高溫下震損對鋼筋混凝土約束梁溫度場的影響

陳偉，陳全杰，劉虹，衛璐，郭俊杰

（1.國網陜西省電力公司經濟技術研究院，陜西 西安 710000；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055）

0 引言

地震次生火災是地震后經常發生的次生災害之一，在地震和火災的共同作用下，建筑物的反應行為更加復雜和難以控制。根據文獻中所收集的資料顯示；在地震產生的次生災害中，次生火災往往是最危險的，就其所造成的生命及財產損失而言，有時甚至會遠遠大于地震本身。

考慮到地震次生火災的危害性，國內外學者對其做了大量的研究。由文獻可以得知，目前國內外學者的研究成果主要針對建筑結構的耐火性能和抗震性能研究，然而對地震和火災耦合作用下的結構反應研究成果相對有限。

高溫下鋼筋混凝土構件的承載力取決于材料的性能劣化程度，溫度對混凝土和鋼筋的強度影響很大，因此有必要對鋼筋混凝土梁的溫度場分布規律做進一步的研究，本文根據整理歸納震害資料，確定以裂縫，混凝土剝落作為震損鋼筋混凝土約束梁的主要幾何損傷形式，建立混凝土約束梁的震損模型，利用abaqus進行數值模擬分析，基于有限元參數分析結果給出幾何損傷對溫度場的影響規律。

1 鋼筋混凝土梁震損表現形式

1.1 震損形式

震損主要形式有力學損傷和幾何損傷，文獻[6]忽略了力學損傷的影響取得較好的模擬結果，因此本文研究幾何損傷對溫度的影響。根據震害資料，整理歸納得到梁主要的震損幾何形式是裂縫和混凝土剝落，框架梁破壞的位置主要發生在兩端和節點區附近。于150mm到700mm之間；交錯斜裂縫和混凝土脫落位置處于300mm到700mm之間。

1.3 震損參數

1.2 震損尺寸

由文獻[8]鋼筋混凝土梁構件保護層剝落損傷情況可知：梁保護層剝落長度253mm～383mm，剝落長度與試件截面高度比值0.63～0.96。根據文獻[9]的統計數據可知，鋼筋混凝土框架梁裂縫最小寬度0.01mm，最大寬度0.48mm。根據低周往復加載試驗結果，鋼筋混凝土框架梁集中水平裂縫位置處于100mm到600mm之間；斜裂縫位置處

裂縫的幾何特征主要通過寬度w，裂縫長度l，裂縫平均深度dˉ三個參數來體現，其中裂縫深度和長度同構件的截面寬度有密切的關系，取裂縫的長度、深度與混凝土構件橫截面高度h的比值，即相對裂縫長度l h(0＜l h＜1)和相對裂縫深度dˉh(0＜dˉh＜1)；

混凝土保護層的剝落程度主要通過剝落厚度a、剝落長度h′、剝落寬度b三個參數來體現。其中剝落長度和寬度與截面寬度h有關，故取剝落長度、剝落寬度與截面寬度的比值，即相對剝落長度h′h(0≤h′h≤1)和相對剝落寬度b h(0≤b h≤1)。如圖1所示。

圖1 損傷參數示意圖

假設完整構件在環境作用下，內部某位置在某時間的溫度為T,當試件的損傷程度增加時，該位置在相同時間點的溫度會相應上升，設其為T，則可以按式1定義剝落對溫度的影響系數λ來描述這一損傷狀態對該位置溫度的影響程度大小。

2 有限元數值模型

梁長3m，截面尺寸250mm×400mm，保護層厚度取30mm。梁端約束方式為兩端固定鉸支座，運用有限元ABAQUS／Standard模塊，混凝土熱分析單元可用DC3D8六面體三維八節點實體單元，鋼筋熱分析單元可用DC1D2兩節點桁架導熱單元，混凝土單元和鋼筋之間用Tie約束連接，目的是在分析過程中相同節點的鋼筋和混凝土的溫度相同，網格劃分為0.02m，材料的熱工參數包括材料的比熱容、熱傳導系數及密度。升溫曲線采用ISO-834標準升溫曲線，環境初始溫度取為20℃。分析中依照歐 洲 規 范BS EN 1993-1-2和BS EN 1992-1-2取值。

2.1 損傷模型

假設震后鋼筋混凝土梁兩側的裂縫是對稱布置的，根據前文震害資料，裂縫寬度取0.48mm，裂縫長度取250mm，相對裂縫深度 取0.125，0.25，0.375，0.5，梁上出現的裂縫位置出現在離梁端300mm處。本文針對剝落厚度和剝落長度進行有限元模擬分析，相對剝落長度分別取0.25,0.5,0.75,1.0，剝落厚度取10mm，20mm，30mm，40mm；為了簡化模型，相對剝落寬度取定值1。約束梁配筋圖2，測點布置圖3。

圖2 約束梁配筋圖

圖3 約束梁測點布置圖

3 幾何損傷對溫度場的影響

3.1 裂縫對溫度場的影響

根據不同測點在不同相對裂縫深度下λ時程曲線，如圖4，得出如下結論：

圖4 不同測點在不同相對裂縫深度下λ時程曲線分析

測點1和測點4分別位于梁底和梁側面，從測點1和4的影響系數λ時程曲線可以看出：它們兩者影響系數λ的時程曲線相似，因為都處于受火面；并且影響系數都是大于1，則說明裂縫深度對梁底和梁側面溫度場變化是有影響的，但是不顯著；帶有裂縫混凝土約束梁，升溫初期呈現快速上升，在1000s左右達到峰值，是因為受火初期由于較大的溫度梯度導致影響系數λ快速增加，在1000s左右達到峰值，由于溫度梯度減小，影響系數λ逐漸下降并趨于平穩；然后緩慢回落并且趨近一個恒值，不同相對裂縫深度處的影響系數λ趨向同一個值。

測點2位于梁截面中心，通過影響系數λ時程曲線可知：隨著相對裂縫深度的增加，使得影響系數λ峰值點左移，而且影響系數λ峰值就越大，對溫度的影響越大，因為相對裂縫深度大，越靠近梁截面中心，受到溫度的影響是顯著的：達到峰值之后，時程曲線逐漸趨向于扁平化，不同相對裂縫深度處的影響系數λ趨向的恒值不同，即相對裂縫深度越大，影響系數λ恒值就越大。

測點3位于梁的背火面，由3的影響系數λ時程曲線可見：影響系數λ時程曲線是一條平行于x軸的直線，且值大約為1，說明隨著相對裂縫深度的增加，裂縫對梁的背火面溫度場分布沒有影響，與完整梁的溫度分布一樣。

3.2 剝落損傷對溫度場的影響

選取0.5h’長度處橫截面中軸線上的節點作為測溫點，選取深度d=60mm處的溫度影響系數λ隨時間變化趨勢。從圖5可以看出：影響系數λ的時程曲線呈現初始段快速上升，隨著剝落厚度的增加，上升的速率就越大，并且達到影響系數λ的峰值越大，說明溫度的影響就越大。由曲線可知，當剝落厚度a=10mm和a=20mm時，時程曲線分別在1000s和3000s左右會出現兩個峰值，而在a=30mm和a=40mm時，曲線只有在1000s左右出現一個峰值，但在3000s左右時有出現第二個波峰的趨勢。剝落長度在100mm-400mm內，隨著剝落長度增加，剝落厚度影響系數λ時程曲線基本相似，說明剝落長度的增加不會影響剝落厚度對溫度場的影響。

圖5 深60mm處不同剝落高度厚度下λ時程曲線

根據圖6可得，當忽略了剝落長度對剝落厚度的影響，隨著深度增加，影響系數λ的峰值越小，同時使得峰值向右邊移動，而且兩個峰值出現越來越明顯，升溫的速率也變得緩慢；雖然不同深度λ時程曲線在前期的峰值以及變化路徑有所差異，隨著受火時間的增加，不同深度處的影響系數趨于同一個值，從圖中可以看出該恒值的大小與剝落的厚度有關。

圖6 不同剝落長度以及不同深度時各剝落厚度下λ時程曲線

3.3 剝落長度對混凝土溫度場分析

選取距離梁端80mm的截面，取點距梁底d=60mm處的溫度影響系數隨時間變化趨勢。

根據圖7得出：對于距梁底相同位置，在相同的剝落厚度下，剝落長度對影響系數幾乎沒有影響。隨著剝落厚度的增加，影響系數λ的峰值也逐漸增大，但第二個影響系數λ的峰值逐漸消失；四條曲線幾乎相似，最后趨近于同一個值，而且剝落厚度越大，影響系數峰恒值也就越大。

圖7 深60mm處在各剝落厚度下不同剝落長度λ時程曲線

4 結論

①裂縫深度對梁底和梁側面溫度場變化是有影響的，但是不顯著；不同相對裂縫深度處的影響系數λ趨向同一個值；相對裂縫深度越大，影響系數λ恒值就越大；隨著相對裂縫深度的增加，裂縫對梁的背火面溫度場分布沒有影響。

②剝落厚度對截面溫度場有顯著影響，剝落厚度越大，剝落處的混凝土溫度就越高，升溫速率也越快；剝落長度對溫度場的影響較小，并且剝落長度的增加不會影響剝落厚度對溫度場的影響。