高溫試驗(yàn)在鋼筋混凝土板加固中的應(yīng)用

高溫試驗(yàn)在鋼筋混凝土板加固中的應(yīng)用

1碳纖維布加固鋼筋混凝土板高溫反應(yīng)分析該纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)具有高效、耐腐蝕性和耐用性好等優(yōu)點(diǎn)，不增加組件的重量和體積。適用于廣泛的應(yīng)用和施工清潔的土地。但由于碳纖維布與混凝土之間粘結(jié)膠的抗剪強(qiáng)度隨溫度升高急劇降低,同時(shí)高溫下碳纖維布的抗拉強(qiáng)度也明顯下降,致使無防火保護(hù)的碳纖維布加固構(gòu)件的抗火性能很差。為確保實(shí)際工程中該類加固構(gòu)件的火災(zāi)安全性,深入開展其抗火性能研究是十分必要的。Blontrock等進(jìn)行了碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中考慮了石膏板和石棉兩種不同的防火材料,以及不同的加固量。研究結(jié)果表明:防火材料對(duì)提高加固板的耐火極限是必須的;碳纖維布與混凝土之間粘結(jié)作用的喪失發(fā)生在升溫后24～55s之間,此時(shí)二者之間膠粘劑的溫度約為47～69℃。Williams等也對(duì)采用不同種類及厚度防火材料進(jìn)行保護(hù)的4塊碳纖維布加固鋼筋混凝土板進(jìn)行了耐火試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:在僅承受自重的情況下,防火材料厚度為38mm和19mm時(shí),加固板的耐火極限分別大于4h和2h。鑒于這些研究中防火材料的厚度都相對(duì)較大,通過明火試驗(yàn),比較了水泥砂漿防火保護(hù)層和不同厚度國產(chǎn)薄型防火涂料對(duì)提高加固板耐火性能的效果。由于耐火試驗(yàn)費(fèi)錢費(fèi)時(shí),而影響碳纖維布加固鋼筋混凝土板耐火性能的因素較多,完全依賴試驗(yàn)來進(jìn)行參數(shù)影響研究顯然是不經(jīng)濟(jì)的,此時(shí)數(shù)值分析不失為一種有效的選擇,但目前還暫未見到相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為此,本文通過碳纖維布加固鋼筋混凝土板的大量高溫反應(yīng)分析,較系統(tǒng)地探討了各主要參數(shù)對(duì)該類加固構(gòu)件耐火極限的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,建立了該類加固構(gòu)件耐火極限的實(shí)用計(jì)算方法。2編程與準(zhǔn)備2.1有限元分析過程為簡化分析過程,考慮如下基本假定:①溫度場分析獨(dú)立于構(gòu)件的內(nèi)力和變形分析;②溫度場分析時(shí)忽略鋼筋和碳纖維布的存在,鋼筋和碳纖維布的溫度分別采用其坐標(biāo)中心處的混凝土溫度;③高溫下防火材料的熱工參數(shù)近似取為常數(shù);④溫度場沿構(gòu)件長度方向保持不變。本文采用有限元—有限元差分混合方法求解構(gòu)件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)方程。此方法是目前分析瞬態(tài)溫度場時(shí)普遍采用的方法,即在空間域上采用有限元法進(jìn)行離散,而在時(shí)間域上采用有限差分法進(jìn)行離散,沿時(shí)間方向遞推地進(jìn)行有限元計(jì)算。溫度場分析過程中,鋼筋和硅質(zhì)骨料混凝土熱工參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律采用文獻(xiàn)中給出的相關(guān)公式進(jìn)行確定。因目前缺少防火材料熱工參數(shù)隨溫度的定量變化數(shù)據(jù),高溫下水泥砂漿的熱工參數(shù)參照文獻(xiàn)的做法,近似取其常溫下的數(shù)值。與之相似,高溫下薄型防火涂料的熱工參數(shù)也近似取為常數(shù),并具體取其膨脹之后的相應(yīng)數(shù)值。薄型防火涂料對(duì)構(gòu)件的保護(hù)不是靠涂層本身的隔熱作用,而是靠涂層在高溫下的物理化學(xué)反應(yīng)形成的膨脹隔熱泡沫層來實(shí)現(xiàn)的。一般來說,防火涂料與構(gòu)件表面的附著力相對(duì)較弱(注:碳纖維布加固層的表面一般非常光滑,使這一特點(diǎn)顯得更為突出),再加上高溫氣流的擾動(dòng),受火后涂料變得松散,受火過程中涂料可能部分或大面積脫落。由于目前還無法準(zhǔn)確把握涂料脫落的時(shí)間和部位,本文分析中暫未計(jì)及涂料脫落的影響,這使得構(gòu)件內(nèi)部溫度場的計(jì)算結(jié)果可能偏低。為在一定程度上平衡此效應(yīng),計(jì)算過程中防火涂料的厚度始終取其常溫下的厚度值,不考慮其厚度的膨脹(注:不考慮火災(zāi)中涂料厚度的膨脹將使構(gòu)件內(nèi)部溫度場的計(jì)算結(jié)果偏高,從而在一定程度上平衡前面所提到的計(jì)算結(jié)果偏低效應(yīng))。根據(jù)文獻(xiàn),本文計(jì)算中防火材料的熱工參數(shù)取為:①水泥砂漿密度ρ=1800kg/m3,比熱容c=840J/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.93W/(m·℃);②防火涂料密度ρ=600kg/m3,比熱容c=800J/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.05W/(m·℃)(膨脹之后)。2.2高溫下碳纖維布彈性模量的計(jì)算為簡化分析過程,考慮如下基本假定:①構(gòu)件橫截面在升溫過程中始終保持為平截面;②梁的撓曲線為正弦半波,取其中截面進(jìn)行內(nèi)力分析;③溫度低于40℃時(shí)碳纖維布的彈性模量取其常溫下的數(shù)值,120℃時(shí)取為零(即120℃時(shí)碳纖維布的加固作用完全喪失),40℃～120℃之間進(jìn)行線性插值;④高溫下碳纖維布的熱膨脹系數(shù)取其常溫下的數(shù)值(注:0.3×10-5(℃-1));⑤鋼筋和混凝土均按單向應(yīng)力狀態(tài)考慮,忽略混凝土對(duì)抗拉的貢獻(xiàn)。需要指出的是,文獻(xiàn)的試驗(yàn)結(jié)果表明,高溫下碳纖維布與混凝土之間粘結(jié)膠的抗剪強(qiáng)度顯著降低,在120℃左右?guī)缀鯁适ТM。由于計(jì)算過程中分別考慮粘結(jié)膠抗剪強(qiáng)度以及碳纖維布自身力學(xué)性能隨溫度的衰減較為復(fù)雜,為簡便起見,上面以碳纖維布彈性模量隨溫度的降低作為一種形式上的綜合體現(xiàn),近似反映各種因素導(dǎo)致的高溫下加固效果衰減效應(yīng)。鋼筋和混凝土的高溫本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)中給出的相關(guān)公式進(jìn)行確定。圖1所示為加固板承受的均布荷載轉(zhuǎn)化為線荷載p之后的計(jì)算模型。圖中L為計(jì)算跨度;um為中截面的撓度。中截面的應(yīng)變分布及其單元?jiǎng)澐忠妶D2。由于對(duì)稱性,可取中截面的一半進(jìn)行考慮。由基本假定①和②可得中截面的曲率?,以及中截面上任意一點(diǎn)由應(yīng)力引發(fā)的應(yīng)變?chǔ)舏分別為:?=π2um/L2；εi=?yi+ε-εΤi(1)?=π2um/L2；εi=?yi+ε?εTi(1)式中yi為該點(diǎn)y方向的坐標(biāo);ε為中截面形心處的總應(yīng)變,以壓為正,拉為負(fù);εTi為該點(diǎn)的熱膨脹應(yīng)變,符號(hào)為負(fù)。根據(jù)應(yīng)變?chǔ)舏,即可確定對(duì)應(yīng)的混凝土應(yīng)力σci、鋼筋應(yīng)力σsi和碳纖維布應(yīng)力σcfsi,進(jìn)而由各單元疊加,得到中截面的彎矩Min和軸力Nin分別為:Min=2n∑i=1σciyciAci+k∑i=1σsiysiAsi+l∑i=1σcfsiycfsiAcfsi)(2)Nin=2n∑i=1σciAci+k∑i=1σsiAsi+l∑i=1σcfsiAcfsi)(3)分析過程中,在每一時(shí)間步內(nèi)均采用牛頓法迭代調(diào)整ε和?(亦即調(diào)整um),直至Min和Nin分別與該時(shí)間步對(duì)應(yīng)的實(shí)際彎矩M和實(shí)際軸力N(N=0)平衡。分析過程中,根據(jù)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》(GB/T9978-1999),加固板達(dá)到耐火極限的判定準(zhǔn)則為:①構(gòu)件因承載能力喪失而無法與外荷載平衡;②構(gòu)件的最大撓度超過L/20。2.3復(fù)合加固板的試驗(yàn)分析圖3和圖4所示為利用本文程序得到的碳纖維布加固鋼筋混凝土板的溫度場計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中部分試驗(yàn)結(jié)果的比較。圖中各溫度測點(diǎn)的具體位置見圖5。從圖3和圖4中可以看出,除個(gè)別測點(diǎn)以外,計(jì)算曲線與試驗(yàn)曲線總體吻合較好。這從一個(gè)側(cè)面反映前面提出的基本假定總體上是可行的,同時(shí)表明所編制的程序具有較好的分析精度。利用本文程序?qū)ξ墨I(xiàn)中的試驗(yàn)試件進(jìn)行了計(jì)算,耐火極限計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見表1,部分試件的計(jì)算跨中撓度—時(shí)間曲線與相應(yīng)試驗(yàn)曲線的對(duì)比見圖6。從表1和圖6中可以看出,計(jì)算撓度曲線與試驗(yàn)撓度曲線較為接近,同時(shí)耐火極限的計(jì)算結(jié)果總體上也與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,這表明本文程序用于碳纖維布加固單向板的耐火極限分析是基本可行的。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文程序的適用性,利用該程序?qū)ξ墨I(xiàn)中給出的部分鋼筋混凝土未加固板以及加固板進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果與該文獻(xiàn)中相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見圖7。從圖7中可以看出,二者總體上吻合較好。3構(gòu)件荷載比考慮構(gòu)件尺寸、防火涂料厚度、受拉縱筋配筋率、碳纖維布加固量、混凝土保護(hù)層厚度、荷載比(注:構(gòu)件實(shí)際所受荷載與其常溫極限承載力之比)6個(gè)參數(shù),共計(jì)44×52=6400種工況,具體見表2。計(jì)算過程中,常溫下縱筋屈服強(qiáng)度和混凝土立方體抗壓強(qiáng)度分別取325MPa和28.8MPa,防火材料采用前面給出的熱工參數(shù)。3.1加固板抗壓強(qiáng)度圖8所示為碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限Rf隨板的厚度h的變化情況。從圖中可以看出:隨著板的厚度增加,加固板的耐火極限逐漸增大,但隨荷載比的增加其增大幅度逐漸減小。這可能是因?yàn)樵谄渌麉?shù)相同的情況下,隨著板厚增加,板頂受壓區(qū)混凝土的溫度增長及強(qiáng)度降低緩慢,受壓區(qū)高度相對(duì)較小,受壓區(qū)合力作用點(diǎn)與板底縱筋之間的力臂相對(duì)較大,使得加固板的高溫承載力衰減相對(duì)較緩慢所致。3.2碳纖維布與混凝土板的連接圖9所示為碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限Rf隨防火涂料厚度tf的變化情況。從圖中可以看出:隨著防火涂料厚度的增加,加固板的耐火極限逐漸增大,但增大幅度并非事先預(yù)計(jì)的那樣明顯。這主要是因?yàn)楦鶕?jù)加固量反算而得的碳纖維布寬度一般均小于板的寬度,相應(yīng)的防火涂料寬度也小于板的寬度,因此防火涂料只是保護(hù)了碳纖維布及其覆蓋范圍內(nèi)的鋼筋,即防火涂料只是延緩了一部分(或一小部分)鋼筋溫度的升高。通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn),所有計(jì)算工況中的碳纖維布加固鋼筋混凝土板,其耐火極限若要達(dá)到一級(jí)防火要求1.5h,則荷載比等于0.45且加固量為0.4時(shí),板底噴涂3mm的薄型防火涂料即能滿足要求;但荷載比等于0.45且加固量為1.0時(shí),板底噴涂的薄型防火涂料即使達(dá)到6mm也僅能滿足二級(jí)防火要求1.0小時(shí)。3.3碳纖維布加固量對(duì)加固板退火極限的影響圖10所示為碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限Rf隨碳纖維布加固量β的變化情況。從圖中可以看出:隨著碳纖維布加固量的增加,加固板的耐火極限逐漸減小。這主要是因?yàn)楫?dāng)荷載比一定時(shí),碳纖維布加固量越大,加固板實(shí)際所承受的荷載也越大,一旦高溫下碳纖維布的加固作用喪失,剩余鋼筋混凝土部分將在高溫下承受更大的荷載作用,從而導(dǎo)致其耐火極限降低。3.4受拉縱筋對(duì)混凝土被拉壓的影響圖11所示為碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限Rf隨板底受拉縱筋配筋率ρ的變化情況。從圖中可以看出:隨著受拉縱筋配筋率的增加,加固板的耐火極限幾乎保持不變。雖然隨著受拉縱筋配筋率增加,鋼筋直徑逐漸增大,致使縱筋中心與受火面的距離加大,縱筋的溫度增長變緩(注:計(jì)算中縱筋溫度取其截面中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的混凝土溫度)。但在本文計(jì)算過程中,受拉縱筋配筋率從0.35變化到0.8時(shí),縱筋直徑僅從6.67mm變?yōu)?0.09mm,此時(shí)縱筋中心點(diǎn)位置僅相差1.7mm,因此從總體上看縱筋配筋率對(duì)加固板的耐火極限影響有限。3.5ov的變化情況圖12所示為碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限Rf隨混凝土保護(hù)層厚度tcov的變化情況。從圖中可以看出:隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加,加固板的耐火極限逐漸增大,且荷載比改變對(duì)該趨勢影響不大。這主要是因?yàn)楸Ｗo(hù)層厚度越厚,相同時(shí)刻板底受拉縱筋的溫度一般較低,從而使加固板的耐火極限提高。3.6荷載比的影響圖13所示為碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限Rf隨荷載比m的變化情況。從圖中可以看出:隨著荷載比的增加,加固板的耐火極限迅速降低,從而使荷載比成為影響加固板耐火極限的最主要因素。從上述分析可以看出,影響碳纖維布加固鋼筋混凝土板耐火極限的最主要因素為荷載比,其次為混凝土保護(hù)層厚度、防火涂料厚度、碳纖維布加固量和板的厚度,而受拉縱筋配筋率對(duì)該類加固構(gòu)件的耐火極限影響較小。4碳纖維布加固混凝土板退火極限通過對(duì)各種工況的大量計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,可以得到碳纖維布加固鋼筋混凝土板耐火極限與板的厚度、防火涂料厚度、碳纖維布加固量、受拉縱筋配筋率、混凝土保護(hù)層厚度、荷載比之間的如下回歸關(guān)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為板的厚度(m);tf為防火涂料厚度(m);β為碳纖維布加固量;ρ為板底受拉縱筋配筋率(單位:%);tcov為混凝土保護(hù)層厚度(m);m為荷載比;Rf為加固板的耐火極限(單位:min)。圖14所示為利用式(4)求得的碳纖維布加固鋼筋混凝土板的耐火極限與程序計(jì)算結(jié)果的對(duì)比。從圖中可以看出,二者總體上吻合較好。5碳纖維布加固鋼筋混凝土板高溫下應(yīng)用性能通過本文的研究,可以得到如下初步結(jié)論:(1)編制的碳纖維布加固鋼筋混凝土單向板的火災(zāi)全過程分析程序,得到了本文以及其他學(xué)者試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步驗(yàn)證,