火災(zāi)下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁非線性分析

1、第37卷第5期2009年5月同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)JOURNALOFTONGJIUNIVERSITY(NATURALSCIENCE)Vol.37No.5May2009文章編號(hào):0253-374X(2009)05-0575-08火災(zāi)下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁非線性分析高皖揚(yáng),胡克旭,陸洲導(dǎo)(同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所,上海200092)摘要:在合理選取混凝土、鋼筋及碳纖維布力學(xué)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上,建立了帶防火保護(hù)的碳纖維布加固混凝土梁高溫下數(shù)值計(jì)算模型,應(yīng)用ANSYS軟件編制了碳纖維布加固鋼筋混凝土梁火災(zāi)下非線性有限元分析程序NFACCB,實(shí)現(xiàn)了加固梁火災(zāi)下的熱力學(xué)耦合分析.分析結(jié)果表明:采

2、用合理的防火保護(hù),加固梁可以獲得較好的耐火性能;防火材料厚度a和火災(zāi)載荷比k對(duì)加固梁耐火性能有顯著影響;縱筋配筋率n、碳纖維布加固量m、防火材料導(dǎo)熱系數(shù)以及截面尺寸也對(duì)reasonablysupplementalfireinsulation.Fireinsulationthicknessandfireloadratiohaveasignificanteffectonfireperformanceofstrengthenedbeams;whiletheinfluenceoflongitudinalbarreinforcement,theamountofCFRPstrengthening,thet

3、hermalconductivityofinsulationmaterialsandsectionaldimensionaremoderate;theinfluenceofthemid2spanspecificheatanddensityisdsconcrete(RC)beam;carbonfiberpolymer(CFRP)strengthened;fireinsulation;finiteelementmodel;coupledthermo2mechanicalanalysis火災(zāi)下的加固梁撓度產(chǎn)生影響;比熱和容重的變化不明顯.關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土梁;模型;中圖分類號(hào):TU375.1;TU3

4、52.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ANonlinearAnalysisofInsulatedCarbonFiberReinforcedPolymerStrengthenedReinforcedConcreteBeamsinFireGAOWanyang,HUKexu,LUZhoudao(ResearchInstituteofStructuralEngineeringandDisasterReduction,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)在建筑改造加固領(lǐng)域,碳纖維增強(qiáng)聚合物(CFRP)常見使用方法是將成型的片材用環(huán)氧樹脂類膠粘劑貼于構(gòu)件的表面,使CFRP材料與鋼筋混

5、凝土協(xié)同工作,抵抗各種外部作用.通常使用的熱固性樹脂的玻璃化溫度(glasstransitiontemperature,1Tg)范圍為6580.火災(zāi)作用下,膠粘劑溫度超過其玻璃化溫度Tg,膠粘劑軟化,喪失其傳遞纖維間剪力和防止纖維屈曲的作用,造成CFRP強(qiáng)度和剛度的降低,同時(shí)CFRP材料同混凝土粘結(jié)失效而產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的滑移,一般情況下CFRP加固混凝土構(gòu)件的變形非常大,加固構(gòu)件的非線性特征非常明顯.Blontrock2,Williams3、徐福泉4等人先后進(jìn)行了CFRP加固混凝土足尺梁的火災(zāi)試驗(yàn)研究,RichardBarnes等5進(jìn)行了火災(zāi)下縮尺小梁的對(duì)比試驗(yàn)研究,但是他們的研究工作多數(shù)只是停

6、留在試驗(yàn)階段和瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析階段.對(duì)于加固構(gòu)件高溫(火災(zāi))下的熱力學(xué)耦合分析,Bisby博士編制了一維有限差分程序,將圓柱分成若干圓環(huán),模型實(shí)質(zhì)是在Abstract:Basedonthereliablemodelsofmechanicalpropertiesdegradationofconcrete,steelreinforementsteelandcarbonfiberreinforcedpolymer(CFRP)materialswithincreasingtemperaturebeingtakenintoaccount,thepaperpresentsanumericalmodelofi

7、nsulatedCFRPstrengthenedreinforcedconcretebeamsandanonlinearfiniteelementmethod(FEM)program(namedNFACCB)ofstrengthenedbeamsunderexposureoffireeventwiththegeneral2purposecodeANSYS.Moreover,thecoupledthermo2mechanicalisanalyzed.ThesimulatedresultsshowthatalthoughCFRPsaresensitivetoelevatedbehaviourtem

8、perature,canbesatisfactorybyfireperformanceachievedproviding收稿日期:2008-01-04基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50621062),男,博士生,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗火.E2mail:gaowanyang20022003作者簡介:高皖揚(yáng)(1982),男,教授,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)榛馂?zāi)?；c結(jié)構(gòu)抗火.E2mail:kexuhu胡克旭(1964),男,教授,博士生導(dǎo)師,工學(xué)博士,主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗火.E2mail:luzhoudao陸洲導(dǎo)(1957576同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第37卷混凝土圓柱程序的基礎(chǔ)上將混凝土的力

9、學(xué)性能修改為約束混凝土的力學(xué)性能,沒有考慮CFRP材料的承載力貢獻(xiàn)值6;Williams博士應(yīng)用有限差分法計(jì)算出火災(zāi)下梁跨中彎矩隨受火時(shí)間的變化關(guān)系3,并進(jìn)行了諸如截面形式、防火材料熱工性能參數(shù)、混凝土類型、CFRP加固量等參數(shù)對(duì)跨中彎矩的影響分析;國內(nèi)外還未見火災(zāi)下CFRP加固構(gòu)件全過程分析的有限元程序,這主要是由于加固構(gòu)件的非線性分析難度較大,考慮各種材料非線性性能以及之間的耦合場(chǎng)關(guān)系較為復(fù)雜.在試驗(yàn)研究以及現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于混凝土、鋼筋以及CFRP材料高溫下力學(xué)性能研究的基礎(chǔ)上,基于ANSYS編制了CFRP加固混凝土梁非線性有限元7應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為s=s=()0.001()0.001f(T,0

10、.001)ssp(5)p+fT,(s-p)+0.001-sp其中,f(T,0.001)=(50-0.04T)1-exp(-30+0.03T)0016.9fT,(s-p+0.001)=(50-0.04T)1-exp(-30+0.T)分析程序NFACCB(nonlinearfiniteelementanalysisofCFRP2strengthenedreinforcedconcretebeams),比較充分地反映了CFRP土的高溫力學(xué)性能與受力特點(diǎn),析,9sp:;p為鋼筋,10-6fy,fy為常溫下鋼筋的屈.鋼材熱膨脹系數(shù)s為s=(0.004T+12)10-61.610-5T1000T1000(

11、6)1材料的高溫性能及本構(gòu)模型混凝土及鋼筋的高溫性能及本構(gòu)模型采用文獻(xiàn)8中給出的相關(guān)公式.1.1混凝土1.3CFRP材料加拿大QueensUniversity的Bisby9在其博士論文中整理了各種FRP材料的高溫下抗拉性能和彈性模量隨溫度的變化規(guī)律,并通過最小二乘回歸分析得到了一個(gè)S型函數(shù),可以很好地?cái)M合各種FRP材料的高溫性能.其關(guān)系式見式(7)應(yīng)力-應(yīng)變曲線為cfcT=1-(1-x)cx=1.0pTx=cfcT=1-(x-1)29c1.0pT(1)和式(8).fFTfFEFTEF=0.45tanh-0.00583(T-339.54)+0.55=0.475tanh-0.00868(T-367

12、.41)+0.525(8)(7)抗壓強(qiáng)度為fcT=fc20T400fcT=fc2.011-2.3531000(2)400T800峰值壓應(yīng)變?yōu)?-610pT=0.0025+(6T+0.04T)混凝土熱膨脹系數(shù)c(T)為(3)式中:fFT和EFT分別為溫度T時(shí)的抗拉強(qiáng)度和彈性模量;fF和EF分別為常溫時(shí)的抗拉強(qiáng)度和彈性模量.CFRP材料的熱膨脹系數(shù)也是加固構(gòu)件耐火性-6(4)10c(T)=(0.008T+6.0)式中:c為混凝土的應(yīng)力;fcT為溫度為T時(shí)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度;x為c與pT比值,c為混凝土的能的重要參數(shù).對(duì)于不同的纖維種類、不同的纖維含量,FRP材料的熱膨脹系數(shù)差異很大;同時(shí)各種FR

13、P材料沿縱向(纖維方向)的熱膨脹系數(shù)遠(yuǎn)小于沿橫向(樹脂方向)的熱膨脹系數(shù).文獻(xiàn)1給出了3種常見FRP材料的熱膨脹系數(shù),見表1.應(yīng)變,pT為溫度為T時(shí)混凝土的峰值應(yīng)變;fc為常溫時(shí)混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度;T為溫度.1.2鋼筋第5期高皖揚(yáng),等:火災(zāi)下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁非線性分析577表1常見FRP材料的熱膨脹系數(shù)Tab.1Coefficientofthermalexpansionoffiberreinforcedpolymermaterials方向縱向橫向熱膨脹系數(shù)/(10-6-1)玻璃纖維6101923制的程序TPACCB可以對(duì)加固梁進(jìn)行二維或三維溫度場(chǎng)的分析,并可嵌入ANSYS中進(jìn)行熱力學(xué)

14、耦合分析.2.1熱力學(xué)耦合分析2.2.1基本假定在進(jìn)行加固梁熱力學(xué)耦合分析時(shí),采用以下基本假定:構(gòu)件橫截面在升溫過程中始終保持為平截面;溫度分布與應(yīng)力水平無關(guān),即在進(jìn)行溫度分析時(shí)不考慮構(gòu)件變形、開裂、應(yīng)力應(yīng)變大小等因素對(duì)材料的熱工性能和構(gòu)件熱傳導(dǎo)的影響;無剪切假定,即對(duì)于CFRP加固混凝土梁,其構(gòu)件變形以彎曲變形為主,而忽略剪切變形的影響;熱應(yīng)變只記入膨脹應(yīng)變,忽略混凝土及鋼筋在高溫下發(fā)生的徐變、,鋼筋和混凝,采用-混凝土之間的粘結(jié)滑移,耗費(fèi)較大的計(jì)算機(jī)資源.為了完成有效的計(jì)算,后續(xù)計(jì)算中沒有考慮鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移.除上述基本假定外,還建立了CFRP布對(duì)鋼筋混凝土梁承載力貢獻(xiàn)值的近似模

15、型.常溫下,CFRP-混凝土界面粘結(jié)滑移性能是影響加固構(gòu)件承載力(9)碳纖維-102250芳綸纖維-6-260801.4膠粘劑稍微升溫下,結(jié)構(gòu)膠粘劑達(dá)到其玻璃化溫度Tg時(shí),膠粘劑軟化,其粘結(jié)強(qiáng)度顯著下降,造成CFRP材料同混凝土之間產(chǎn)生剝離,CFRP片材滑移而逐步退出工作.J.C.P.H.Gamage等10和吳波等11分別通過面內(nèi)剪切試驗(yàn)研究了膠粘劑在20150之間其極限粘結(jié)強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律.文獻(xiàn)10給出的擬合關(guān)系式為fbTfbbTfbfbTfb=1=2.0436-6T=0.1845T75T75式中:fbT和fb分別為溫度T時(shí)和常溫下的極限粘結(jié)強(qiáng)度.2非線性分析非線性有限元分析過程包括溫度

16、場(chǎng)分析和熱力學(xué)耦合分析.熱力學(xué)耦合分析是指在有限元分析過程中考慮溫度和受力的交叉作用和相互影響,耦合場(chǎng)分析的過程取決于所需解決的問題是哪些場(chǎng)的耦合作用.耦合場(chǎng)的分析最終可歸結(jié)為2種不同的方法即序貫耦合法和直接耦合法.熱力學(xué)耦合分析是將熱分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為“體力”載荷施加在后續(xù)的力學(xué)性能分析中來實(shí)現(xiàn)耦合的,屬于序貫耦合方法12.具體分析過程是,在將溫度場(chǎng)按熱傳導(dǎo)問題單獨(dú)計(jì)算結(jié)束后,將節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)性能分析需要的某些時(shí)刻的溫度值讀入一個(gè)數(shù)據(jù)文件,結(jié)構(gòu)性能分析時(shí)將截面上該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度值作為荷載加在節(jié)點(diǎn)上.2.1溫度場(chǎng)分析的重要因素,國內(nèi)外對(duì)此進(jìn)行了廣泛的研究14.由于準(zhǔn)確測(cè)定高溫下混凝土試塊與CFR

17、P材料間的相對(duì)滑移非常困難,因此現(xiàn)有試驗(yàn)10-11只采集了構(gòu)件粘結(jié)破壞時(shí)的極限荷載,未見高溫下-s關(guān)系曲線的相關(guān)文獻(xiàn).因此就現(xiàn)有資料而言,建立高溫下CFRP-混凝土的界面模型、進(jìn)行加固梁非線性有限元精確分析是不現(xiàn)實(shí)的.因?yàn)橛绊懜邷叵翪FRP材料對(duì)混凝土梁承載力貢獻(xiàn)值的因素包括兩方面:一方面是高溫下CFRP材料自身的抗拉強(qiáng)度有所降低;另一方面由于高溫下膠粘劑的粘結(jié)強(qiáng)度急劇劣化,CFRP材料與混凝土之間產(chǎn)生滑移.耐火試驗(yàn)表明,在試驗(yàn)后期,CFRP材料與混凝土間完全失去粘結(jié),CFRP材料的承載力貢獻(xiàn)值幾乎可以忽略不計(jì)15.因此在近似考慮上述2個(gè)因素的基礎(chǔ)上,提出了下述模型近似考慮高溫下CFRP材料的

18、實(shí)際承載力抗拉強(qiáng)度,即認(rèn)為這部分抗拉強(qiáng)度為混凝土梁的承載力提供貢獻(xiàn),并將下述模型代入高溫下加固梁熱力學(xué)耦合全過程分析.(10)fC(T)=B(T)C(T)fF式中:fC(T)為溫度T時(shí)CFRP布的實(shí)際承載力抗拉強(qiáng)度;B(T)為高溫下膠粘劑粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù),B(T)=fbT/fb由式(9)確定.C(T)為高溫下CFRP帶防火保護(hù)的CFRP加固鋼筋混凝土梁在高溫下的溫度場(chǎng)分析詳見文獻(xiàn)13.基于Fortran語言編578同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第37卷材料抗拉強(qiáng)度降低系數(shù),C(T)=fFT/fF由式(7)確定.2.2.2計(jì)算模擬分別于2005年11月在中國船級(jí)社遠(yuǎn)東防火試驗(yàn)中心進(jìn)行了2根厚涂型防火

19、涂料保護(hù)梁的耐火試驗(yàn)和2006年10月在同濟(jì)大學(xué)工程抗火實(shí)驗(yàn)室“水平構(gòu)件抗火試驗(yàn)爐”進(jìn)行了1根硅酸鈣防火板保護(hù)梁的耐火試驗(yàn).圖1所示為50mm厚防火涂料保護(hù)梁L1和40mm厚硅酸鈣防火板保護(hù)梁L3的跨中撓度-升溫時(shí)間關(guān)系曲線15-16.從圖中可以看出,50min以后,試件L3的撓度增長明顯快于試件L1,這是由于試件L1和L3的端部錨固措施不同造成的,如圖2所示.L1梁端的CFRP布延伸到爐壁隔熱層以外,在整個(gè)試驗(yàn)過程中免受高溫侵襲,這樣即使升溫后爐腔凈跨內(nèi)膠粘劑軟化,CFRP布同混凝土之間粘結(jié)喪失,固的存在,阻止了CFRP的微小變形下作用,因此L1313mm.L3梁底CFRP布的粘結(jié)長度為爐腔

20、凈跨,在結(jié)構(gòu)膠層溫度超過Tg以后,膠粘劑軟化,粘結(jié)逐漸失效,碳纖維U型箍失效,CFRP布同混凝土之間產(chǎn)生滑移,逐步退出工作而失效,跨中變形速率增加得很快.根據(jù)試驗(yàn)中2種不同材料保護(hù)梁的尺寸及配筋加固設(shè)計(jì),采用CFRP布與混凝土單元共節(jié)點(diǎn)的方式實(shí)現(xiàn)CFRP布與混凝土的協(xié)調(diào)工作,分別建立了有限元模型進(jìn)行計(jì)算分析.由于梁L1和L3端部錨固性能不同,因此在進(jìn)行非線性分析時(shí),以CFRP材料實(shí)際承載力抗拉強(qiáng)度模型代入L1模型,而沒有考慮L3模型中CFRP材料膠粘劑粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù).圖2試件L1和L3端部錨固示意(單位:mm)Fig.2SchematicofanchoredendsforspecimensL

21、1andL3(unit:mm)混凝土、鋼筋及CFRP材料的高溫性能及本構(gòu)關(guān)系按式(1)(10)確定.ANSYS建模過程包括材料定義、網(wǎng)格劃分等.耦合,ANSYS17.表2非線性分析單元定義Tab.2Elementdefinitionsofnonlinearanalysis材料類型混凝土鋼筋CFRP熱分析Solid70Link33Shell57Solid70力學(xué)性能分析Solid65Link8Shell41Solid45支座端板混凝土截面劃分見圖3所示,鋼筋和CFRP受力骨架的建立見圖45所示.建模過程中,在梁底加2塊鋼板以模擬支座端板.防火板材料熱分析時(shí)選用Solid70單元,在防火板與梁體之

22、間建立接觸單元,不考慮其對(duì)加固梁的承載力貢獻(xiàn)值.2.2.3混凝土的破壞準(zhǔn)則和裂縫處理破壞準(zhǔn)則采用William-Waranke參數(shù)破壞準(zhǔn)則,對(duì)混凝土裂縫處理采用彌散裂縫(smear)模式.2.2.4剛度方程與方程求解火災(zāi)下結(jié)構(gòu)的剛度方程為KiUi=Fi,其中,Ki,Ui和Fi分別為剛度矩陣、位移向量的增量和(廣義)荷載向量的增量,而Fi由外荷載增量和溫度變化及混凝土局部開裂或壓碎引起的修正向量組成18-19.求解非線性有限元方程采用增量迭代法,在某一時(shí)刻溫度荷載作用下,首先將該級(jí)溫度荷載分成若干子步,逐級(jí)加載,然后在增量子步內(nèi)進(jìn)行迭代計(jì)算,迭代使用切線剛度迭代法,該溫度作用下計(jì)算結(jié)束后讀入下一

23、時(shí)段溫度場(chǎng),逐級(jí)計(jì)算.迭代的收斂準(zhǔn)則采用不平衡力準(zhǔn)則歐式范數(shù)(2泛數(shù))控制.圖1跨中變形-升溫時(shí)間曲線Fig.1Curvesofmid2spandeflection2time第5期高皖揚(yáng),等:火災(zāi)下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁非線性分析5792.3算例驗(yàn)證圖1為火災(zāi)下變形計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比情況.從圖中可以看出,非線性分析結(jié)果同試驗(yàn)曲線總體上吻合較好;梁L3在50min左右有一定誤差,主要是由于采用高溫下CFRP布的實(shí)際承載力抗拉強(qiáng)度模型來近似考慮高溫下CFRP的粘結(jié)-筋混凝土梁(),混凝土梁在受火15min左右將出現(xiàn)變形速率突變,且后續(xù)變形速率急劇增大,直至破壞.計(jì)算結(jié)果同文獻(xiàn)20中關(guān)于簡支梁

24、耐火極限的擬合公式計(jì)算結(jié)果相符合.這主要是由于裸梁的配筋率較低,火災(zāi)載荷比較大.沒有防火保護(hù)的CFRP加固梁在受火幾分鐘后CFRP材料燃燒,其耐火性能與裸梁相差無幾;而有防火保護(hù)的CFRP加固梁其無論是實(shí)測(cè)結(jié)果還是計(jì)算結(jié)果耐火極限卻大于2h,因此證明對(duì)加固梁的防火保護(hù)是非常有必要的.圖6為有限元計(jì)算結(jié)果與徐福泉試驗(yàn)結(jié)果4以及Williams加固梁試驗(yàn)結(jié)果3的比較曲線.從圖中可以看出本文模型同試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,證明模型同樣適用于加固前裸梁為正常配筋率的耐火性能非線性分析.3參數(shù)分析影響火災(zāi)下CFRP.CFRP加固梁的受,a和熱受拉縱筋配筋率n、CFRP加固量(指加固梁的常溫極限承載力中CFRP材

25、料貢獻(xiàn)所占的比例)、火災(zāi)下載荷比k(指火災(zāi)下試件跨中截面所受彎矩與該截面常溫極限抗彎承載能力之比)以及混凝土梁截面尺寸等參數(shù)對(duì)加固梁火災(zāi)下跨中撓度的影響.在進(jìn)行參數(shù)分析前,做如下假定.(1)加固梁靜跨L為4.0m.升溫曲線采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,加固梁三面受火,采用三面U型防火保護(hù).常溫下混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為30MPa,常溫下縱筋的屈服強(qiáng)度參照筆者以前的實(shí)測(cè)平均結(jié)果選用375MPa,縱筋的保護(hù)層厚度取為30mm.(2)初始參數(shù).截面尺寸250mm400mm,箍筋6200,架立筋212,防火材料厚度a=20mm,-1-1,比熱c=1000J導(dǎo)熱系數(shù)=0.12Wm-3-1-1,密度=500

26、kgm,縱筋配筋率n=kg0.9%,CFRP加固量m=0.3,火災(zāi)下載荷比k=0.65.現(xiàn)變化任一參數(shù),研究其他初始參數(shù)不變的情況下加固梁跨中撓度與參數(shù)間的關(guān)系.具體各參數(shù)變化范圍見表3所示,表中黑體數(shù)字為初始參數(shù).表3各參數(shù)變化范圍Tab.3Variationrangesofparametersa/mm0510203040-1)/(Wm-1c/(Jkg-10.000.255007501000150020002505001000150020000.200.350.500.650.7525030025040025050

27、0250600-1)圖6高溫下加固梁跨中位移對(duì)比情況Fig.6Comparisonsofmid2spandeflectionsforcarbonfiberreinforcedpolymerstrengthenedreinforcedconcretebeam/(kgm-3)n/%mk截面尺寸/mm580同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第37卷(3)試驗(yàn)過程中,防火材料保持完好,不出現(xiàn)開裂或者分層.3.1不同厚度的影響圖7所示為不同厚度的防火材料三面U型保護(hù)下,加固梁跨中撓度-時(shí)間變化曲線.從圖中可以看出,沒有防火保護(hù)的梁很快失效,變形速率突變;而采用1020mm厚防火保護(hù)后,2h后其跨中撓度仍小于L/

28、20,滿足建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范和高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范一級(jí)耐火等級(jí)的要求.而采用3040mm厚防火保護(hù)后,加固梁可以獲得大于4h的耐火極限.現(xiàn)實(shí)火災(zāi)中防火保護(hù)材料厚度越厚,越易出現(xiàn)開裂與分層,防火效果大打折扣,而本文的分析沒有考慮此因素.3.3不同比熱容和密度的影響防火材料的比熱容和密度對(duì)加固梁跨中位移的影響較小,幾乎可以忽略,如圖910所示.這主要是因?yàn)樵趯?dǎo)熱系數(shù)一定的情況下,比熱容和密度對(duì)截面的溫度影響不顯著,而由溫度引起的材料性能劣化及跨中位移增長就更加不明顯.9不同比熱容下跨中撓度-時(shí)間變化曲線Fig.9Curvesofmid2spandeflectionwithtimeinfluenc

29、edbydifferentinsulationspecificheat圖7不同厚度下跨中撓度-時(shí)間變化曲線Fig.7Curvesofmid2spandeflectionwithtimeinfluencedbydifferentinsulationthickness3.2不同導(dǎo)熱系數(shù)的影響從圖8可以看出,隨著導(dǎo)熱系數(shù)的增加,相同的受火時(shí)間,梁的撓度逐漸增大,但并非呈線性變化.這一趨勢(shì)在導(dǎo)熱系數(shù)為0.080.20之間變化時(shí)較為明顯;當(dāng)防火材料導(dǎo)熱系數(shù)大于0.20后,防火效果減弱,其值的大小對(duì)跨中撓度的影響趨于不明顯.圖10不同密度下跨中撓度-時(shí)間變化曲線Fig.10Curvesofmid2span

30、deflectionwithtimeinfluencedbydifferentinsulationdensity3.4不同CFRP加固量的影響CFRP加固量m值反應(yīng)了加固梁實(shí)際承載能力的提高幅度.膠粘劑溫度超過Tg后,由玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鹉z態(tài),剪切強(qiáng)度急劇下降.溫度為120,其剪切強(qiáng)度幾乎完全喪失11,此即意味著CFRP布的加固效果基本喪失,其承擔(dān)的荷載轉(zhuǎn)由鋼筋混凝土梁承擔(dān),因此m值越大,耐火性能越差.從圖11可以看出,隨著m值的增大,相同的受火時(shí)間,加固梁撓度逐漸增加.圖8不同導(dǎo)熱系數(shù)下跨中撓度-時(shí)間變化曲線Fig.8Curvesofmid2spandeflectionwithtimeinflu

31、encedbydifferentinsulationthermalconductivity但是由于防火材料的保護(hù)作用,延緩了梁內(nèi)混凝土與鋼筋的溫度增長,2h后鋼筋和混凝土的溫度較低,鋼筋及混凝土的性能基本沒有劣化,因此即使第5期高皖揚(yáng),等:火災(zāi)下碳纖維布加固鋼筋混凝土梁非線性分析581CFRP布退出工作,加固梁仍然保持一定的剩余承載力,試件仍具有較好的耐火性能.圖13不同縱筋配筋率下跨中撓度-時(shí)間變化曲線Fig.13Curvesofmid2spandeflectionwithtimeinfluencedbydifferenttensilereinforcement圖11不同加固量下跨中撓度-時(shí)

32、間變化曲線Fig.11Curvesofmid2spandeflectionwithtimeinfluencedbydifferentamountsofFRPstrengthening3.5不同火災(zāi)載荷比的影響圖12所示為三面U荷比k-.從圖中可以看出,k因素,特別是k值在0.0.65之間變化時(shí),梁的撓度增加隨k值的變化十分顯著.圖14不同截面尺寸下跨中撓度-時(shí)間變化曲線Fig.14Curvesofmid2spandeflectionwithtimeinfluencedbydifferentsectiondimension4結(jié)論通過對(duì)火災(zāi)下CFRP加固鋼筋混凝土梁的非線性分析和參數(shù)分析,在數(shù)值模

33、擬參數(shù)范圍內(nèi),可初步得到如下結(jié)論:(1)根據(jù)火災(zāi)反應(yīng)分析的非線性有限元理論,在合理選取混凝土、鋼筋及CFRP材料高溫下力學(xué)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上,基于ANSYS編制了CFRP加固鋼筋混凝土梁熱-結(jié)構(gòu)耦合全過程有限元計(jì)算程序NFACCM,計(jì)算結(jié)果得到筆者及國內(nèi)外其他學(xué)者試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證.(2)防火材料厚度a以及火災(zāi)載荷比k對(duì)加固梁耐火性能有顯著影響,跨中撓度隨著防火材料厚度的增加及火災(zāi)載荷比k的降低而快速減少.縱筋配筋率n、碳纖維加固量m、防火材料導(dǎo)熱系數(shù)以及截面尺寸也是影響加固梁耐火性能的因素,配筋率n越大,加固量m越低、導(dǎo)熱系數(shù)越小、截面高度增加,加固梁跨中撓度越小.防火材料的比熱和容重的變化對(duì)加固

34、梁的耐火性能影響不明顯.(3)采用合理的防火保護(hù),加固梁可以獲得較好的圖12不同火災(zāi)載荷比下跨中撓度-時(shí)間變化曲線Fig.12Curvesofmid2spandeflectionwithtimeinfluencedbydifferentfireloadratio3.6不同縱筋配筋率的影響從圖13中可以看出,在相同的受火時(shí)間下,隨著n值的增大,加固梁撓度逐漸減小,但是降低幅度有限.主要是由于加固量m及火災(zāi)載荷比k為定值時(shí),作用在不同配筋率上的荷載隨n線性變化,因此加固梁的撓度隨配筋率的影響不大.3.7不同截面尺寸的影響從圖14中可以看出,在相同的受火時(shí)間下,隨著截面高度的增大,加固梁撓度逐漸減小

35、,減小幅度隨著梁高度增加逐漸減小.582同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)交流會(huì).福州:福州大學(xué)土木工程學(xué)院,2005:386-393.第37卷耐火性能,對(duì)于加固量m為0.3、縱筋配筋率為0.9%的加固梁、厚為20mm的防火保護(hù)即可以保證試件受火2h后跨中變形不會(huì)達(dá)到L/20,足以滿足建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范一級(jí)耐火等級(jí)的要求.參考文獻(xiàn):1AmericanConcreteInstitute.ACI440.2R08GuideforthedesignandconstructionofexternallybondedFRPsystemsforstrengtheningconcretestructuresR.Mich

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