL OF NATURAL DISASTERS Vol．21No．3Jun．2012收稿日期：2011－08－06；修回日期：2011－10－21基金项目：教育部科学技术研究重点项目（210228）；甘肃省自然科学基金项目（096RJZA100）作者简介：王文达（1976－），男，教授，博士，主要从事钢与混凝土组合结构抗火及抗震性能研究．E-mail ：wangwd@lut．cn 文章编号：1004－4574（2012）03－0204－07火灾后钢筋混凝土柱外包钢管加固性能———数值模拟王文达1，2，郭智峰3，张鹏鹏1，2（1．兰州理工大学甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室甘肃兰州730050；2．兰州理工大学土木工程学院，甘肃兰州730050；3．西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055）摘要：基于ABAQUS 软件进行了外包钢管约束加固火灾后钢筋混凝土柱力学性能的数值模拟，分别建立了受火钢筋混凝土构件的温度场分析模型及加固后构件的三维单元力学分析模型。

探讨了钢管屈服强度、名义含钢率、新修复混凝土强度等对外包钢管约束加固火灾后钢筋混凝土柱承载力、刚度及延性的影响规律。

结果表明：火灾后钢筋混凝土柱的承载力和刚度都会明显降低，采用外包钢管可对受损伤的钢筋混凝土柱进行修复加固，加固后组合柱受力性能将得到大大改善。

分析结果可为有关工程应用提供参考。

关键词：钢筋混凝土柱；火灾后；外包钢管；加固；数值模拟中图分类号：TU352．5；TU375文献标志码：ANumerical simulation on strengthening behavior of reinforced concretecolumns after fire with wrapped steel tubeWANG Wenda 1，2，GUO Zhifeng 3，ZHANG Pengpeng 1，2（1．Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation in Civil Engineering of Gansu Province ，Lanzhou University of Technology ，Lanzhou 730050，China ；2．College of Civil Engineering ，Lanzhou University of Technology ，Lanzhou 730050，China ；3．College of Civil Engineering ，Xi ’an University of Architecture and Technology ，Xi ’an 710055，China ）Abstract ：Based on software ABAQUS ，numerical simulation of the mechanical behavior of steel tube-wrapped RC column after fire was conducted ，and temperature field model of the RC column under fire and 3D mechanical mod-el of the strengthened RC column were established．Also explored is the influence regularity of the yielding strength ，nominal steel rate and reparative concrete strength on bearing capacity ，rigidity and ductility of the steel tube wrapped RC column after fire．Results show that the bearing capacity and rigidity of the RC column after fire decrease obviously ，while the wrapped steel tube can repair and strengthen the damaged RC column ，and the strengthened composite column has greatly-improved bearing behavior．The results may provide a reference to rele-vant engineering application．Key words ：reinforced concrete column ；post-fire ；wrapped steel tube ；strengthening ；numerical simulation火灾的日益频发且对建筑物的危害越来越大，对人民生命财产损失也越来越大，因此火灾已成为严重威胁社会安全的问题［1］。

火灾往往会导致建筑结构及构件受到不同程度损伤，从而影响结构安全。

尽管如此，当结构受损不至于破坏时，可通过合理的修复加固手段使得结构及构件继续服役。

火灾后大部分钢筋混凝土构件经过加固维修后即能满足原设计要求，少数情况下可能需要拆除重建。

当能比较准确地进行火灾后钢筋混凝土构件剩余力学性能（如剩余承载力和刚度等）的评估，合理评价其损伤程度，从而选择合理的第3期王文达，等：火灾后钢筋混凝土柱外包钢管加固性能———数值模拟修复加固方法即可实现受损后构件的继续使用［2］。

目前对于钢筋混凝土结构受火后常用加固方法主要有［3］：喷射混凝土法、粘钢加固法、加大截面修复法、外加预应力加固法、粘贴碳纤维加固法、置换法、绕丝法等。

本文采用外包钢管约束的方法加固火灾后受损的钢筋混凝土柱，此种加固方法与用其他方法相比，钢管内不再需要另配钢筋且钢管本身可作浇筑新增混凝土的模板，方便施工。

同时由于钢管不直接承受纵向荷载，钢管不易出现局部屈曲，因此钢管壁厚可以较小，钢管仅起到约束新浇筑混凝土作用，从而可更充分的发挥钢材抗拉强度高的优点，使其具有一系列优越的力学性能，可以被广泛的应用于结构的维修和加固。

对于结构受火性能的研究主要有试验研究［4］和数值模拟［5］。

为明确采用外包钢管约束加固火灾后钢筋混凝土柱的性能，确定合理的修复加固措施和方案，本文采用ABAQUS 软件建立了受火后钢筋混凝土柱外包钢管加固后分析的数值模型，初步讨论了采用该方法加固后承载力及刚度等指标的变化，并结合相应加固参数进行了参数分析，明晰了主要参数对其加固后力学性能的影响规律，可为制定合理有效的加固措施提供参考。

1外包钢管约束加固钢筋混凝土柱原理遭受火灾损伤的结构进行修复加固的原则应是加固修复后结构强度、刚度和延性基本能恢复到受火前状态。

一般而言，修复后结构的质量和刚度变化一般不应超过原结构的5%和10%，以避免修复后结构的动力特性改变而影响整体结构的抗震性能［2］。

作为压弯构件的柱，其承载力、刚度和延性指标可由其荷载－位移曲线确定，因此该类构件的加固修复原则也可以理解为修复后柱的荷载－位移曲线与未受火时接近。

钢筋混凝土柱经过高温后，承载力及柱的延性，刚度都大大降低［2］，高温过火后钢筋混凝土的表面部分混凝土受损严重，凿除混凝土保护层，外套钢管，并在空隙间浇筑混凝土，可保证钢管、新浇筑混凝土和受火后混凝土之间良好的粘结。

由于钢管不直接承受纵向荷载，只起到约束作用，可避免因纵向荷载引起的局部屈曲，同时由于钢管对新浇筑混凝土的约束作用，使其承载力提高。

这样的加固后的构件可达到共同工作、整体受力的目的。

根据现行规范设计典型方形截面钢筋混凝土柱，轴压比为0．4（标准值），截面为600mm ˑ600mm ，柱高4．2m ，轴力N =4665．6kN （标准值），f cu =50N /mm 2，纵筋配筋率2．74%，箍筋φ8@200，柱两端箍筋加密。

该柱在ISO －834标准火灾下受火3h 。

根据文献［2］，一般以500ħ线作为钢筋混凝土构件烧损深度线，修复只需凿除受火温度超过500ħ的混凝土，这是基于500ħ以下的混凝土还具有较高的承载力，能满足与新混凝土的界面粘结需要，以及考虑施工等综合原因确定的。

因此在获得柱表面最高温度T f 和柱截面中心点最高温度T c 后，烧损深度即可确定。

对于本文算例，去除柱保护层（40mm ），外套圆形或方形钢管并在其中浇筑自密实混凝土。

采用Q235钢材，新浇筑的混凝土采用C60混凝土。

钢管两端长度缩短10mm ，以实现钢管只起约束作用，由于钢管并不直接承担纵向轴力，可选用薄壁钢管。

本文加固方案中圆钢管尺寸为D ˑt =750mm ˑ3．5mm ，方钢管为B ˑt =640mm ˑ3．5mm 。

钢筋混凝土柱加固示意如图1所示。

图1外包钢管约束加固火灾后钢筋混凝土柱示意Fig．1Sketch of steel tube-wrapped RC column after fire·502·自然灾害学报第21卷2外包钢管加固钢筋混凝土柱数值模拟2．1有限元模型在利用ABAQUS ［6］进行火灾后钢筋混凝土柱外包钢管加固力学性能数值模拟时，采用顺序耦合的热－应力分析，先进行热分析求解，得出标准火灾作用下构件温度场的分布。

在温度场分析之后进行构件力学分析，设置材料属性，并将进行的热分析单元转化为相应的结构单元，读入热分析中的节点温度，然后进行相应的计算。

2．1．1钢筋混凝土柱温度场分析材料的热工参数：传热分析所需材料参数（钢和混凝土）传热系数、比热、密度等。

材料的热工参数选择，参见文献［7］。

进行有限元热分析建模时，钢管采用可进行热分析的四节点壳单元DS4，混凝土采用八节点三维实体热分析单元DC3D8。

钢筋采用采用热分析单元DC1D2。

有限元热分析建模中，原钢筋混凝土分为两部分以500ħ为界。

这两部分混凝土用绑定（Tie ）约束。

在热分析中新旧混凝土之间（旧混凝土即为未超过500ħ的混凝土部分），钢管与新混凝土之间，钢筋与混凝土之间和构件与加载板之间不设热边界条件，即按绝缘考虑。

荷载分析步中，设定初始温度（20ħ）于构件各个节点，按照ISO －834标准升温曲线进行升温加载。

构件与加载板不设热边界条件，即按柱端绝缘考虑。

柱周围和混凝土梁板表面按照第3类边界条件考虑对流传热和热辐射，受火构件表面的对流传热系数取25W /（m 2·K ）、热辐射系数取0．5。

所建模型的属性设置中设置相应的Stefan －Boltzmann 常数（5．67ˑ10－8W /（m 2·K 4））和绝对零度（－273ħ）。