受火后鋼混凝土組合梁材料性能試驗研究

受火后鋼混凝土組合梁材料性能試驗研究

姚偉發，黃僑，張娟秀

（東南大學交通學院橋梁工程系，南京 210096）

摘要：為研究火災高溫后組合梁橋的基本材料力學性能與特征，共制作3片具有代表性的縮尺梁模型：簡支T形梁、簡支箱形梁及連續箱形梁，利用火災試驗爐進行局部三面受火試驗，并給出詳細的試驗方案。通過受火后取樣試件與未受火試件的材性試驗結果對比，可以發現受火（最高溫度在700～900 ℃）對鋼板材料的屈服強度及極限強度均有一定程度的降低，降低幅度為10%～20%；而鋼板材料彈性模量隨溫度升高略有變化，但變化值不大。火災對混凝土強度材性的影響可以忽略不計，但對其冷卻后的材料強度有一定影響，相對于常溫混凝土其強度會降低5%左右。

關鍵詞：橋梁；火災；鋼混凝土組合梁；材料性能；試驗

中圖分類號：U442.59文獻標志碼：A文章編號：16744764（2015）03000110

Abstract：In order to investigate the basic mechanical performances of the composite girder under the fire loads， three typical experimental models including simplesupport Tsection girder， simplesupport boxsection girder， and continuous boxsection girder， were built. After establishing a detailed experimental plan， a fire experiment loaded on three sides was conducted in a laboratory fire furnace. The comparative study on the material characteristics of steel between the models before and after the fire loads showed that the yield and limit strengths decreased by 10%～20 % after fire loads with the 700～900 ℃.The elastic modulus of the steel girder only slightly changed with the increase of temperature. The influence on the concrete material during the fire could be almost ignored； however， 5% decrease of the concrete material strength could be found after cooling off. The results provided good experimental and theoretical foundation for determining the basic material characteristics in the antifire design of the composite girders.

Key words：bridges； fire； steelconcrete girder； material characters； experiments

隨著中國國民經濟持續穩定增長和綜合國力的增強，交通基礎建設得到迅猛發展。然而，由于車輛的超載、超速、司機的疲勞駕駛等原因造成的交通事故越來越多。由事故及其他緣由所引發的橋梁火災往往給橋梁帶來了較大的損壞，嚴重時甚至引起橋梁垮塌，給人們生命及財產安全帶來了巨大的損失[13]。

對于中國跨線橋廣泛使用的鋼–混凝土組合梁橋來說，其結構具有良好的靜動力性能和疲勞性能[4]。但在火災高溫作用下，由于鋼材抗火的能力較之混凝土更差，與普通混凝土梁橋相比將會受到更大的損壞[5]，甚至引起橋梁的坍塌破壞。具體來說，鋼材在高溫下強度和彈性模量降低，造成截面破壞和變形過大而失效、倒塌。鋼筋雖有混凝土的保護，但在高溫作用下強度降低，以致在外荷載引起的應力下提前屈服而引起截面破壞；混凝土強度和彈性模量隨溫度升高而降低[6]；由于構件內部溫度梯度的作用，可能造成構件開裂，彎曲變形；由于構件熱膨脹，可能使相鄰構件產生過大的位移和變形[78]。

然而，關于火災安全措施的規定主要是針對建筑設計所需，對橋梁設計卻缺少相應的規定。例如美國AFPA 502：Standard for Road Tunnels，Bridges，and Other Limited Access Highways（公路隧道、橋梁及其他高速公路標準）規定：應該防止導致公路橋梁或高架橋結構及結構關鍵構件破壞或完全倒塌的碰撞及高溫暴露發生。沒有任何規范制定了關于如何保護橋梁防火以免發生破壞或倒塌。與此相似，歐洲標準EC1 part2關于荷載的內容也沒有包含任何橋梁防火的設計條款。即使歐洲相關的規范如EC1 part12，EC2 part12，EC3 part12，EC4 part12也忽略了橋梁防火內容。同樣，中國的相關設計規范中也沒有包含任何有關橋梁防火的設計條款。

為研究火災高溫后組合梁橋的基本材料力學性能與特征，制作了3片具有代表性的縮尺梁模型進行局部火災試驗，通過對受火后取樣試件與未受火試件的材料試驗結果進行對比，取得的一些有益的結論可為組合梁橋防火災設計時材料基本特性取值提供基礎試驗積累與理論依據。

1試驗準備工作

1.1試驗樣本

共制作了3片試驗梁，代號分別為SCB1、SCB2以及SCB3，試驗梁詳細制作參數見表1。

鋼梁均采用Q235鋼板在鋼構件制作公司加工制作，混凝土板在試驗室人工拌制，并進行澆筑和養護。

1.2試驗設備

試驗在東南大學火災試驗室進行，涉及的設備主要包括火災試驗爐、鋼材拉伸試驗機。火災試驗爐為大型水平試驗爐（圖1），以天然氣為燃料。組合梁的靜力集中荷載采用千斤頂施加。

1.2.1大型水平試驗爐

爐體內尺寸：長×寬×高=4.0 m×3.0 m×15 m。

單跨梁最大受火尺寸：4 m×0.4 m×0.4 m。

爐內可增設分隔墻，分隔后的兩部分爐體可單獨使用也可同時使用；爐頂垂直加載系統可沿軌道移動。

1.2.2鋼材拉伸試驗機

該機采用調速精度高、性能穩定的全數字伺服調速系統及伺服電機作為驅動系統，全數字控制器作為控制系統核心，以Windows為操作界面的控制與數據處理軟件，實現試驗力、試驗力峰值、橫梁位移、試驗變形及試驗曲線的屏幕顯示。試驗機主要參數為：試驗力大小為1 000 kN；試驗力測量范圍：2%～100%FS；試驗力示值精度：示值精度±1%；最大拉伸空間：520 mm；最大壓縮空間：420 mm。

2受火試驗[913]

2.1試驗布置

2.1.1SCB1梁

1）火災場景設計

設定1.4 m長的跨中部分梁段處于“三面”受火[10]（梁頂面、翼緣板側面不受火），為模擬工字形梁橋下局部受火，采用耐火隔熱棉對未受火部位進行包裹隔熱，支座構造為滾動簡支，火災場景模擬方案見圖2與圖3。

2）溫度測點布置

鋼梁跨中截面為溫度場測試主截面（截面II），共布置7個測點。鋼梁沿梁肋共設置3個溫度測點（W1～W3）；混凝土板共設置4個測點（T1～T4），具體位置見圖4。

為確保主截面測點溫度數據正確性，在距主截面0.5 m處（截面ⅡⅡ）與主截面相同高度位置處布置同數量的溫度測點，鋼梁沿梁肋設置3個測點（W1′～W3′），混凝土板內設置4個測點（T1′～T4′），見圖4中括號內編號。

2.1.2SCB2梁

1）火災場景設計

與SCB1梁類似，不再贅述，SCB2梁的現場布置以及截面形式見圖5。

2）溫度測點布置

以跨中截面為溫度場測試主截面（截面II），共布置10個測點。鋼梁上共設置6個溫度測點，其中在腹板內側設置3個測點（W11～W31），在腹板外側相應位置設3個測點（W12～W32）；混凝土板共設置4個測點（T1～T4）。

為確保主截面測點溫度數據的正確性，在距主截面0.5 m處截面（截面ⅡⅡ）上與主截面測點相同高度處布置溫度場測點，箱梁腹板內側布置3個測點（W1′～W3′），混凝土板內布置4個測點（T1′～T4′）。

測試截面與溫度測點布置及編號見圖6（立面布置圖與SCB1梁相同，見圖4）。

2.1.3SCB3梁

1）火災場景設計

按連續梁布置，設定單跨失火時，中支點負彎矩處長約1/3跨徑（0.9m）部分箱形梁段處于“三面”受火（梁頂面、翼緣板側面不受火），以模擬橋面局部受火，采用隔熱棉對未受熱部位進行嚴實包裹隔熱，火災場景模擬方案見圖7和圖8。

2）溫度測點布置

SCB3梁截面形式與SCB2梁相同，僅立面布置略有不同，見圖9，其余均與SCB2梁一致。

截面溫度測點布置及編號同于SCB2梁，見圖6。

2.2溫度荷載

橋梁發生火災時，火場溫度決定構件內部溫度，從而決定了構件及結構的耐火時間。本試驗采用國際標準化組織（ISO）制定的ISO834標準升溫曲線[11]（圖10），并恒定荷載（升溫期間作用于梁上荷載不變）升溫。

在點火前，首先對各試驗梁常溫加載，使其達到各自設計試驗荷載。加載穩定后對試驗梁做外觀檢查，三片試驗梁外觀檢查均未見肉眼可見裂縫，測得試件變形較小。此外，亦未見試件其他異常情況，在再次確認測試儀器正常工作情況下，開始點火試驗。

2.3溫度試驗結果

2.3.1水平試驗爐

水平試驗爐共分8個區，每區都設置了控溫熱電偶，熱電偶采集的溫度數據經計算機運算后與設定值進行比較，根據實際溫度與目標溫度的偏離情況由計算機發出信號給燃燒控制系統，自動調節爐溫大小。

圖11所示為SCB1～SCB3梁試驗時實測爐溫與前述ISO834標準升溫曲線的對比情況。在開始升溫期間爐溫與標準升溫曲線相差較大，但歷時較短（5 min），對構件受火試驗影響不大。此后，爐內實測溫度與標準升溫曲線吻合較好。

2.3.2試驗梁

1）SCB1梁

圖12給出SCB1試驗梁頂板的溫度實測值。圖中可以看出，試件混凝土頂板存在較大的溫度梯度，靠近鋼腹板的測點溫度最高，受火半小時后接近360 ℃；而混凝土頂板頂部測點的測試溫度較低，受火半小時不到60 ℃；越靠近鋼腹板，其溫度越高，反之亦然。

圖13給出SCB1試驗梁腹板的溫度實測值。整體上來說，測點溫度上升速度快，而相同試驗時間混凝土板溫度遠低于鋼梁溫度。腹板W1及W2測點溫度值非常接近，試驗結束時溫度接近800 ℃。測點W3由于受到頂板混凝土的影響，其值較其他兩測點溫度低100 ℃左右。

3受火后材料性能試驗

3.1材料試件取樣

試驗均從受火后的試件中截取材料性能試驗樣本，從被檢測的結構或構件上直接截取材料試件進行試驗，能反映被試材料實際的狀態，尤其對于無論混凝土還是鋼材，由于在受火過程中其內部溫度場分布不均勻，直接截取的材料試件實際上是一個非均勻層狀試樣，依此材料試件的測試結果更具代表性，且由于是實物分析，更加全面系統，因而，具有更高的可信度。從工程上看，這種直觀簡便且可靠的取樣方法，無論從現場的適應性還是經濟性、安全性考慮，都有極大的發展前途和實用價值。

3.2試驗現象

SCB1、SCB2以及SCB3梁延火時間分別為32、34以及60 min。三者受火初期隨溫度升高，混凝土表面產生一定數量的水汽（圖18（a）），表面呈潤濕狀態，混凝土板內殘余水份不斷蒸發。

整個試驗過程SCB1、SCB2梁（簡支梁）頂面混凝土板均未發現裂縫，但SCB3梁（連續梁）受火節段頂面混凝土板發現明顯裂縫，且隨受火時間不斷發展。同時，SCB3梁卸載降溫后，可見受火腹板、底板鋼板呈青色；中支點負彎矩區箱梁受火梁段的中橫隔板附近的底板、腹板均產生明顯的屈曲現象（圖19）。

3.3鋼材材性試驗

3.3.1試件取樣

火災高溫對鋼材的影響主要來自于以下3個方面：

1）高溫下原子的原有熱振動加劇并且擴散，鋼材產生軟化，達到一定程度后抵消硬化的影響；

2）高溫下原子間的結合力降低，增大其滑移變形，減小了抗滑能力；

3）在1 400 ℃以上時，鋼材進入液態相，失去了抵抗荷載的能力。因此火災高溫對冷加工鋼筋的影響大于熱軋鋼筋。同時，火災高溫的影響還與鋼材種類和生產加工工藝有關。

針對本次試驗梁，在其制作構件時，選用與其相同批次的鋼材試樣留待材性對比試驗；并在構件受火試驗完成后，采用機械切割的方式從試件中割取鋼板試樣用作受火后材性試驗（圖20）。

3.3.2試樣尺寸

厚度大于3 mm的鋼板矩形橫截面試樣[12]（圖21（a））：Lc≥L0+1.5 S01/2。式中：Lc為試樣平行長度，mm；L0為試樣原始標距，mm，L0=k S01/2，比例系數k值取為5.65；S0為試樣原始橫截面面積，mm2，S0=a×b，a為試樣厚度，mm，b為試樣平行長度的寬度，mm。

試樣均以機械加工的方式進行加工，平行長度和夾持頭部之間以過渡弧連接，試樣頭部制成適合于試驗機夾持的形狀，夾持端和平行長度之間的過渡弧的半徑為12 mm，試樣加工設計圖見圖21（b）。共制作27件試驗試樣（圖22），試樣取樣情況見表2。

3.3.3材性試驗

鋼板材性試驗主要測定受火試驗前后鋼材屈服強度以及極限強度。同時，粘貼鋼筋應變計，以便在試樣拉伸試驗時測定鋼材應變，從而測定鋼材的彈性模量。其中，選取SCB01～SCB03、SCB11～SCB13、SCB21～SCB26及SCB31底/腹～SCB36底/腹試樣粘貼應變計。

鋼板的材性試驗均在常溫下進行，且試樣以火災試件自然冷卻后割取的鋼板制成，以確保試驗所測材性為高溫后材料的性能，鋼材材性試驗均在東南大學材料試驗室試驗機上按標準試驗方法進行（圖23）。

3.3.4試驗結果

表3、表4分別給出了受火前后鋼板屈服強度σy、極限強度σb的試驗結果，試驗結果表明鋼板試樣無論屈服強度或極限強度在經火災環境高溫作用后均較之常溫下有一定程度降低，且屈服強度σy降低程度大于極限強度σb。以高溫后鋼板強度實測值與常溫下鋼板強度實測值比較可知，SCB1、SCB2構件鋼腹板強度降低10%～15%（受火最高溫度在700～800 ℃），SCB3試件鋼腹板屈服強度降低20%左右（受火最高溫度在800～900 ℃）。三者極限強度降低幅度均小于其屈服強度的降低幅度，在受火最高溫度700～800 ℃情況下鋼材的極限強度降低最大幅度在10%左右，在受火最高溫度不超過800～900 ℃情況下鋼材的極限強度降低最大幅度在15%左右。

依據試件上粘貼的鋼筋應變計測得的數據經綜合分析后可以繪制出未受火及經歷不同高溫自然冷卻后鋼材的應力應變曲線圖，見圖24。由圖可知鋼材的彈性模量和屈服強度的變化前述一致，此處不再贅述。

3.4混凝土材性試驗

3.4.1試件取樣

一般來說，高溫造成混凝土強度損失和變形性能退化的主要原因有：

1）水分蒸發后形成的內部空隙和裂縫；

2）粗骨料和其周圍水泥砂漿體的熱工性能不協調，產生變形差和內應力；

3）骨料本身受熱膨脹破裂，這些內部損傷的發展和積累隨溫度升高而更加嚴重；

4）當溫度達到某一數值時，水泥石中的氫氧化鈣開始分解導致水泥石結構破壞；

5）混凝土內部溫度梯度引起的內應力將導致裂縫產生與發展。

在受火試件混凝土板澆筑時，以同批次混凝土制作兩組共6塊150 mm×150 mm×150 mm標準尺寸混凝土立方體試塊（試件編號1～6）。該組混凝土試樣與試件以相同條件進行養護，在常溫下測試其強度，以確定試件混凝土的立方體強度。

SCB1～SCB3試件受火試驗后，在受火部位以取芯的方式從受火后的試驗梁中取出圓柱形混凝土試塊。高徑比為1∶1時，公稱直徑為70～75 mm圓柱體芯樣試件的抗壓強度與標準芯樣試件（公稱直徑為100 mm，高徑比為1∶1的混凝土圓柱體試件）的抗壓強度基本相當[13]，因此，每個試件分別取出3塊70 mm×70 mm的混凝土圓柱體（試件編號SCB11～ SCB33），測出的圓柱體混凝土強度即為高溫后混凝土標準芯樣試件混凝土強度，取芯后混凝土試樣見圖25。

由于混凝土板底部直接受火，混凝土受損較嚴重，取芯時，板底部混凝土發生了破損現象，見圖25（b），后期混凝土強度試驗用芯樣試件均以去除這部分破損混凝土后并用磨光機進行端面處理后加工而成。

3.4.2材性試驗與數據

為使試驗結果比較更具合理性，受火前后混凝土強度試件試驗時間均安排在同一天進行。試驗在東南大學材料試驗室液壓式壓力試驗機上進行，表6給出了常溫與受火燒后混凝土立方體強度測試值。

對比表6、表7可以看出，對于受火時間不長的SCB1梁（32 min）與SCB2梁（34 min）混凝土試件，其溫度場處于較低水平，混凝土冷卻后，其強度相較于常溫混凝土強度降低幅度不到2%，火災對其強度影響有限，可以認為未發生顯著變化。但是對于受火時間較長的SCB3梁（60 min）混凝土試件，火災對其冷卻后的強度有一定影響，相對于常溫混凝土其強度會降低5%左右，但影響程度小于火災高溫對同樣試驗條件鋼板的影響。

4結論

針對火災高溫后鋼混凝土組合梁的材料性能進行試驗研究，共制作3片鋼混凝土組合梁試驗構件，分別為簡支T形梁、簡支箱形梁及連續箱形梁。通過受火后取樣試件與未受火試件的材性試驗結果對比，得到以下結論：

1） 受火（最高溫度在700～900 ℃）對鋼板材料的屈服強度及極限強度均有一定程度的降低，可以達到15%～20%。

2） 受火（最高溫度在700～900 ℃）環境下鋼板材料彈性模量隨溫度升高略有變化，但變化值不大，故對于鋼腹板火災高溫后彈性模量可不予折減。

3） 標準升溫曲線下受火時間小于30 min，可忽略不計火災對混凝土強度材性的影響。

4） 標準升溫曲線下受火時間大于60 min，火災對其冷卻后的材料強度有一定影響，相對于常溫混凝土其強度會降低5%左右。

參考文獻：

[1] Kodur V，Gu L，Garlock M E M. Review and assessment of fire hazard in bridges [C]//Proceedings of the TRB Annual Meeting， Washington D C，2010.

[2] Garlock M E，PayaZaforteza I，Gu L，et al. Fire hazard in bridges：review，assessment and repair strategies [J].Engineering Structures，2012，35：8998.

[3] Neves I C，Branco F A，Valente J C.Effects of formwork fires in bridge construction [J].Concrete International，1997，19（3）：4146.

[4] 黃僑.橋梁鋼–混凝土組合結構設計原理[M].北京：人民交通出版社，2011.

Huang Q.The design principle of steelconcrete composite bridges [M].Beijing：China Communications Press，2011.

[5] AstanehAsl A，Noble C R，Son J，et al.Fire protection of steel bridges and the case of the macarthur maze fire collapse[EB/OL].Lifeline Earthquake Engineering in a Multihazard Environment，2009.

[6] 閻慧群，王清遠，閆寧.高溫下及高溫后鋼筋混凝土結構性能評述[J].重慶建筑大學學報，2003，25（3）：110114，119.

Yan H Q，Wang Q Y，Yan N.Behavior of reinforced concrete structure under and after high temperature：A review [J].Journal of Chongqing Jianzhu University，2003，25（3）：110114，119.（in Chinese）

[7] 王振清，朱大雷，韓玉來，等.火災下鋼筋混凝土結構熱彈塑性變形分析[J].土木建筑與環境工程，2010，32（1）：7883.

Wang Z Q，Zhu D L，Han Y L，et al.Deformation analysis of thermo elastic plastic on reinforced concrete structure subjected to fire[J].Journal of Civil，Architectural Environmental Engineering，2010，32（1）：7883. （in Chinese）

[8] Branco F A，Mendes P A.Thermal actions for concrete bridge design [J].Journal of Structural Engineering，1993，119（8）： 23132231.

[9] 董毓利，王德軍.框架組合梁抗火性能試驗[J].哈爾濱工業大學學報，2008，40（2）：178182.

Dong Y L，Wang D J.Experimental study on behavior of frame composite steel beams in fire [J].Journal of Harbin Institute of Technology，2008，40（2）：178182. （in Chinese）

[10] 時旭東，過鎮海.高溫下鋼筋混凝土受力性能的試驗研究[J].土木工程學報，2000，33（6）：616.

Shi X D，Guo Z H.Investigation on the behavior of reinforced concrete at elevated temperature [J].China Civil Engineering Journal，2000，33（6）：616. （in Chinese）

[11] International Organization for Standardization. ISO/834 Fire resistance test on elements of building construction [S].2012.

[12] 中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T228—2002 金屬材料室溫拉伸試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2002.

General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People′s Republic of China.GB/T228—2002 Metallic materialstensile testing at ambient temperature [S].Beijing： Standards Press of China，2002.

[13] 中國工程建設標準化協會.CECS 03：2007 鉆芯法檢測混凝土強度技術規程[S].北京：中國計劃出版社，2007.

CECS 03：2007 Technical specification for testing concrete strength with drilled core [S].Beijing：China Planning Press，2007.

（編輯王秀玲）