角钢加固钢筋混凝土框架抗火性能研究

张施鹏，毛小勇

(苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011)

角钢加固钢筋混凝土框架抗火性能研究

张施鹏，毛小勇

(苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011)

应用Abaqus有限元软件建立了角钢加固钢筋混凝土框架的热-力耦合分析模型，利用钢筋混凝土梁、柱和框架的抗火试验数据对温度场和力学分析模型进行了验证。利用验证后的模型，分析了轴压比、荷载比、承载力提高系数对角钢加固钢筋混凝土框架的变形特征和耐火极限的影响规律。结果表明：由于边柱荷载比中柱小，受到的约束也弱于中柱，其轴向膨胀变形和水平侧移比中柱大；加固柱的轴压比对框架的破坏形式有重要影响，当加固柱的轴压比较小时，受火梁先发生破坏，导致局部破坏；随着轴压比的增大，底层框架柱先于受火梁发生破坏，导致整体破坏；轴压比影响框架加固柱的刚度和结构的内力分布；轴压比和火灾荷载比的增大导致框架耐火极限下降，荷载比对框架耐火极限的影响更为明显；在荷载比相同的情况下，承载力提高系数对框架柱耐火极限的影响很小。

角钢加固；钢筋混凝土框架；抗火性能；温度场

0 引言

近年来，由于功能改变、结构老化等原因，已有建筑的加固改造日益增多，钢筋混凝土结构的加固技术得到了迅速发展。角钢加固技术[1]是在构件周围包以角钢对结构进行加固的一种最为常见的加固方法，其优点是在不显著增大构件截面面积的前提下，可大幅度提高构件的承载能力，并且现场工作量少，施工快捷[2]。作为规范[3]推荐的加固方法之一，角钢加固技术在实际工程中得到了广泛应用。

目前，对角钢加固结构的研究主要集中在加固后结构的承载能力方面，很少考虑加固后结构在火灾下的反应。由于加固后结构承受了比加固前更大的荷载，同时角钢与混凝土粘结界面在火灾高温下极易失效，并且高温下砂浆保护层极易剥落，导致加固角钢直接暴露在高温热流体中，因此角钢加固结构在火灾下的危险性要高于普通的钢筋混凝土结构[4]。角钢加固结构的抗火性能成为一个亟须解决的问题。

针对目前的实际状况，本文建立了角钢加固钢筋混凝土框架的受火分析模型，分析了一些主要参数对其抗火性能的影响，研究成果可为角钢加固钢筋混凝土框架结构的抗火设计和耐火保护提供参考。

1 角钢加固钢筋混凝土框架抗火分析有限元模型

1.1 框架结构的选取

1.2 有限元模型简介

利用有限元软件Abaqus建立角钢加固钢筋混凝土框架计算模型。采用ISO 834[5]标准升温曲线，框架底层受火，底层边柱三面受火，中柱四面受火，底层梁下部受火。受火面对流换热系数为25 W/(m2·K)，综合辐射系数取0.5；非受火面的热对流换热系数取9 W/(m2·K)，综合辐射系数取0，Stefan-Boltzmann常数5.67×10-8W/(m2·K)。

温度场分析时，水泥砂浆和混凝土采用DC3D8单元模拟，钢筋采用DC1D2单元模拟，角钢和缀板采用DS4单元模拟，混凝土与混凝土之间、钢筋与混凝土之间、角钢与混凝土之间、混凝土与水泥砂浆之间、缀板与角钢之间均采用绑定(Tie)约束，不考虑接触面之间的热阻及滑移。

力学分析时，水泥砂浆和混凝土采用C3D8R单元模拟，钢筋采用T3D2单元模拟，角钢和缀板采用S4R单元模拟。不考虑水泥砂浆保护层的力学作用，混凝土梁柱之间采用绑定(Tie)约束，角钢和混凝土柱之间考虑滑移作用，型钢与混凝土接触面在法向定义硬接触，切向定义为经典库伦摩擦，摩擦系数取0.3，并且允许接触后分离，梁和柱的钢筋笼都采用嵌入约束的方式嵌入到梁柱之中，假定钢筋节点与混凝土节点之间完全耦合。

钢材热传导系数和比热容选用EC3[6]及EC4[7]给出的计算公式，密度为7 850 kg/m3，泊松比取0.3。混凝土的热传导系数和比热选用文献[8]给出的计算公式，密度为2 000 kg/m3，泊松比取0.2。砂浆选取的热学参数与混凝土一致。钢材和混凝土的高温本构模型和热膨胀系数均选取文献[8]给出的公式计算。

角钢加固钢筋混凝土框架的有限元模型及网格划分如图1所示。

(a)角钢加固钢筋混凝土框架网格划分图

(b)梁柱节点局部放大图

(c)外层水泥砂浆保护层

(d)加固角钢和缀板

1.3 模型验证

由于目前还没有角钢加固钢筋混凝土框架的抗火试验，本文分别对钢筋混凝土轴压柱、钢筋混凝土梁和钢筋混凝土框架的抗火试验进行模拟验证，间接验证本文材料选取、建模方法、边界条件的可靠性。

1.3.1 钢筋混凝土轴压柱

吴波等[9]开展了5根高强混凝土柱、2根普通混凝土柱的耐火试验，本文选取其中的1根普通钢筋混凝土柱NC1进行验证。试件NC1长3 810 mm，竖向荷载为1 181 kN，截面尺寸为300 mm×300 mm，混凝土采用的是硅质骨料，28 d实测立方体抗压强度为32.2 MPa，混凝土保护层厚度30 mm，纵向钢筋为4根直径25 mm的HRB400钢筋，箍筋Φ8@100(200)，纵筋和箍筋的屈服强度分别为349.7 MPa和370.0 MPa，极限抗拉强度分别为536.5 MPa和465.5 MPa。柱四面受火，受火部分长度为3.0 m。炉内按照ISO 834[5]标准升温曲线进行升温。

图2和图3分别给出了温度场和轴向位移模拟结果与试验结果的对比情况，可以看出模拟结果和试验结果基本吻合。

图2 时间-温度场变化曲线

图3 轴向位移变化曲线

1.3.2 钢筋混凝土梁

算例来自陆洲导等[10]进行的钢筋混凝土简支梁抗火性能研究，试件编号2JC1，混凝土梁三面受火，在混凝土梁试件跨中施加30 kN集中荷载，混凝土保护层厚度为20 mm，梁截面尺寸为200 mm×300 mm，底部纵向受力钢筋的直径为12 mm的热轧钢筋，梁上部受压纵向钢筋采用2根6 mm的圆钢。

图4是模拟计算的梁跨中挠度随受火时间变化的曲线与试验实测曲线的对比情况，可以看出两者在40 min以前吻合良好，在后期虽有一定差异但总体趋势符合良好。

图4 试件2JC1跨中挠度-受火时间关系

1.3.3 钢筋混凝土框架

时旭东等[11]进行了钢筋混凝土框架的抗火性能试验，共设计制作了5组钢筋混凝土框架模型，5组模型的钢筋混凝土梁和柱的配筋率都保持一致，试件的尺寸则各不相同。本文选取试件TFC-2进行模拟对比。试件梁、柱的纵向受力钢筋都采用了Ⅰ级钢，纵筋直径10 mm，测得钢筋的屈服强度为270 MPa，梁和柱的箍筋都采用直径8 mm的圆钢，实测箍筋的屈服强度为289 MPa，梁和柱的箍筋间距80 mm，试件TFC-2混凝土梁的跨度为1 700 mm，梁截面为100 mm×150 mm，柱高度为1 425 mm，柱截面为100 mm×200 mm，梁柱线刚度比为0.354。

图5为TFC-2跨中挠度随受火温度变化的试验值和模拟值的对比，从图中可见，在700 ℃之前模拟值和试验值基本一致，700 ℃之后有一定差异，但最终变形趋于吻合。

图5 TFC-2跨中挠度-温度曲线

2 角钢加固钢筋混凝土框架抗火性能分析

2.1 耐火极限判定标准

ISO 834[5]给出了构件耐火极限的定义，但是目前对于整体框架结构的耐火极限还没有统一的标准。本文通过结构构件的变形来确定结构的耐火极限，主要考虑框架梁的跨中挠度和框架柱的柱顶位移，具体准则如下：

1)对于梁，当梁最大挠度达到L2/(400h)(mm)，并且挠度超过跨度的1/30后变形速率超过L2/(9 000h)(mm/min)，那么就判定梁达到耐火极限；

2)对于柱，当柱轴向压缩量达到受火前长度的1%，并且轴向压缩的变形速率超过0.003H(mm/min)时，柱达到耐火极限，其中H是指柱子受火前的高度，单位为mm。

2.2 框架耐火性能分析

2.2.1 轴压比影响分析

轴压比n=Nc/(fckA),其中Nc是计算截面轴向荷载，fck是混凝土抗压强度标准值，A是混凝土柱截面面积。从图6中可以看到，轴压比n=0.4，n=0.6，n=0.8时，在受火前期，中柱的柱顶竖向位移表现为构件的膨胀伸长，但膨胀变形不大。随着轴压比的不断加大，受火柱的竖向位移则表现为轴向的压缩变形。轴压比n=0.4，n=0.6，n=0.8时，柱顶的竖向位移变化速率较小，随着轴压比的增大,轴向压缩变形的速率增大。轴压比n=1.0时，受火时间达到178 min后边柱和中柱的竖向变形迅速增大破坏。

图6 受火中柱柱顶轴向位移

图7为受火边跨跨中挠度，可见不同轴压比加载情况下，梁的挠度在受火初期随受火时间的变化趋势其大小基本相同，主要是由于梁的挠度与梁所受的荷载水平有关，柱的轴压比对梁挠度的影响不大。当轴压比n=1.0时，受火130 min后挠度下降变快，主要是由于此时柱子达到耐火极限所致。

图7 受火边跨跨中挠度

图8是边柱和中柱柱底弯矩变化情况，可见边柱柱底的弯矩要远大于中柱，这是由于中柱柱顶节点两侧均受到框架梁的约束。在荷载水平较小(n=0.4，n=0.6，n=0.8)时边柱柱底弯矩的变化趋势基本一致，都是先开始增长较快，然后随着受火时间的增大缓慢减小，但是当荷载增大到一定程度(n=1.0)时，框架柱底部弯矩就会在升温后期出现反号，这是由于升温后期梁的挠度不断增大，对边柱柱顶产生了向框架内侧的拉力。

(a)n=0.4

(b)n=0.6

(c)n=0.8

(d)n=1.0

2.2.2 荷载比影响分析

荷载比m=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。图9为不同火灾荷载比情况下，底层角钢加固中柱的轴向变形与受火时间的变化曲线，从图中可以看出，随着荷载比的增大，角钢加固柱的耐火极限迅速下降。

图9 底层受火加固中柱顶轴向位移

图10为不同荷载比框架耐火极限曲线，从图中可见，当β=1.47，荷载比m=0.4时，耐火极限为178 min，当荷载比m=0.7时，框架耐火极限仅为23 min，随着荷载比的增加几乎呈线性下降。

图10 不同荷载比框架耐火极限变化曲线

2.2.3 承载力提高系数影响分析

图11为不同承载力提高系数对框架柱耐火极限的影响情况，可见在荷载比相同的情况下，不同的承载力提高系数对于底层加固柱耐火极限的影响很小。主要是在相同的保护层厚度之下，由于钢材的良好导热性能，不同的加固角钢对于热量由保护层传递至混凝土柱表面的影响很小，框架柱的温度场分布基本相同，因而其在相同荷载比下耐火极限也基本相同。

图11 不同承载力提高系数β下框架耐火极限曲线

3 结论

本文利用Abaqus建立角钢加固钢筋混凝土框架的有限元模型，分析了轴压比、荷载比、承载力提高系数对角钢加固钢筋混凝土框架抗火性能的影响，结论如下：

1)底层受火边柱的轴向膨胀变形和水平侧移比中柱大，这是由于边柱荷载相对中柱较小，并且约束也要弱于中柱。

2)加固柱的轴压比对框架的破坏形式有重要影响，当轴压比较小(n=0.4，n=0.6，n=0.8)时，受火梁先发生破坏，属于局部破坏；随着轴压比的增大，当轴压比n=1.0时，底层框架柱先于受火梁发生破坏，属于整体破坏。轴压比影响框架加固柱的刚度和结构的内力分布。

3)轴压比和火灾荷载比的增大都将导致框架耐火极限的下降，且荷载比的增大对框架耐火极限的影响更为明显，从荷载比m=0.4到荷载比m=0.7，框架耐火极限呈线性下降趋势。

4)荷载比相同时，不同承载力提高系数对框架柱耐火极限的影响很小。

[1]郑晓燕,吴文清.粘钢技术在抗震加固中的应用研究[J].山东建筑大学学报,1998(4):15-18.

[2]陈国俊,霍慧.粘钢技术在广西区党校旧房改扩建中的具体应用[J].广西大学学报(自然科学版),2004,29(Z1):123-125.

[3]中华人民共和国建设部.混凝土结构加固设计规范：GB 50367—2006[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[4]张翔.外包钢加固钢筋混凝土柱的抗火分析及耐火保护方法[D].苏州:苏州科技学院,2014.

[5]International Organization for Standardization.Fire resistance tests-elements of building construction-Part 1:General requirements:ISO 834—1[S].Geneva:International Standard ISO 834,1999.

[6]ECCS.EN 1993-1-2 Eurocode 3:Design of steel structures[S].Brussels:Ernst & Sohn,1993.

[7]ECCS.EN 1994-1-2 Eurocode 4:Design of composite steel and concrete structures[S].Brussels:Ernst & Sohn,1994.

[8]LIE T T,LIN T D,ALLEN D E,et al.Fire resistance of reinforced concrete columns[R].Ottawa:Division of Building Research,DBR Report,No.1167,National Research Council of Canada,1984.

[9]吴波,唐贵和,王超.不同受火方式下混凝土柱耐火性能的试验研究[J].土木工程学报,2007,40(4):27-31.

[10]陆洲导,朱伯龙,周跃华.钢筋混凝土简支梁对火灾反应的试验研究[J].土木工程学报,1993(3):47-54.

[11]时旭东,过镇海.高温下钢筋混凝土框架的受力性能试验研究[J].土木工程学报,2000,33(1):36-45.

责任编辑：唐海燕

Fire Resistance of RC Frame Strengthened with Angle Steel

ZHANG Shipeng，MAO Xiaoyong

(School of Civil Engineering, Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215011)

By using the finite element analysis software Abaqus,a coupled thermo-mechanical analysis model was constructed to analyze the fire behavior of RC frame with angle steel reinforcement.Test data of reinforced concrete beams,columns and frames under fire condition verified the validation of the model including thermo and mechanical analysis.The validated model was then used to investigate the influence of analyzed effects of axial compression ratio,load ratio and capacity increase factor on the deformation characteristics and fire resistance limit of RC frame strengthened with angle steel.The results show that due to the lower level of load ratio of the side column and weaker constrain than the middle column,axial expansion deformation and lateral shift of the side column is larger than the middle column.The axial compression ratio of the strengthened columns has a notable influence on the failure mode of the frame.When the axial compression ratio of the column is relatively low,the beam exposure under fire is destroyed and local failure occurs.When the axial compression ratio of the column is high,the column exposure under fire is destroyed and globe failure occurs.Axial compression ratio affects the stiffness and internal force distribution of the strengthened frame columns.The increase of axial compression ratio and load ratio leads to the decrease of the fire resistance limit,and the effect of load ratio on the fire resistance limit is more obvious.In the case of same load ratio,bearing capacity increase coefficient has little influence on the fire resistance limit of the frame column.

strengthening with angle steel;RC frame;fire resistance;temperature field

10．3969/j．issn．1671-0436．2016．05．003

2016- 04- 25

江苏省教育厅高校自然科学研究重大项目(14KJA560003)；江苏省“六大人才高峰”资助项目(2012-JZ-004)

张施鹏(1990— )，男，硕士研究生。

TU375.4

A

1671- 0436(2016)05- 0012- 06