钢筋混凝土剪力墙火灾后抗剪承载力研究.pdf

2 0 1 1 年 第 5期 (总 第 2 5 9 期 ) N u mb e r 5 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 9 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 5 0 1 5 钢筋混凝土剪力墙火灾后抗剪承载力研究 刘桂荣 ，曲福来 ，宋玉普 ( 1 华北水 利水电学 院 土木与交通学院 ，河南 郑州 4 5 0 0 1 1 ；2 大连理工大学 海岸和近海工程 国家重点实验室 ，辽宁 大连 】 1 6 0 2 4 ) 摘要： 考虑了高温后混凝土和钢筋的力学特性， 给出了火灾后钢筋混凝土剪力墙抗剪承载力的计算公式。 公式中， 高温后剪力墙截面 混凝土抗拉强度的平均降低系数采用分层法计算得到， 并以表格的形式给出了不同迎火面温度、 受火时间及剪力墙厚度的降低系数值以 方便实际工程使用。 利用该公式计算得到了火灾后钢筋混凝土剪力墙抗剪承载力 与试验结果比较发现， 计算值偏于安全且满足工程精度 要求 ， 为火灾后 剪力墙剩余抗剪承载力的评 估提供 了依据 。 关键词 ： 剪力墙 ；火灾后 ；抗剪承载力 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标 志码 ： A 文章编 号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 4 3 0 2 Re s i dua l she a r s t r e ng t h o f f i r e- e xpo s ed r e i n f or c e d c onc r e t e s he a r w a l l s L U Gu i - r o n g 0UF u l a i ， S ONG Yu - pu ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n dCo mmu n i c a t i o n ， No a hC h i n aI n s t i t u t e o f W a t e r C o n s e r v a n c y a n dE l e c t r i c P o we r ， Z h e n g z h o u4 5 0 0 1 l ， C h i n a 2 S t a t eKe yL a b o r a t o r yo f C o s t a l a n d Off s h o r e E n g i n e e r i n g ， D a l i a n Un i v e r s i tyo f T e c h n o l o g y ， D a l i a n 1 1 6 0 2 4， C h i n a ) Abs t r a c t ：Co n s i d e r i n g t h e me c h a n i c a l p r o pe r t i e s o f c on c r e t e a n d s t e e l b a r a fte r h i g h t e mp e r a t ur e， a f o r mu l a i s p r e s e n t e d i n t hi s p a p e r f o r p r e d i c t i n g t h e r e s i d u a l s h e ars t r e n g t h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e( R C) s h e a r wa l l s a ft e r fi r e e x p o s u r e I n t h e f o rm u l a ， t h e r e s i d u a l t e n s i l e s t r e n g t h o f t h e c o n c r e t e i s b a s e d o n a n a v e r a g e v a l u e Us i n g t h e l u mp e d m e t h o d， t h e t e n s i l e s t r e n g t h r e d u c t i o n f a c t o r o f c o n c r e t e u n d e r d i ffe r e n t p a r a me t e r s ， s u c h a s t h e t e mp e r a t u r e o n t h e fir e e x p o s e d s i d e fi r e d u r a t i o n a nd t hic k n e s s o f s h e a r wa i l s a r e o b t a i n e d i n t h e f o IT r l o f t a b l e s t o b e c o n v e nie n t f o r pr a c t i c a l u s e Comp a r i s o n s a r e a s o ma d e b e t we e n t h e c a l c ul a t e d r e s i d u a l s h e a r s t r e n g t h a n d me a s u r e d v a l u e s Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e r e s i d u a l s t r e n g t h o f RC s h e a r wa l l s c a n b e p r e d i c t e d wi t h a c c u r a c y s u ffi c i e n t f o r p r a c t i c a l p u r po s e s ， a l t h o u g h t h e pr e d i c t e d v a l u e s a r e s o m e wh a t c o n s e r v a t i v e Ke y WOr d s： s h e a r wa l l s ： fi r e e x p os e d： r e s i d u a l s h e a r s tre r I g t h 0 引 言 随着高层建 筑物 的迅 速发 展 ， 建筑火灾发生 的诱 因大大增 加。 火灾后如何对建筑结构进行损伤评估 ， 不仅是安全问题， 而且 具有较大的经济意义。 火灾后结构剩余承载力的研究是确定灾 后建筑物损伤程度的主要内容 ， 同时也是灾后建筑结构修复加 固的重要前提条件。 国内外学者已经对钢筋混凝土梁 、 柱构件火灾后 的抗弯承载 力进行了相关研究 。 但是， 针对火灾后钢筋混凝土构件抗剪承载 力的研究极少。 文献 4 】 对火灾后钢筋混凝土梁的剩余抗剪承载力 进行了研究， 给出了高温后钢筋混凝土梁抗剪承载力的计算公式。 由于混凝 土剪力墙是 高层建筑结构 中的主要抗 侧力构件 ， 因此研究火灾后剪力墙的剩余抗剪承载力具有一定实际工程 意义。 本文在试验 的基础上 ， 结 合规 范公 式 ， 给 出了火灾后钢筋 混凝土剪力墙剩余抗剪承载力的计算公式， 期望为混凝土剪力 墙火灾后的损伤评估提供一定的依据。 1 截 面温度场 钢筋混凝土剪力墙受火面积为 1 2 0 0 m mx 7 0 0 mm， 墙厚为 1 0 0 mm。 火灾试验中， 剪力墙水平置于炉顶 ， 单面受火 ， 其两侧面 用保温材料石棉盖住。 试验中量测了不同受火时刻混凝土温度 沿墙厚度方向的分布， 如图 1 所示。 距迎火 面距 离 ram 图 1 温度场计算值与实测 比较 由图 1可以看 出 ： 由于混凝土的热惰性 ， 受火过程 中， 混凝 土温度沿剪力墙厚度呈高度非线性分布。 点火后， 迎火面附近的混 凝土温度迅速升高， 而背火面附近的混凝土升温却非常缓慢。 单面受火钢筋混凝土的内部温度场可以利用有限元法确 定嘲； 亦可以将其热传导方程近似简化为一维瞬态问题， 按照 式 ( 1 ) 确定嘲： e x p( 一 ) 收稿 日期 ：2 0 1 0 - 1 2 2 O 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助课题( 2 o 0 8 0 l 4 1 O 0 O 5 ) ； 华北水利水电学院高层次人才科研启动项目 43 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中： l瑚 x 迎火面遭受最高温度； 普通混凝土导温系数 = 2 7 7 0 mm2 h ： 受火 时间 ， h ； 研究点距离迎火面距离 ， mm。 利用式( 1 ) 计算得到 了火灾下钢筋混凝土剪力墙内部温度场 分布， 与试验结果比较发现： 计算和试验符合较好( 图 1 所示) 。由 此， 可以利用式( 1 ) 计算钢筋混凝土单面受火构件的内部温度场。 2 抗剪承载力计算 按照现行规范阳 给出的公式形式 ， 考虑高温后材料强度的 损失 ， 火灾后剪力墙剩余抗剪承载力仍采用三项和( 混凝土、 水 平钢筋和轴力) 的形式， 采用式( 2 ) 计算： r= 一 + 一 式中： 高温后混凝土抗拉强度降低系数； 高温后钢筋屈服强度降低系数， 采用文献 8 建议 的公式计算。 式( 2 ) 中其他符号意义同文献 【 7 。 表 1 高温作用下， 单面受火剪力墙截面混凝土温度沿其厚度方 向呈高度非线性分布。 因此， 高温后截面混凝土抗拉强度并非均 匀降低。 本文中， 截面混凝土抗拉强度降低系数( ) 采用平均值， 按照分层法确定 ： 首先 根据单 面受火混凝土剪力墙构件 内部温 度场分 布 ， 按 一定温差将 剪力 墙截 面划 分为 n个条带 ， 假设每 个条带中心处遭受最高温度代表此条带相应的最高温度： 然后 根据式( 3 ) 计算得到 K 。 n 6 K 一 ( 3 ) bw 式中： K 第 i 个条带混凝土高温后抗拉强度降低系数， 根据 文献 9 ， K = 1 0 2 9 0 O 0 l1 1 r ； 混凝土遭受最高温度 ； 6 单元截面宽度； 6 剪力墙截面宽度 。 为方便 实际工程使 用 ， 按 式( 1 ) 计 算得到 了不 同工况下单 面受火混凝土剪力墙内部温度场分布， 然后利用分层法计算得 到了K 值， 并将其表示成表 1 ， 设计计算时可直接查用。 K m 值 l h 1 5 h t = 2 h t =2 5 h 1 O 0l l l m 1 5 Om m 2 0 0m m 2 5 0l T l m 】 0 0 r n m l 5 Om il l 2 0 0mm 2 5 0mm 1 O Omm 1 5 Of i l m 2 0 0mm 2 5 0 r f l m 1 O 0mm 1 501 1 3 1 1 1 2 00mm 25 0r mT l 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 注 ： t 为受火时间； 为剪力墙迎火面遭 受最高温度 ； 1 0 0 2 5 0 mm为剪力墙截面宽度。 3 计算结果与试验值 比较 为验证本文提出计算公式的合理性 ， 对普通混凝土剪力墙 进行了单面受火后的低周反复荷载试验研究 ， 得到了火灾后剪 力墙的极限承载力。 试件尺寸及配筋形式详见文献 1 o ， 实测钢 筋力 学性 能如下 ： 6 5及 +1 6钢筋 屈服强 度分别 为 3 6 0 MP a 和 3 7 7MP a 。 按式( 3 ) 计算得到本次试验中钢筋混凝土剪力墙常温下和 火灾后抗剪承载力， 计算结果如表 2 所示。 对试验值和计算值的 比值进行统计分析 ： 试验值与计算值比值的平均值为 1 2 2 7 ， 均 方差为 0 0 7 8 ， 变异系数 为 0 0 6 4 。 由此可 以看 出计算结果偏于安 表 2计算值 与试验值的 比较 注： d 为墙板内钢筋网间距； 为剪力墙承受轴压力 为实测混凝 土标准立方体抗压强度 ； V 为实测水平抗剪承载力 ； V 为计算 水平抗 剪承载力： 44 全 ， 且计算精度可 以满 足工程要求。 4结 论 ( 1 ) 根据求解一维瞬态热传导问题的简化公式得到了单面 受火钢筋混凝土剪力墙内部温度场， 与试验结果比较发现， 计算 值和试验值符合较好， 为火灾后混凝土剪力墙抗剪承载力的计 算提供了前提条件 。 ( 2 ) 提出了火灾后钢筋混凝土剪力墙抗剪承载力的计算 公式。 此公式中， 采用了高温后钢筋与混凝土强度值。 其中， 高 温后混凝土强度降低系数采用平均值， 并利用分层法计算得到。 利 用该 公式 计算 得 到 了火灾 后 钢筋 混凝 土剪 力墙 抗剪 承 载 力 ， 与试验 值的 比较发 现 ， 计算 结果偏 于安全且可 以满 足工程 精度要求。 参考文献 ： 姜翊国， 陈辉， 白丽丽 火灭后钢筋混凝土梁剩余承载力的分析与计 算I J l l混凝土 ， 2 0 0 8 ( 2 )： 5 7 - 5 9 【 2 徐玉野， 王全凤 火灾后钢筋混凝土柱的剩余承载力研究 工程力 学， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 2 ) ： 8 4 8 9 f 3 1 C H E N Y H， C H AN G Y F， Y A O G C， e t a 1 E x p e r i me n t a l le a r c h o n D o s t f i r e b e h a v i o u r o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s J F i r e S a f e t y J o n r - h a l ， 2 0 0 9， 4 4 ( 5 ) ： 7 4 1 7 4 8 4 】 陈口 乌 ， 金贤玉， 胡文清 钢筋混凝土梁火烧后残余抗剪强度的研究【 J 1 浙江大学学报， 1 9 9 5 ， 2 9 ( 1 ) ： 9 8 - 1 0 7 【 5 刘桂荣， 宋玉普 火灾下钢筋混凝土剪力墙温度场分析【 J 】 混凝土， 2 0 1 0 ( 1 ) ： 4 - 6 I 6 C H E N R R ， Z H A N G z J ， Q I A N Z Z R e s i d u a l b e n d i n g s t r e n g t h o f r e i n 一 下转第 4 9页 4 8 l 5 9 9 O O O O O O 4 7 1 5 5 1 8 4 宕 8 O O O 0 3 6 O 3 6 3 1 8 斛 O O O O 7 4 1 8 9 O l l 如 O 0 O O 6 3 5 7 9 7 6 5 卯 盯 O O O O 2 7 l 4 7 3 l 8 O O O O 3 3 4 5 9 9 9 9 舛 加 O O O 0 9 8 8 7 2 6 O 4 印 O O O O 0 9 9 9 6 2 9 6 舛明 O O O O 7 5 2 0 4 O 6 2 卯 引 0 O O O 3 4 6 8 7 6 5 3 8 O O O O 4 8 2 6 2 5 9 2 O O O 0 6 2 7 3 3 8 2 7 0 O O c； 2 4 6 8 4 9 4 9 O O O O 6 3 9 5 9 0 O 1 O O O O 6 7 2 5 2 8 5 O O O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3结 论 与聚丙烯纤 维相 比 ， 塑钢纤 维在混凝 土的抗压强度 、 劈 裂 抗拉强度及抗乐弹模等方面较为接近 ， 而对抗 冲磨抗 冲磨 性能 的提高方 面则具有 明显 优势 ， 干缩变形及抗 渗性则 略差 ； 对 提 高混凝土抗冲磨强度而言， 塑钢纤维掺量为 4 k g m 时最佳， ? 昆 凝土抗冲磨强度可比空白时提高 1 1 6 8 ； 从改善抗冲磨混凝土 的综合性能的角度出发 ， 可考虑采用塑钢纤维与聚丙烯纤维混 杂的方式 ， 今后可进一步开展工作。 参考文献： 谢祥明， 余青山， 胡磊 聚丙烯纤维改善混凝土抗冲磨性能的试验研 究 J 1 重庆建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 3 ) ： 1 3 4 1 3 7 2 卢安琪， 李克亮 ， 祝烨然 ， 等 聚丙烯纤维混凝土抗冲耐磨试验研 究J 1 水利水电技术 ， 2 0 0 2 ， 3 3 ( 4 ) ： 3 7 3 9 3 薛喜文， 张东升 西霞院工程抗磨混凝土应用研究与实施 J I 人民黄 河 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 9 ) ： 1 3 1 4 【4 1 祖福兴， 钟明全， 李洪英， 等 聚丙烯纤维混凝土在船闸输水廊道中 的应用l J l l水运工程 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 5 2 5 4 【 5 】 江朝华， 赵辉 ， 陈达， 等 玄武岩纤维及聚丙烯纤维对水泥砂浆性能 影响的对比分析l J l l硅酸盐通报， 2 0 0 7 ， 2 6 ( 6 ) ： 1 0 8 4 1 0 8 8 上接 第 4 4页 f o r c e d c o n c r e t e b e a ms s u b j e c t e d t o f i r e J B e t o n - u n d S t a h l b e t o n b a u， 1 9 9 1 ， 8 6 ( 1 ) ： 7 - 1 2 7 】J G J 3 2 O 0 2， 高层建筑混凝土结构技术规程 s 】 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 2 8 】 沈蓉 ， 凤凌云， 戎凯 高温( 火灾) 后钢筋力学性能的评估l J 1 四川建筑 科学研 究 ， 1 9 9 1 ， 1 7 ( 2 ) ： 5 - 9 9 覃丽坤， 宋玉普 ， 王玉杰， 等 高温对混凝土力学性能影响的试验研 究l J 1 _混凝土 ， 2 o o 4 ( 5 ) ： 9 - l 1 上接 第 4 6页 ( 1 ) 通过参数转换， 利用 ANS YS软件的数据接 V 1 编程输入 相应参数 ， 可以实现基于 A NS YS中的热分析模块对混凝土结构 碳化过程的数值分析。 进一步研究表明 ， 分析结果和试验结果 比 较吻合 ， 证明此方法是可 行的 ， 可为一般 大气环境下 混凝土结 构耐久性评估 和寿命预测提供 一种 灵活有效 的分析方法。 ( 2 ) 在 T梁混凝土碳化的过程 中， T梁翼缘处和边角处为 薄弱环节， C O 。 容易从多个边界侵入混凝土 ， 碳 化较为严重。 ( 3 ) 从 C O 在混凝土中的浓度分布情况可以看出， 在开始 阶段混凝土碳化较快， 随着时间的推移， 碳化速度会减慢。 ( 4 ) 本研究 的分析结果 以二 氧化碳浓度在混凝 土中的分布 作为混凝土碳化程度的表征量 ， 与 以酚酞显色测得 的实 际混凝 土碳化程度有一定的偏差。 如何 更加适 宜的量化混凝土的碳 化 程度 ， 尚需进一步研究 。 参考文献 ： 1 】 屈文俊， 张誉构件截面混凝土碳化深度分布的有限元分析 J 】 1 9 9 9 2 S T E F F E N S A Mo d e l i n g c a r b o n a t i o n f o r c o n o s i o n r i s k p r e d i c t i o n o f c o n 6 1李光伟 玄武岩纤维在水工抗； 中 蚀高性能混凝土中的应用【 J l_ 混凝 土 2 0 0 8 ( 1 1 ) ： 7 7 7 9 7 冯长伟， 李思胜， 秦鸿根 ， 等 闸室墙混凝土抗冲击和而 寸 撞磨性能的 影响因素研究l J 1 混凝土与水泥制品 ， 2 0 0 8 ( 2 ) ： 3 8 4 1 f 8 】胡曙光 ， 马杰 ， 丁厌军 ， 等 武汉长江隧 道抗裂混凝土 的研 究 J f 施 工 技术 ， 2 0 0 8 ， 3 7 ( 1 2 )： 1 - 3 9 邓宗才， 李建辉， 王作虎 粗合成纤维混凝土梁抗震性能试验研究【 J 】 北京工业大学学报， 2 0 0 7 ， 3 3 ( 4 ) ： 3 8 8 3 9 2 f l O 】 毕远志， 孔一凡 ， 华渊， 等 改性聚丙烯( 粗) 对混凝土增强增韧性能 影响的试验研究f J 建筑节能， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ： 3 6 - 4 0 f l 1 1 焦红娟， 金剑 ， 史小兴 有机仿钢丝粗纤维与钢纤维在喷射混凝土中 的性 能研究 J 1 混凝土 ， 2 0 0 7 ( 7 ) ： 5 4 5 6 f 1 2 R B 宗才， 李建辉， 刘国栋 混杂粗纤维增强混凝土力学特性试验研 究 l J f _混凝土 ， 2 0 0 6 ( 8 ) ： 5 0 5 5 1 3 1 伟 ， 钱红萍 ， 陈 惠苏 纤维混杂及其与膨胀剂复合对水泥基材料的 物理性能的影I NJ 硅酸盐学报， 2 0 0 0 ， 2 8 ( 2 ) ： 9 5 1 0 0 作者简介 ： 联系地 址： 联系电话： 陈国新( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 博士生， 高级工程师， 主要从事水工混 凝土及9 1, ； O 0 U 的研究开发 。 南京市虎踞关 3 4 号( 2 1 o o 2 4 ) 1 3 8 51 7 9 2 5 0 9 f 1 0 L I U G u i r o n g ， S ON G Y u p u ， Q U F u l a i P o s t fi r e c y c l i c b e h a v i o r o f r e i n for c e d c o n c r e t e s h e a r w a l l s J J o u r n a l o f C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 ， 1 7 ( 5 ) ： 1 1 0 3 1 1 0 8 作者简介 联系地 址： 联 系电话 ： 刘桂荣( 1 9 7 9 一 ) ， 女 ， 博士， 讲师， 主要从事钢筋混凝土结构 抗火性能研究。 华北水利水电学院土木与交通学院( 4 5 0 0 1 1 ) 0 3 71 6 91 2 7 3 7 3 c r e t e s t r u c t u r e s J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 2 ( 3 2 ) 9 3 5 9 4 1 3 B U R K A N O F i n i t e e l e m e n t m o d e l i n g o f c o u p l e d h e a t t r a n s f e r ， mo i s t u r e t r a n s p o r t a n d c a r b o n a t io n p r o e e s s e s i n c o n e r e t e s t ruc t u r e s J C e m e n t & C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 4 ( 2 6 ) ： 5 7 7 3 4 S AE TF A A V E x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o n a n d n u me r i c a l n m d e l i n g o f c a r b o n a t i o n p r o c e s s i n r e i n for e e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s Pa r t I ： t h e o r e t i c a l l o r m u l a t io n J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 2 0 0 4 ( 3 4 ) ： 5 7 1 5 7 9 f 5 】C HE N D o n g C o mp u t a t i o n a l f r a m w o r k f o r d u r a b i l i t y a s s e s s m e n t o f r e i n f o e e d c o n c r e t e s t r u c t u r e u n d e r c o u p l e d d e t e r i o r a t i o n p r o c e s s e s D P h D T h e s i s o f Va n d e r b i l t U n i v e r s i t y ， 2 0 0 6 6 】王腾 钢筋混凝土T形梁的耐侵蚀构造研究f D J 长沙： 中南大学， 2 0 1 0 作者简介 联系地址 联系电话 卫军( 1 9 5 7 一 ) ， 男， 教授， 博士生导师， 主要从事混凝土结构 基本理论和结构耐久性研究。 湖南省长沙币韶山南路 2 2 号 土木建筑学院( 4 1 0 0 7 5 ) 1 3 2 7 2 4 8 3 5 4 8 49 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m