碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁耐火极限简化预测方法

碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁耐火极限简化预测方法

1碳纤维布抗弯加固混凝土梁高温作用下的热性能目前，纤维布加固技术在国内外的实际工程中得到了广泛应用。对纤维布加固钢筋混凝土构件的室温强度的学术研究也取得了许多成果，但对这种加固结构的高温性能的研究相对较少。试验结果表明,高温下碳纤维布加固用配套胶粘剂的力学性能较差,120℃时其剪切强度仅为常温时的20%左右,使得高温下碳纤维布与构件表面之间的粘结性能急剧减弱,最终导致加固失效。此时,在碳纤维布表面设置一定厚度的防火涂料不失为一种有益的选择。近年来,国内外学者通过少量明火试验对碳纤维布加固钢筋混凝土梁的火灾行为已开展了初步探讨,并取得了一些定性的规律性认识。由于明火试验费钱费时,而影响碳纤维布加固钢筋混凝土梁耐火性能的因素较多,完全依赖试验进行参数影响研究,并提出该类加固梁的耐火极限定量预测方法显然是不经济的,此时数值分析不失为一种有效的选择。为此,本文通过碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁的大量高温反应分析,较系统地探讨了各主要参数对加固梁耐火极限的影响规律。在此基础上,建立了加固梁的耐火极限简化预测方法。2温度场分析2.1碳化涂料在高温下的温度场分析为简化分析过程,考虑如下基本假定:(1)温度场分析独立于构件的内力和变形分析;(2)温度场分析时忽略钢筋和碳纤维布的存在,钢筋和碳纤维布的温度分别采用其坐标中心处的温度;(3)高温下防火涂料的热工参数近似取为常数;(4)温度场沿构件长度方向保持不变。2.2ccc型防火涂料计算中考虑硅质骨料混凝土,其导热系数λc、密度ρc和质量热容cc随温度的变化规律采用文献中给出的公式确定:{λc=-0.00085Τ+1.9Wm-1℃-10℃≤Τ≤800℃λc=1.22Wm-1℃-1Τ>800℃(1){ρccc=(0.005Τ+1.7)×106Jm-3℃-10℃≤Τ≤200℃ρccc=2.7×106Jm-3℃-1200℃<Τ≤400℃ρccc=(0.013Τ-2.5)×106Jm-3℃-1400℃<Τ≤500℃ρccc=(-0.013Τ+10.5)×106Jm-3℃-1500℃<Τ≤600℃ρccc=2.7×106Jm-3℃-1Τ>600℃(2)常温下厚涂型防火涂料的热工参数取为:密度ρf=500kg/m3;质量热容cf=1047J/(kg℃);导热系数λf=0.116W/(m℃)。因目前暂时缺少防火涂料热工参数随温度的定量变化数据,参照文献的做法,高温下防火涂料的热工参数近似取其常温下的数值。2.3影响最大的假设在温度场分析中,参照欧洲规范(EC4:94),通过在100～200℃之间对混凝土的质量热容进行修正以考虑水分蒸发对温度场的影响,并假设在130℃时影响最大。不同含水率对应的最大质量热容cmax(J/(kg℃))按下式取值:{cmax=1875ωp<0.02cmax=1875+(2750-1875)(ωp-0.02)/(0.04-0.02)0.02≤ωp<0.04cmax=2750+(5600-2750)(ωp-0.04)/(0.1-0.04)0.04≤ωp<0.1cmax=5600ωp≥0.1(3)式中ωp为含水率。2.4计算结果对比利用本文编制的温度场计算程序,对文献中各试件的截面温度场进行了分析。部分计算结果与试验结果的对比见图1。从图中可以看出,除个别测点以外,计算曲线与试验曲线总体上吻合较好。这从一个侧面反映前面给出的基本假定总体上是可行的,同时表明所编制的程序具有较好的分析精度。3结构弯曲分析3.1碳纤维布在高温下的稳定性为简化分析过程,考虑如下基本假定:(1)构件横截面在升温过程中始终保持为平截面;(2)梁的挠曲线为正弦半波,取其跨中截面进行内力分析;(3)温度低于40℃时碳纤维布的弹性模量取其常温下的数值,120℃时取为零(即120℃时碳纤维布的加固作用完全丧失),40℃至120℃之间进行线性插值;(4)高温下碳纤维布的热膨胀系数取其常温下的数值;(5)钢筋和混凝土均按单向应力状态考虑,忽略混凝土对抗拉的贡献。需要指出的是,文献的试验结果表明,高温下碳纤维布与混凝土之间粘结胶的抗剪强度显著降低,120℃左右几乎丧失殆尽。由于计算过程中分别考虑粘结胶抗剪强度以及碳纤维布自身力学性能随温度的衰减较为复杂,为简便起见,上面以碳纤维布弹性模量随温度的降低作为一种形式上的综合体现,近似反映各种因素导致的高温下加固效果衰减效应。3.2材料的高温性能与结构的关系3.2.1抗压强度及峰值压应变应力-应变曲线:{σc=fc[1-(εc-εmaxεmax)2]εc≤εmaxσc=fc[1-(εmax-εc3εmax)2]εc>εmax(4)抗压强度:{fc=fco0℃<Τ≤450℃fc=fco[2.011-2.353(Τ-201000)]450℃<Τ≤874℃fc=0Τ>874℃(5)峰值压应变:εmax=0.0025+(6.0Τ+0.04Τ2)×10-6(6)热膨胀系数:αc=(0.008Τ+6)×10-6(℃-1)(7)式中,σc和εc分别为混凝土的应力和应变;fco为常温下混凝土的轴心抗压强度;fc和εmax分别为温度T作用下混凝土的轴心抗压强度及其对应的峰值应变。3.2.2钢筋应力及应变应力-应变曲线:{σs=f(Τ,0.001)0.001εsεs≤εpσs=f(Τ,0.001)0.001εp+f[Τ‚(εs-εp+0.001)]-f(Τ,0.001)εs>εp(8)式中∶f(Τ,0.001)=(50-0.04Τ)×{1-exp[(-30+0.03Τ)√0.001]}×6.9f[Τ‚(εs-εp+0.001)]=(50-0.04Τ)×{1-exp[(-30+0.03Τ)√εs-εp+0.001]}×6.9热膨胀系数:{αs=(0.004Τ+12)×10-6(℃-1)Τ<1000℃αs=16×10-6(℃-1)Τ≥1000℃(9)式中,σs和εs分别为钢筋应力和应变;εp=4×10-6fyo,其中fyo为常温下钢筋的屈服强度。3.2.3热膨胀系数和热膨胀系数对碳纤维布弹性模量的影响应力-应变曲线:σcfs=Ecfsεcfs(10)由基本假定,其中:{Ecfs=2.1×105ΜΡaΤ≤40℃Ecfs=[(120.0-Τ)/80]×2.1×105ΜΡa40℃<Τ<120℃Ecfs=0Τ≥120℃(11)热膨胀系数:αcfs=0.3×10-5(℃-1)(12)式中,σcfs和εcfs分别为碳纤维布的应力和应变;Ecfs为碳纤维布的弹性模量。在计算过程中发现,120℃以内碳纤维布的弹性模量无论是固定取用常温下的数值,还是按照式(11)进行线性插值,对加固梁的耐火极限均影响不大。这从一个侧面表明,前面基本假定中有关高温下碳纤维布弹性模量的叙述虽然与实际情况可能存在一定程度的出入,但对于加固梁的耐火极限计算是可行的。3.3根据应变违反控制其力的跨中截面弯矩m由基本假定(1)和(2)可得加固梁跨中截面的曲率φ,以及跨中截面上任意一点由应力引发的应变εi分别为:φ=π2L2um(13)εi=φyi+ε-εΤi(14)如图2所示,式中yi为该点y方向的坐标;εTi为该点的热膨胀应变,符号为负;ε为跨中截面形心处的总应变,以压应变为正;L为梁的净跨;um为梁的跨中挠度。根据应变εi,即可确定对应的钢筋应力σsi、混凝土应力σci和碳纤维布应力σcfsi,进而由各单元叠加,得到跨中截面的弯矩Min和轴力Nin分别为:Μin=∑i=1nσciyciAci+∑i=1kσsiysiAsi+∑i=1lσcfsiycfsiAcfsi(15)Νin=∑i=1nσciAci+∑i=1kσsiAsi+∑i=1lσcfsiAcfsi(16)分析过程中,在每一时间步迭代调整ε和φ(亦即调整um),直至Min和Nin分别与该时间步对应的实际弯矩M和实际轴力N(N=0)平衡。加固梁达到耐火极限的判定准则为:(1)构件因承载能力丧失而无法与外荷载平衡;(2)构件的最大挠度超过L/20。3.4退火极限的计算利用本文编制的受弯分析程序,对文献中呈现受弯破坏的试件L1和L6,以及呈现弯剪破坏但以竖向弯曲裂缝为主的试件L4的耐火极限进行了计算。计算结果与试验结果的对比见表1。从表中可以看出,计算结果总体上与试验结果吻合较好,这表明所编制的程序用于加固梁的耐火极限分析是初步可行的。4支护结构参数针对高温下碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁的受弯破坏形态,考虑构件跨高比、防火涂料厚度、受拉纵筋配筋率、碳纤维布加固量、混凝土保护层厚度、荷载比(注:构件实际所受荷载与其常温极限承载力之比)6个参数,共计33×43=1728种工况,具体见表2。计算过程中,常温下纵筋屈服强度和混凝土轴心抗压强度分别取375MPa和26.5MPa。(1)混凝土保护厚度对旅游极限的影响图3所示为加固梁耐火极限Rf随跨高比a的变化情况。从图中可以看出:随着跨高比的增加,耐火极限逐渐减小,但减小幅度还与其它参数的具体取值有关,不过混凝土保护层厚度改变对该变化趋势影响不大。(2)混凝土保护厚度图4所示为加固梁耐火极限Rf随防火涂料厚度tf的变化情况。从图中可以看出:随着防火涂料厚度的增加,耐火极限提高较为明显,且混凝土保护层厚度改变对该趋势影响很小。这主要是因为防火涂料厚度越厚,相同时刻梁底受拉纵筋的温度一般越低,从而使加固梁的耐火极限得以提高。通过计算分析发现,若要使加固梁的耐火极限达到一级防火要求(注:2小时),则荷载比等于0.5时梁底喷涂的厚涂型防火涂料一般需要10mm～20mm,而荷载比为0.65时防火涂料一般需要30mm～40mm。(3)碳纤维布加固量对旅游极限的影响图5所示为加固梁耐火极限Rf随碳纤维布加固量γcfs的变化情况。从图中可以看出:随着碳纤维布加固量的增加,耐火极限逐渐减小。这主要是因为当荷载比一定时,碳纤维布加固量越大,加固梁实际所承受的荷载就越大,一旦高温下碳纤维布的加固作用丧失,剩余的钢筋混凝土部分就将在更大的荷载情况下遭受高温作用,从而导致其耐火极限降低。(4)筋配筋率s的变化情况图6所示为加固梁耐火极限Rf随受拉纵筋配筋率ρs的变化情况。从图中可以看出:随着受拉纵筋配筋率的增加,耐火极限总体上有所提高,但提高幅度较为有限。(5)混凝土保护厚度图7所示为加固梁耐火极限Rf随混凝土保护层厚度tcov的变化情况。从图中可以看出:随着混凝土保护层厚度的增加,耐火极限提高较为明显,且荷载比改变对该趋势影响不大。这主要是因为混凝土保护层厚度越厚,相同时刻梁底受拉纵筋的温度一般越低,从而使加固梁的耐火极限得以提高。(6)落高、耐压强度图8所示为加固梁耐火极限Rf随荷载比m的变化情况。从图中可以看出:随着荷载比的增加,耐火极限迅速降低,从而使荷载比成为影响加固梁耐火极限的最主要因素。从上述分析可以看出,针对高温下碳纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯破坏形态,影响其耐火极限的最主要因素为荷载比,其次为防火涂料厚度和混凝土保护层厚度,再次为碳纤维布加固量、跨高比和受拉纵筋配筋率。5加固梁退火极限计算通过对前面大量计算结果的统计分析,针对高温下碳纤维布抗弯加固钢筋混凝土梁的受弯破坏形态,可以建立其耐火极限的如下回归预测模型:Rf=StfSρsStcovSγcfsSaSm(17)式中:Stf=210.475+3.095tfSρs=11.558+68.379ρsStcov=563.519+13.586tcovSγcfs=10.687+8.421γcfsSa=19.823+0.467aSm=28.511-57.052m+260.001m2其中Rf为加固梁的耐火极限(单位:min)。图9所示为利用式(17)求得的加固梁耐火极限与程序计算结果的对比。从图中可以看出,二者总体上吻合较好。6加固梁退火极限通过本文的研究,可以得到如下初步结论:(1)除个别测点以外,温度场分析结果总体上与试验结果吻合较好。这表明计算时忽略钢筋和碳纤维布的存在,同时将高温下防火涂料的热工参数近似视为常数是基本可行的。120℃以内碳纤维布的弹性模量取值对呈现受弯破坏的加固梁的耐火极限影响有限,近似取120℃时碳纤维布完全丧失