朱庸¹，查晓雄²

¹和记黄埔地产深圳分公司，广东 深圳

²哈尔滨工业大学深圳研究生院，广东 深圳

收稿日期：2017年3月12日；录用日期：2017年3月28日；发布日期：2017年3月31日

碳纤维增强塑料筋(CFRP筋)因其耐腐蚀等优点被应用于组合梁。现在研究其耐火性能的计算一般认为混凝土没有开裂，与实际情况存在差别，并带来安全问题。本文基于ISO834标准升温曲线模拟CFRP组合梁在室内火灾下的情况，考虑CFRP筋组合梁在弯曲荷载和温度荷载共同作用下的耐火极限和受力分析。通过建立火灾下考虑裂缝影响的CFRP筋组合梁热力耦合模型，得到裂缝对不同保护层厚度、配筋率和作用荷载比的CFRP筋混凝土梁耐火极限的影响规律，总结出CFRP筋组合梁的防火相关设计建议。

关键词 :CFRP筋，裂缝，高温，承载力

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碳纤维增强塑料筋CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics)具有质量轻、强度高、耐腐蚀性好等优点，使其有可能代替钢材而被应用于土木工程。CFRP筋是由连续纤维材料和粘结胶体组成的复合材料，单根纤维丝的直径非常小，这些纤维丝通过粘结剂粘合在一起。和钢筋相比，CFRP筋材料更不耐火。目前，关于CFRP筋混凝土结构的抗火性能分析较少。Rafi [ 1 ] 进行了CFRP筋梁的火灾试验，SaafiM [ 2 ] ，Faruqi MA [ 3 ] 等人对高温下FRP筋的材料性能进行了试验和理论研究。国内欧进萍等人 [ 4 ] 对CFRP筋混凝土梁的力学性能进行了试验和分析，王晓璐等人 [ 5 ] 对高温下GFRP筋力学性能进行试验和理论研究。目前关于CFRP筋混凝土梁的研究，均未考虑混凝土梁底部由于受拉形成的裂缝对耐火极限的影响。在实际火灾中，裂缝影响梁截面温度场的分布，从而影响CFRP筋混凝土梁火灾下的承载力。本文建立裂缝模型分析了保护层厚度、配筋率和作用荷载比对梁耐火极限的影响，定量给出了CFRP筋混凝土梁耐火极限的简化计算方法，为实际防火设计提供参考。

采用ABAQUS有限元分析软件，建立考虑裂缝影响的CFRP筋混凝土梁的热力耦合模型。混凝土的力学参数按照陆洲导 [ 6 ] 提出的高温下混凝土受压应力-应变表达式选取，热工参数采用T.T. Lie [ 7 ] 提出的混凝土热工参数。CFRP筋的材料参数参照国外文献 [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] 选取。CFRP筋混凝土简支梁为三分点加载，三面受火，采用标准升温曲线ISO-834。

耐火极限的判别准则有三点 [ 11 ] ：结构失去支持能力、完整性、隔火作用。梁、楼板等受弯承重构件，挠曲率发生突变，为失去支持能力的情况，当简支钢筋混凝土梁、楼板和预应力钢筋混凝土楼板跨度总挠度值分别达到试件计算长度的2%、3.5%和5%时，则表明试件失去支持能力。本文模拟分析根据构件失去支持能力来判断达到耐火极限。

考虑到裂缝对梁截面温度场分布的影响，通过ABAQUS用户子程序，判断出现裂缝的单元，改变开裂处单元的材料属性，以模拟实际火灾中，CFRP筋混凝土梁产生裂缝后，裂缝区域温度场的改变。由子程序USDFLD调用通用程序GETVRM获取材料积分点信息，判断该积分点的受拉应变是否大于极限拉应变0.001 [ 12 ] ，即是否出现裂缝。判断出现裂缝的单元，通过定义的场变量来改变材料属性。取开裂单元的传导系数为良好导热材料体的传热系数，比热增大。

有限元处理裂缝的方式是将裂缝弥散于整个单元，以分布的裂缝来代替单独的裂缝。即在裂缝出现以后，仍假定材料是连续的，用处理连续介质力学的方法来处理，认为裂缝分布于整个单元内部。裂缝的大小不能从计算结果中直观的看到，而是以单元变形的形式表现出来。

本文引入开裂应变 ：

式中： 为总应变； 为热应变； 为力学应变，取极限拉应变0.001。

首先计算不考虑裂缝的CFRP筋混凝土梁火灾下受力，输出达到耐火极限时，梁跨中底部受拉单元的总应变 和热应变 ，由式(1)计算得到梁破坏时达到的开裂应变。由式(2)计算得到裂缝扩展最终的宽度。

式中： 为裂缝宽度； 为开裂单元长度； 为开裂应变。

为解决开裂单元连续的问题，通过得到的裂缝宽度预设裂缝，指定裂缝发展的区域。为确定预设裂缝合理的分布数量，本文分别设置裂缝数量为5、7、9、11条，将总的裂缝宽度均布到每条裂缝。裂缝布置为在两侧靠近支座 分别布置一条裂缝，剩余裂缝均布于 范围内，见图1。

预置裂缝区域为裂缝发展的范围，在计算过程中通过ABAQUS用户子程序判断是否出现开裂，对开裂单元更改材料属性实现截面温度场的改变。设置不同数量裂缝的耐火极限比较，见表1。

本文预设裂缝改变的是开裂单元的热工参数，裂缝总宽度是不变的，并且大部分裂缝均分布在2/3跨度内。设置不同的裂缝数量对计算CFRP筋混凝土梁的耐火极限的有一定的影响，但影响并不明显。由表1可知，裂缝数量的改变对CFRP筋混凝土梁耐火极限的影响不到5%，其中设置9条裂缝和11条裂缝对耐火极限改变的影响仅为1.3%。本文后续分析中均采用全梁设置11条裂缝。对比考虑和不考虑裂缝的梁挠度随时间变化的曲线，见图2，可知裂缝对梁耐火极限的影响较大，在模拟实际火灾分析CFRP筋混凝土梁耐火性能时，应充分考虑裂缝对其耐火极限的影响。

本文分析了保护层的厚度，配筋率和作用荷载值的大小对CFRP筋混凝土梁耐火极限的影响，保护

图1. 裂缝布置示意图

表1. 设置不同数量裂缝对耐火极限的影响

图2. 裂纹影响梁挠度随受火时间变化曲线对比

层厚度c分别取30 mm，40 mm，50 mm，不同配筋率 分别为0.6%，0.8%，1.0%，作用荷载与梁承受极限荷载的比值 分别为0.35，0.5，0.65。梁长L = 2100 mm，净跨L₀ = 为1800 mm，截面高度为h = 200 mm，截面宽度为b = 180 mm。底部配置两根CFRP筋。混凝土的立方体抗压强度为48.7 MPa，CFRP筋弹性模量为124 Gpa，屈服强度为1080 Mpa。

通过综合考虑保护层厚度，配筋率和作用荷载比三个因素对梁耐火极限的影响，对计算结果进行整理和分析，见表2，回归给出CFRP筋混凝土梁的耐火极限与和保护层厚度、配筋率和荷载比之间的定量关系为：

式中： 为耐火极限(min)； 为保护层厚度(mm)； 为配筋率(%)； 为作用荷载比。

将式(3)的回归计算结果与本文计算结果比较见图4，可以看出两种计算结果总体上吻合较好。通过进一步校准和验证，公式可以预测耐火极限，为实际防火设计提供参考。

(1) 本文提出考虑裂纹影响的热力耦合模型，通过编制ABAQUS子程序模拟裂纹的发生，定义场变量实现热传导。

(2) 裂缝对梁耐火极限的影响较大，在模拟分析梁的耐火性能时，应充分考虑裂缝对其耐火极限的影响。

(3) 随着保护层厚度和配筋率的增加，CFRP筋混凝土梁耐火极限增大。与增加保护层厚度对耐火极限的提高相比，增大配筋率对耐火极限的提高并不明显。作用荷载比越大，配筋率对耐火极限的提高越明显。荷载比对耐火极限影响显著，随着荷载比的增加，耐火极限迅速降低。

(4) 回归给出CFRP筋混凝土梁耐火极限公式，公式与有限元结果吻合良好，通过进一步研究和验证，可为实际防火设计提供参考。

本论文得到国家科技支撑计划(项目号2014BAH25F00)的支持，在此表示感谢。

朱庸,查晓雄. 考虑裂缝影响的CFRP筋组合梁耐火性能研究 Research on Fire Performance of CFRP Reinforced Concrete Beams with Effect of Cracks[J]. 土木工程, 2017, 06(02): 215-220. http://dx.doi.org/10.12677/HJCE.2017.62023