高温火灾后RC梁抗冲击性能的数值模拟_钱凯.pdf

第 卷 第期 年 月广西大学学报（自然科学版）（）收稿日期：；修订日期：基金资助：国家自然科学基金项目（，）；广西自然科学基金项目（）；广西大学博士研究生创新项目（）通讯作者：李治（），男，江西赣州人，桂林理工大学讲师，博士；：。引文格式：钱凯，王联刚，黄楷铅，等 高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟 广西大学学报（自然科学版），（）：高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟钱凯，王联刚，黄楷铅，原小兰，李治，（广西建筑新能源与节能重点实验室，广西 桂林 ；桂林理工大学 土木建筑工程学院，广西 桂林 ）摘要：为了探究钢筋混凝土（）梁在冲击荷载与火灾联合作用下的力学性能，基于 有限元软件对 等进行的 板高温试验进行数值模拟，以此验证顺序热力耦合建模方式的有效性；接着对 等冲击试验进行数值模拟并考虑温度劣化效应的影响，研究不同受火时长、冲击高度和梁配筋率对高温后 梁抗冲击性能的影响。有限元分析表明：随着受火时间的增加，梁由弯曲破坏转变为剪切破坏，梁的抗冲击性能显著降低。落锤下落高度和梁配筋率相同时，受火时间为 工况与无受火工况相比，梁冲击力峰值和支座反力峰值分别下降了 和 。在受火工况下，配筋率的提高可以有效减小 梁的跨中挠度，但对冲击力峰值影响有限。关键词：钢筋混凝土梁；冲击荷载；受火时间；变形能力；有限元分析中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，）：（），第期钱凯，等：高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟 ，：；引言近些年，高层建筑物遭受自然灾害或恐怖袭击而引发的火灾、爆炸等事故时有发生。多数情况下，建筑物因火灾高温作用后其关键构件破坏而失去承载能力，进而引发落层冲击，导致局部或整体的结构倒塌，对建筑造成严重的破坏。冲击荷载与静载相比作用时间短，造成的破坏更严重，钢筋混凝土（）结构在冲击作用下会表现出与静力加载时截然不同的特性。在以往的研究中，各位学者针对火灾和冲击对结构的影响分别进行一系列卓有成效的研究。其中，等开展了 板柱节点在高温后的静力加载试验，对 板柱节点在高温后的力学性能变化情况以及耐火性能进行分析。等进行了 梁在常温下的抗冲击性能试验，提出配筋率和落锤下落的高度是影响梁冲击响应的重要因素。钱凯等 对 梁板子结构抗连续倒塌性能进行了相关研究，认为边柱失效工况下的 梁板子结构可以形成有效的梁机制、压拱机制、悬链线机制以及拉膜机制抵抗倒塌进行研究。秦元等 研究了落锤锤头形状对 梁冲击损伤的影响。刘飞等 对低速冲击下 梁的动态响应和破坏机理进行了相关的研究，提出 梁的损伤主要发生在局部响应阶段，梁体变形主要发生在整体响应阶段。张仁波等 提出 梁在落锤冲击和火灾联合作用下的破坏机理，通过试验可得冲击损伤在高温恒载作用下裂缝分布较为集中，且发生脆性破坏。等 进行 板在低速冲击荷载下试验，研究冲击能量、冲击面积直径和冲击头形状对 板损伤的影响。贾恒瑞等 对高温作用后钢管再生混凝土的界面黏结性能进行研究，提出了高温后钢管再生混凝土的界面黏结强度计算方法及黏结滑移本构。综上所述，国内外对无结构损伤的混凝土构件的力学性能和抗连续倒塌方向有较多的研究，但目前对 梁在高温与冲击耦合作用的研究相对较少，因此，本文基于课题组前期对混凝土结构和钢框架结构抗连续倒塌的研究成果 ，利用 有限元软件验证 等高温试验以及 等冲击试验，并以 等冲击试验为基础，考虑高温劣化反应，预测 梁在不同受火工况下的动力响应变化趋势，研究冲击高度以及梁配筋率对高温后 梁抗冲击性能的影响。火灾试验模型的建立与验证本节采用 商用有限元软件对 等所进行的高温板柱节点静力加载试验建立有限元模型，目的是验证本文采用的顺序热力耦合建模方式的有效性与正确性。试验简介 等进行的火灾试验中所采用的试件配筋及尺寸详情如图所示。试件采用轴心抗压强度为 的混凝土进行，板顶钢筋与柱箍筋采用直径为 ，屈服强度为 的钢筋；板底钢筋采用直径为 ，屈服强度为 的钢筋。试验加载情况如图所示，深色区域为加热区，使用液压千斤顶对柱头实施竖向加载，并通过激光位移计测量柱头竖向位移。广西大学学报（自然科学版）第 卷图试件尺寸及配筋布置 图试件平面视图和加热区域 高温试验模型的建立 材料本构模型参考 混凝土结构设计规范（）计算混凝土材料参数，并确定 黏结滑移的本构关系，混凝土与钢筋的黏结应力 滑移关系如图（）所示；钢筋采用双折线弹塑性模型模拟，该模型的单轴应力 应变关系如图（）所示，钢筋应力达到极限应力后会降为一个很小的数值，并保持稳定，因此模拟中以此下降点作为钢筋断裂的依据。（）钢筋与混凝土黏结应力 滑移曲线（）钢筋双折线模型图材料应力 应变曲线 热力耦合参数混凝土导热系数和比热容随温度变化的规律，以及钢筋高温后的弹性模量和强度退化模型参考根据欧洲规范 设定。钢筋的热工参数采用（）进行定义：钢筋的密度为 ，导热系数为 （），比热容为 （）。高温后的混凝土本构采用过镇海等 提出的退化模型，由于高温也会导致钢筋与混凝土之间的黏结性能发生退化，因此本文采用 等 提出的混凝土黏结强度的退化规律模型。高温劣化效应有研究认为混凝土在高温条件下的应变率效应与常温下的一致，所以本文仅考虑冲击荷载作用下的混凝土强度的放大行为，采用 规范 中给出的混凝土抗压强度的动力放大系数（，）和抗拉强度的动力放大系数（，）。根据文献 中的建议，将 梁暴露于火灾的三面热对流交换系数设置为 （），表面热辐射设置为 ，并按照国际 标准火灾曲线模拟。温度场的建模基于条假设：混凝土材料为各向同性；温度场不受应力场影响；不考虑混凝土爆裂；不考虑水分在 板内部的迁移。板表面及内部的热传导方程为第期钱凯，等：高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟（）（），（）式中：为从外部传递的热量；为导热系数；为温度；为传热面；为热表面的外法线；和分别为对流系数和辐射系数；和分别为环境温度和 板的表面温度；（），为斯特藩 玻尔兹曼常数。（）（）（），（）式中：和分别为密度和比热容；为时间；为 板内部产生的热量，在 板的传热分析中，。边界条件与网格划分为提高计算效率，本文对加载装置和支座进行简化，用弹性材料反映其力学行为。支座采用四边简支板，通过“”定义各部位的接触，在切线方向设置为“”，并允许接触后分离，切线方向上设置的摩擦系数为 。由 等 对网格敏感率和应变率在 板抗冲击能力的影响规律，基于断裂能方法得到的数值模拟结果与试验结果更为接近，故网格划分的尺寸为。模型验证高温耦合下有限元模型温度分布情况，如图所示。直接加热区域各点温度变化符合国际升温曲线趋势，可以看出有限元模型可以较好地模拟试件在高温下的受热情况。图温度分布情况 如图所示，通过 板的顶部、距离顶部 处、中点、底部的板内升温曲线 图（）以及高温下 板的中心柱挠度曲线 图（）的模拟结果与试验结果对比可知，有限元模型与试验的温度时程曲线误差值不超过 ，静力加载过程中柱底的挠度与试验结果误差值不超过 ，说明本文所采用的热力耦合模拟方法能够比较准确地反映混凝土板的导热性能和高温下的力学性能。（）温度时程曲线（）位移时程曲线图试验与数值模拟结果对比 广西大学学报（自然科学版）第 卷冲击试验模型的建立与验证本节对 等进行的 梁的落锤冲击试验建立有限元模型，验证试件 、有限元模型的准确性。等试验简介试验中采用 落锤从不同高度释放，对 梁跨中位置进行冲击加载，落锤冲击试验装置如图所示。所使用落锤配置有半径为 半球形锤头。图落锤冲击试验装置 试件 、纵筋配置情况见表。试件箍筋均采用直径为，屈服强度为 的钢筋制作，间隔 均匀分布。试验中采用直径分别为、的钢筋，屈服强度分别为 、。表配筋配置情况 模型编号受压钢筋截面面积受拉钢筋截面面积 冲击模型的建立图为 梁的有限元模型，支座与 梁通过“”定义各部位的接触，在发现法向设置为“”，并允许接触后分离，切线方向上设置的摩擦系数为 。由 等 对网格敏感率和应变率的研究，将 梁网格划分的尺寸为。图 梁冲击试验有限元模型 冲击模型的验证试件 、同样有种不同的冲击高度（、）对应不同的冲击速度（、）。如图所示为试验与数值模拟裂缝破坏模态对比图，可以看到在 、的落锤冲击高度作用下，梁跨中位移较小，在 、的落锤冲击作用下，落锤下方混凝土内部被压碎，跨中位移较大，该有限元模型可以较好地模拟试验的破坏模式。第期钱凯，等：高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟（）试验结果（）模拟结果图试验与数值模拟裂缝破坏模态对比 图、所示为部分试验与有限元模型的梁跨中位移时程曲线与冲击力时程曲线。从图中可以看出，有限元模型的跨中最大位移与试验误差小于，冲击力峰值与试验误差小于，模拟结果与试验结果较吻合，因此本文建立的数值模型的可以有效地预测 梁在冲击荷载下的动力响应。（）试件 （）试件 图 梁位移时程曲线图 （）试件 （）试件 图 梁冲击力时程曲线图 高温后 梁的抗冲击性能表现基于第节已验证的热分析方法和高温劣化模型，本节对文献 中 梁的落锤冲击试验进行高温拓展分析，本节建立的模型参考 升温曲线 进行三面受火模拟，研究试件 、高温后 梁的抗冲击性能。广西大学学报（自然科学版）第 卷 受火时长对 梁的抗冲击性能影响图 为 梁在不同受火时间（、）和不同落锤下落高度（、）的破坏模态。落锤下落高度为 时，梁形成了明显的冲切锥体，并随着受火时间的增加，梁破坏更加明显。这是因为随着受火时间的增加，钢筋与混凝土之间的发生大幅度的粘结滑移，材料之间不协调变形过大造成的。图 高温后试件 破坏模态对比 图 为高温后试件 冲击挠度图。落锤下落高度相同时，受火时间越长，梁跨中的峰值位移越大。模型 在落锤下落高度为 时，受火时间由 增大到、，跨中峰值位移相对于 的分别增大了 、和 。（）（）（）图 高温后试件 冲击挠度图 图 为高温后试件 冲击力时程图。可以看出，落锤下落高度相同时，冲击力峰值随着受火时间的增加而减小。例如，在落锤下落高度为 下，受火时间由 增大到、时，冲击力峰值相对于 的分别降低了 、和 。在相同落锤下落高度下，梁第期钱凯，等：高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟受火时间的越长，冲击力作用的时间也会明显变长，这是由于 梁的刚度和强度随温度的升高而发生的劣化。（）（）（）图 高温后 冲击力时程图 如图 所示，试件 在不同受火时间和不同落锤下落高度的破坏模态（与试件 的工况一致）。与试件 类似，在落锤下落高度为 的冲击工况时，试件 都形成了明显的冲切锥体，并随着受火时间增加，剪切破坏更加严重，在落锤下落高度为 ，高温受热时间为、的工况下，落锤下方的混凝土发生压碎，梁内部混凝土被压碎，混凝土和钢筋的材料强度大幅度变小以及钢筋与混凝土之间的发生大幅度的粘结滑移，材料之间不协调变形过大。图 为高温后试件 冲击挠度图。在相同落锤下落高度时，试件受火时间由 增加到、，跨中峰值位移相对于 的分别增大了 、和 。图 高温后试件 破坏模态对比 广西大学学报（自然科学版）第 卷（）（）（）图 高温后试件 冲击挠度图 图 为高温后试件 冲击力时程图。图中可以看出，落锤下落高度相同时，冲击力峰值随受火时间的增加而减小。例如，在落锤下落高度为 时，受火时间由 增加到、，冲击力峰值相对于 的分别降低了 、和 。相同落锤下落高度时，梁受火时间的越长，冲击力峰值随着加热时间的增加而降低，降低的平均值为 。（）（）（）图 高温后试件 冲击力时程图 第期钱凯，等：高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟（）位移峰值对比图（）冲击力峰值对比图图 落锤下落高度的影响 冲击高度对火灾后 梁的抗冲击性能影响为正确研究冲击荷载作用下钢筋混凝土梁的结构安全性，考虑火灾后冲击高度对钢筋混凝土抗冲击性能的影响。本节对不同冲击高度（、）的 梁在高温下的冲击动力响应进行了分析。如图（）所示，受火时间相同时，随着下落高度的增加，梁跨中位移发生显著增长。在受火时间为 时，下落高度从 增加到 、和 时，峰 值 挠 度 增 加 了 、和 。在受火时间为 时，下落高度从 增加到 、时，峰值挠度增加了 、和 。在受火时间为 时，下落高度从 增加到 、时，峰值挠度增加了 、和 。造成该现象的主要原因是：梁在高温下受热使得材料的性质发生劣化，且随受火时间的增长，此类劣化愈发严重；同理，如图（）所示，在相同的受火时间下，落锤下落高度从 增加到 ，冲击力峰值平均提升 。配筋率对火灾后 梁的抗冲击性能影响根据文献，本节考虑种试件的配筋率对火灾后 梁抗冲击性能的影响，其中试件 配筋率为 ，试件 配筋率为 。图（）可以看出，配筋率的提高可以有效降低跨中挠度，这一有利影响随着受火时间的增加和冲击能的增大时而更加明显。当下落高度为 受火时间为 时，计算得配筋率从 提高到 时，跨中位移平均减小 ；同理，如图（）所示，配筋率由 提高到 时，冲击力峰值平均提高了 。（）位移峰值对比图（）冲击力峰值对比图图 不同配筋率影响 广西大学学报（自然科学版）第 卷结论本文中利用有限元软件 ，高温加载试验以及落锤冲击试验进行验证。在验证有限元模型准确性的基础上，对 等试验的 梁建立不同受火工况，研究不同的落锤下落高度以及不同配筋率对 梁抗冲击性能的影响。本文的主要结论如下：本文所建立的温度模型和冲击模型能够较好地模拟高温后 梁内的温度场分布以及冲击荷载作用下的混凝土和钢筋材料应变率效应，适用于对高温后 梁的抗冲击行为进行模拟。在相同的落锤下落高度工况下，受火时间越长，梁破坏更严重，使得跨中峰值位移越大，但冲击力峰值越小，受火时间为 与无受火工况相比，冲击力峰值下降了 。受火时间相同时，配筋率从 提高到 时，跨中位移减小了 ，冲击力峰值提高了 ，提高配筋率可以增强 梁抗冲击的能力，但对于冲击力峰值影响有限。参考文献：方秦，赵建魁，陈力 爆炸与火荷载联合作用下钢梁耐火极限的数值分析 土木工程学报，（增刊）：王福新浅析高层建筑物频发火灾成因及其思考城市建筑，（）：吴波，唐贵和近年来混凝土结构抗火研究进展建筑结构学报，（）：公伟，胡克旭自密实混凝土结构抗火研究进展建筑结构学报，（）：，（）：宁建国，周风华，王志华，等强冲击载荷下钢筋混凝土的本构关系、破坏机理与数值方法中国科学：技术科学，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：钱凯，李治，翁运昊，等钢筋混凝土梁 板子结构抗连续性倒塌性能研究工程力学，（）：钱凯，罗达，贺盛，等钢筋混凝土框架结构底部相邻两柱失效的抗连续 倒 塌 性能研究建筑结构 学 报，（）：李治，翁运昊，邓小芳，等焊接连接预制混凝土梁 板子结构抗连续倒塌性能研究建筑结构学报，（）：钱凯，李治，何畔，等螺栓连接预制混凝土梁 板子结构抗连续倒塌机理研究建筑结构学报，（）：秦元，秦康，覃幼辙，等 锤头曲率半径对 梁抗冲击性能影响 广西大学学报（自然科学版），（）：刘飞，罗旗帜，蒋志刚低速冲击下 梁的动态响应和破坏机理研究工程力学，（）：张仁波，金浏，杜修力，等冲击荷载与火灾联合作用下 梁的力学行为爆炸与冲击，（）：，（）：贾恒瑞，陈宗平，陈俊睿高温后圆钢管再生混凝土界面黏结滑移性能及本构方程研究工程力学，第期钱凯，等：高温火灾后 梁抗冲击性能的数值模拟（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土结构设计规范：北京：中国建筑工业出版社，：，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑设计防火规范：北京：中国计划出版社，过镇海，时旭东 钢筋混凝土的高温性能及其计算 北京：清华大学出版社，：，：，：，（责任编辑黄阳）