外包钢加固钢筋混凝土柱的抗火性能研究

张翔，毛小勇,徐良进

（苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011）

外包钢加固钢筋混凝土柱的抗火性能研究

张翔，毛小勇,徐良进

（苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011）

利用有限元软件ABAQUS建立了外包钢加固钢筋混凝土柱的温度场和力学分析模型，应用钢筋混凝土柱的抗火试验数据对模型进行验证。采用验证后的模型分析了轴压比、偏心率、荷载比以及承载力提高系数对外包钢加固钢筋混凝土柱抗火性能的影响规律。分析结果表明：随着轴压比、荷载比和偏心率的增加，加固柱的耐火极限减小。对于轴心受压柱，承载力提高系数的增加对加固柱耐火极限影响很小；对于偏心受压柱，随承载力提高系数的增大加固柱的耐火极限增大，但增幅有限。在荷载比相同的前提下，偏心率对柱的耐火极限影响不显著。

外包钢加固钢筋混凝土柱；抗火性能；温度场；钢筋混凝土柱

外包钢加固钢筋混凝土柱，是在混凝土柱四周包以角钢的加固方法[1]。该方法可在不显著增大原柱截面面积的前提下，大幅度提高柱的承载能力，且现场工作量较小，施工快捷。作为加固规范[2]中的方法之一，外包钢加固钢筋混凝土柱在实际工程中得到了广泛应用[3-4]。

目前，研究多集中于外包钢加固钢筋混凝土柱的承载能力[5-6]，很少考虑其在火灾下的反应[7-8]。由于加固后柱的承载力显著增加，其在火灾下的危险性高于普通钢筋混凝土柱。按照加固规范的构造要求所规定的水泥砂浆保护层厚度（25 mm），远达不到加固柱的耐火保护要求。在火灾作用下，由于界面粘结处结构胶融化、砂浆承载力低及角钢导热性优良，将易造成加固柱外部砂浆层的剥落，导致加固角钢直接暴露于火灾热场中。因此，随着外包钢加固技术的推广和应用[9]，外包钢加固钢筋混凝土柱的抗火性能及设计方法成为一个急需解决的问题。

针对上述现状，文中建立了加固柱在四面受火条件下的抗火分析模型，并研究了各参数对火灾下外包钢加固钢筋混凝土柱抗火性能的影响，可为外包钢加固钢筋混凝土柱的抗火设计提供参考。

1 外包钢加固钢筋混凝土柱的有限元模型

1.1 有限元模型简介

加固柱模型由4部分组成（见图1），分别是钢筋骨架、内层混凝土、加固角钢与缀板、外层水泥砂浆保护层，根据《混凝土结构加固设计规范》[2]要求，型钢及混凝土表面涂抹25 mm的高强度水泥砂浆作为保护层。

利用ABAQUS软件中的顺序热-力耦合功能进行外包钢加固钢筋混凝土柱有限元模型的抗火性能分析，即首先分析各部分的温度场，然后将计算得到的温度场作为体荷载进行后续的力学分析。

温度场分析时，角钢、缀板、水泥砂浆和混凝土采用DC3D8单元模拟，钢筋采用DC1D2单元模拟，钢筋、角钢、缀板与水泥砂浆、混凝土对应接触部位采用绑定约束。力学分析时，角钢、缀板、水泥砂浆和混凝土采用C3D8R单元模拟，钢筋采用T3D2单元模拟。钢筋、角钢和缀板采用嵌入约束（EMBEDED）嵌入到对应模型中，端板与相对应接触的部位采用绑定约束（TIE）。

钢材的高温本构模型及热工参数采用Lie[10]的应力应变曲线；混凝土的高温本构模型及热工参数采用Kodur[11]的应力应变曲线；混凝土高温下的受拉应力应变曲线采用文献[12]中给出的简化双折线模型。外层水泥砂浆保护层的热工参数如下：密度2 000 kg/m3，比热容及导热系数和混凝土的热工参数相同。

火灾升温采用ISO834标准的升温曲线，柱四面受火。

图1 外包钢加固钢筋混凝土柱的有限元模型

1.2 模型验证

由于目前尚无外包钢加固钢筋混凝土柱的抗火性能试验，利用文献[13]中NC1钢筋混凝土柱的抗火试验结果对上述模型进行验证，可在一定程度上反映模型中单元、材料、边界及约束关系的合理性。

试件NC1长3 810 mm，竖向荷载为1 181 kN，截面尺寸300 mm×300 mm，混凝土保护层厚度30 mm，纵筋为4Φ25，箍筋采用Φ8@100（200），受火面长度为3 000 mm。

图2为模拟结果和试验结果的对比情况，可以看出温度场的计算结果与试验结果吻合良好，轴向变形的模拟曲线与试验曲线基本一致。

图2 有限元模拟与试验结果对比

2 加固柱参数及设计

试件加固前基本参数如下：柱长L=3 800 mm，截面尺寸300 mm×300 mm，混凝土抗压强度fc=30 MPa，纵筋采用4Φ22钢筋，箍筋为Φ8@100（200）。加固角钢尺寸分别为L75×8、L90×10、L100×10、L100×12、L110×12、L110×14等6种，缀板尺寸240×40×6，角钢与缀板均为HPB235钢材。

钢筋混凝土柱的极限承载力通过《混凝土结构加固设计规范》[2]计算，外包钢加固钢筋混凝土柱的极限承载力通过《混凝土结构设计规范》[14]计算。加固前、后柱轴力-弯矩相关曲线见图3。

由图3可知，柱竖向承载力显著提高。在相同轴力水平下，柱抗弯能力提高超过一倍。这是由于外包钢位于加固柱最外侧，可有效抵抗弯矩作用。

图3 承载力包络图

3 加固柱抗火性能参数分析

针对以上加固柱构件，分析了轴压比m、荷载偏心率e、荷载比μ以及承载力提高系数β等4个参数对外包钢加固钢筋混凝土柱抗火性能的影响。

3.1 轴压比的影响

轴压比m=N/fcA。其中，N为加固柱实际承受的轴力；fc为混凝土常温下棱柱体的强度，A为截面面积。分析时m分别取值0.4、0.6、0.8、0.9、1.0。

图4（a）、图4（b）分别为轴心受压（e=0）和偏心受压（e=0.4）时柱轴向位移变化曲线。由图4可见，随着升温时间增加，加固柱轴向位移的变化趋势是先增大然后逐渐减小；随着轴压比不断增大，加固柱在升温时出现的轴向最大膨胀变形越来越小。这是由于轴压比的增加将使混凝土和加固角钢承受更大的应力，而角钢位于柱外侧区域，火灾下温度上升较快，其承载能力随升温时间增加显著降低，荷载向内部的钢筋混凝土柱转移，一旦达到高温下混凝土的抗压强度，柱即发生破坏，从这个角度讲，火灾下加固柱比普通混凝土混凝土柱更加危险；加固柱轴压比越大，则其受压产生的轴向压缩越大，而加固柱因热膨胀产生的轴向膨胀变形一定，故其轴向最大膨胀变形越来越小。

3.2 偏心率的影响

荷载偏心率e=e0/b。其中，e0为初始偏心距，b为偏心方向的相应边长。分析时，e分别取值0.1、0.2、0.3、0.4、0.5及0.03、0.07、0.10、0.13、0.18、0.20、0.23。

图5（a）、图5（b）中给出了偏心率e不同时加固柱轴向位移变化曲线。由图5可见，在其他参数相同的前提下，随着偏心率的增加，加固柱的耐火极限显著减小。这是由于偏心率的增加意味着柱承受的弯矩增加。由于弯矩主要由外侧的角钢承受，故角钢中的应力明显加大。一旦位于外侧的角钢在高温下失效，柱抗弯能力将显著下降，导致耐火极限降低。

图4 不同轴压比下加固柱轴向位移变化曲线

图5 不同偏心率下加固柱轴向位移变化曲线

3.3 荷载比的影响

荷载比μ=P0/Pu。其中，P0为常温下柱的轴力；Pu为常温下柱的极限承载力。分析时μ分别取值0.4、0.6、0.7、0.8。

图6（a）、（b）为偏心率不同时，不同荷载比作用下加固柱轴向位移随时间的变化曲线。由图6可见，随着荷载比增大，加固柱的耐火极限迅速减小。究其原因，荷载比μ增加则加固柱承受的轴向荷载增加，加固柱所能提供的剩余承载力减小，由于钢材和混凝土在升温时材性变差，故加固柱剩余承载力随升温时间增加逐渐降低。一旦在该荷载比下加固柱的剩余承载力减小为零，柱即发生破坏。

3.4 承载力提高系数的影响

承载力提高系数β=N1/N2。其中，N1为钢筋混凝土柱由不同尺寸角钢加固后所得加固柱在常温下的极限承载力，N2为未加固钢筋混凝土柱在常温下的极限承载力。图7（a）、图7（b）、图7（c）、图7（d）分别对应荷载比μ=0.5、0.7、0.5、0.7，以及偏心率e=0.4、0.4、0、0条件下，轴向位移随时间的变化曲线。各图轴向压力均是定值，其值为未加固钢筋混凝土柱极限承载力乘以各图对应的荷载比，其中不同值所对应的加固角钢尺寸见表1。

图6 加固柱轴向位移曲线

图7 不同承载力提高系数下加固柱轴向位移变化曲线

表1 承载力提高系数-角钢尺寸

由图7可见，随着加固柱承载力提高系数β增大，加固柱的耐火极限增大；当荷载比较小时，β增大，加固柱的耐火极限略微增加；当荷载比较大时，β增大，加固柱的耐火极限显著增加。这是由于β增大则加固柱的极限承载力增大，加固柱需受火至更高温度，使其内部钢材和砼的材性进一步降低，以材料达到该荷载比作用下的破坏强度。

当荷载比较小时，由于内部钢筋混凝土柱能够承受外部角钢因受热失效而转移来的荷载，角钢受热失效后内部混凝土柱不致马上破坏，故β增大仅使柱的耐火极限略微增加；而当荷载比较大时，内部钢筋混凝土柱无法承受外部转移来的荷载，β增大使加固柱整体承载能力增加，故加固柱的耐火极限明显增加。

图8（a）、图8（b）为荷载比μ一定时，轴心受压与偏心受压加固柱的耐火极限与β的关系。可见当荷载比一定时，承载力提高系数增加，加固柱耐火极限略微减小。这是由于当荷载比相同时，承载力提高系数增大，则加固柱整体承受的荷载也增大，角钢将分担更大比例的荷载，而一旦高温下角钢材性变差无法承受其原有荷载，则其所受荷载将转移至内部钢筋混凝土柱，这将使得内部钢筋混凝土柱在高温下承受更大作用的荷载，从而导致其耐火极限降低。

图8 β-加固柱耐火极限变化

4 结论

应用ABAQUS建立了外包钢加固钢筋混凝土柱的有限元模型，并对轴力作用下外包钢加固钢筋混凝土柱的抗火性能进行了参数分析，结论如下：

（1）随着加固柱轴压比增大，加固柱的耐火极限减小；随着加固柱偏心率增加，加固柱的耐火极限减小；当荷载比较大时，偏心率略微增加，将导致加固柱的耐火极限显著减小。

（2）当加固柱荷载比较大时，随着加固角钢尺寸的增大，加固柱耐火极限明显增加；当加固柱荷载比较小时，加固角钢尺寸的增大对加固柱耐火极限的影响可以忽略。

（3）当加固柱的荷载比增加时，加固柱的耐火极限减小；轴心与偏心受压加固柱当其荷载比相同时，两者的耐火极限基本相同

（4）当荷载比为定值时，承载力提高系数提高，加固柱耐火极限略微减小。

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Fire performance of concrete columns strengthened with angle steel

ZHANG Xiang，MAO Xiaoyong，XU Liangjin
（Jiangsu Key Laboratory of Structural Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

The thermal field and mechanical performance model of reinforced concrete columns strengthened with angle steel were established by using FEA software ABAQUS．The FEA model was verified by the fire performance test results from the reinforced concrete columns．The validated model was then used to analyze the influence of related factors on fire resistance,including axial compression ratio,load eccentricity ratio,load ratio and increasing coefficient of carrying capacity．From the results,we can see that the fire resistance of the strengthened columns decreases with the increase of axial compressive ratio,load eccentricity and load ratio．For the eccentric compression columns,the fire resistance of the strengthened columns increases little with the increase of improvement of bearing capacity coefficient,but the increase is limited．Under the same load ratio,the eccentricity ratio presents little influence on the fire resistance limit of the above-mentioned columns．

strengthened with angle steel;fire resistance;temperature field;RC columns

TU352

A

1672-0679（2015）01-0037-04

（责任编辑：秦中悦）

2014－04－16

江苏省“333工程”中青年学术带头人项目（2011-24）；江苏省“六大人才高峰”项目（2012-JS-004）

张翔（1989-），男，江苏苏州人，硕士研究生。