鋼筋混凝土梁承受火害的性能研究

王宇輝

(三江學院土木工程學院,南京　210012)

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鋼筋混凝土梁承受火害的性能研究

王宇輝

(三江學院土木工程學院,南京210012)

本研究旨在探討兩座梁柱復合構件于火害情況下梁的變形行為。柱為三面受火，一座試體(BNC1)使用普通混凝土，另一座(BSC1)使用自充填混凝土，進行高溫試驗，探討梁于服務載重作用下，在升溫及冷卻過程中，鋼筋混凝土梁承受火害整體變形情形及其性能，并待高溫試驗后進行殘余強度試驗，并探討其變形。

混凝土； 梁； 火； 爆裂

1　引　言

隨著經濟發展以及都市化的進行，建筑物漸漸走向高樓甚至超高樓層建筑構造[1]。雖然這樣的趨勢使得有限的空間更能被有效利用，但如此的趨勢有一則隱憂：火災。因此一建筑物或結構物的耐火效能在設計上成為一個很重要的指標[2]。本研究旨在探討鋼筋混凝土梁柱復合構件在高溫中的變形以及高溫后的變形及殘余強度，有助于未來結構安全上準確的判定。本研究以實尺寸試體模擬位于二樓外柱的梁、樓版、柱及接頭復合構件，其中外柱三面受火，進行普通混凝土(NC)梁以及自充填混凝土梁(SCC)的探討與比較，探討鋼筋混凝土構件于火害下的變形行為。

2　混凝土于高溫下的材料性質

3　試　驗

3.1梁柱復合構件試體的規劃與制作

本研究選用的試體方面，試體尺寸設計為柱高 1.60 m，梁長與前期研究相同 6.775 m 以及版厚為 15 cm。柱的高度取決于柱爐空間結構，而為了要更符合實際的構造，于梁頂設計了向外懸伸 25 cm 的翼板仿效真實樓版。兩加載點規劃位置取決于設備上的限制，以及期望加載時所呈現的彎矩分布與真實狀況下的均部載重相似。

試體內部的配筋是依照耐震設計規范 (ACI318-99)[4]規定。本期研究的試體梁斷面為 400 mm × 500 mm，梁頂部配置 2-#8 縱向鋼筋貫穿全梁，而底部配置 4-#7 縱向筋貫穿全梁。梁柱接頭附近的負彎矩區部分，頂層增加設置設置增加 2-#7 縱向筋，此處的剪力筋為#3 @100 mm。梁的正彎矩區所配置的剪力筋為#3 @200 mm。樓板左右各懸伸 25 cm，厚度為 15 cm，板的頂部與底部皆由 5-#3 的縱向筋貫穿，板箍筋的配置為#3@200 mm。柱斷面為 500 mm × 500 mm，柱主筋配置為 12-#7，柱箍筋配置為#4 @100 mm，梁與柱的鋼筋凈保護層均為 40 mm。

組裝并固定完鋼筋架構后將熱耦線埋入既定的量測點位，為了量測梁的混凝土熱分布情形只取一斷面(BC1)，再設置四個斷面量測鋼筋溫度(BS1～BS4)，另外于接近梁尾處梁與爐壁交界的位置再設置兩斷面量測混凝土的溫度(EC1 及 EC2)。柱的部分選取兩個斷面(CC 及 CS)分別量測混凝土與鋼筋的溫度。本期研究的試體一支采用普通混凝土(NC)，一支采用自充填混凝土(SCC)，試體的制作采直立式澆置混凝土，同時制作 150 mm× 300 mm 的圓柱試體以供追蹤混凝土抗壓強度之用，另外也備有#3、#4、#7、#8 的鋼筋試體以供抗拉試驗之用。

3.2量測方法

(1)梁載重的量測

高溫試驗前與殘余強度試驗時，于梁尾端支承處設置量力計用以量測支承反力，高溫試驗時則在爐外的 P1 與 P2 點設置測微計。

(2)梁撓度的量測

在高溫試驗前，將測微計分別設置在梁的加載點位P1與P2點的加載桿上端以量測垂直位移，并于P1與P2點中點的m點設置一陶瓷棒，于爐外的部分設置測微計，以記錄陶瓷棒的垂直位移。在殘余強度試驗前，則在 P1、P2 及其中點 m 點位于梁底部分別設置測微計，用以量測該處的撓度。

(3)梁末端的量測

在梁尾東、西兩側各安裝測微計，以單一側的兩個測微計所量測的相對位移換算出該側的轉動角，再將兩側的轉動角值取平均。且為量取梁尾東、西兩側的水平位移，在梁尾兩側分別安裝水平位移計。

(4)梁曲率的量測

利用設計過后的鋁框以膨脹螺絲以及螺釘固定于梁表面，并安裝測微計，用以量測相對移位并推算出該處梁曲率。

4　試驗程序及方法

4.1梁柱復合構件試體的規劃與制作

本研究試體在高溫試驗及殘余強度試驗的步驟。

(1)先將柱加載到1716.8 kN，然后將P1以及P2分別加載到 98.1 kN及 58.9 kN，進行下一步驟；

(2)依據ISO-834升溫模式，進行高溫試驗 3 h。之后在未開爐門下自然冷卻 15～18 h，過程中數據自動存取系統繼續運作；

(3)進行殘余強度試驗。

本研究試體于殘余強度試驗的程序，過程如下。

(a) 將設計的鋁框架設于梁上的欲量測的點位，并安裝妥位移計；

(b)將柱逐步加載 490.5 kN、981 kN、1716.8 kN (175 t)。進行梁上的 P1與 P2 點的加載，梁的總載重為 78.5 kN (8 t)以及 157 kN (16 t)，并記錄數據；

(c)卸除梁上的載重，接著將柱加載 2452.5 kN、3433.5 kN (350 t)，r 記錄數據后再開始梁的載重 P1 與 P2 兩點的加載。梁的總載重(P1+P2)逐步加載78.5 kN、157 kN、188.4 kN、221.7 kN、265.9 kN…等等，直到梁破壞并記錄整個過程。梁的破壞定義為：梁頂部的加載點 P2 的混凝土發生壓縮破壞或梁柱接頭至梁的加載點 P1 之間發生剪力破壞，若有其一發生則視為試體破壞，需立即停止加載。

5　結果與討論

5.1試體于高溫試驗中的觀察

5.1.1BNC1 試體于高溫試驗的觀察

BNC1 試體于高溫試驗前因加載設備發生異常使得梁部分開裂，因此利用防火棉進行裂縫的包覆，以防止高溫直接滲透裂縫直接進入試體內部[5]。

由表1結果顯示 BNC1 試體在高溫試驗中于30 min內并無明顯的爆裂現象，但有明顯的出水狀況。高溫試驗開始約70 min后，梁尾鎖上端鋼板處的鉆孔開始出水一直到試驗結束。高溫作用 80 min后有觀察到翼版有明顯因爆裂而剝落的情況。高溫作用約 180 min后有觀察到梁角隅部分因高溫而呈現透明，此時角隅溫度已達 1000 ℃ 以上，可觀察到高溫作用后梁角隅處剝落的情形。經過高溫試驗后可觀察到翼版的剝落情形明顯，尤其梁尾端更為嚴重。判斷高溫試驗中，翼版中水分順著預埋的測溫用熱耦線流動至梁尾，因此尾端鉆孔處才有明顯的出水現象；又因大部分水分因流動而囤積于梁尾，梁尾端試體內部因高溫作用水氣壓力過高，部分水分得以透過鉆孔處排出，部分于混凝土表面以爆裂的形式排出。隨處可見的是翼版排水現在的痕跡，可見試體翼版內含的水分還是相當多。

表1　BNC1試體梁在高溫試驗中觀察之現象

5.1.2BSC1 試體于高溫試驗的觀察

BSC1 試體于高溫試驗的觀察結果如表2，可看到于開火后 11 min就開始發生爆裂，此時試體表面溫度約 450 ℃至 550 ℃，爆裂位置為梁尾端，于爐外梁尾處可清楚聽到爆裂聲，梁尾的爆裂現象一直持續到高溫試驗 95 min才緩慢停止。

開火后 15 min立即就出現出水的情形，出水位置位于 P1 附近。隨著梁尾端開始爆裂，試體開始全斷面性爆裂。從10 min至 20 min之間測溫數據開始出現波蕩的情形，推測是因當時梁表面開始出現爆裂的現象，而位于表面的測溫點受爆裂而出現干擾的數值。

高溫試驗約進行 40 min后，觀察到許多斷面因爆裂而剝落，使得撓曲鋼筋外露；鋼筋如此直接暴露于高溫環境之中，溫度勢必迅速遞增，試體底部角隅的撓曲鋼筋的變化，可發現約在高溫試驗 30 min至 40 min后溫度急遽上升。高溫試驗過程中各斷面陸陸續續都有出水的情形，且憑肉眼就能觀察出。

試體受高溫后 60 min，可以看到因爆裂而剝落的混凝土表面斑駁，幾乎處處可見剝落的痕跡，甚至因爆裂表面出現大洞的情形。高溫試驗約 70 min時，觀察到試體位于 P1作用點與梁柱接頭之間，梁下方的混凝土碎裂且剪力鋼筋變形，此時鋼筋已達到 800 ℃以上，可說已經沒有強度可言了，且鋼筋嚴重變形。此時該斷面碎裂處的測溫點早已在 60 min至 70 min時因劇烈爆裂而損壞，且由該點記錄可發現，約莫在 30 min時溫度迅速升高，代表當時因爆裂混凝土表面剝落，使得測溫點所量測到的數值有明顯上升的趨勢。

不僅梁表面有劇烈的爆裂現象，翼版的爆裂情形也相當嚴重，翼版處甚至也出現混凝土爆裂成大洞情形。試驗結束時，外露的撓曲鋼筋皆因高溫被燒紅。 BSC1 試體實際經過高溫試驗后可看到隨處可見經爆裂而剝落的痕跡甚至孔洞，翼版的混凝土幾乎被掏空，代表翼版的混凝土含水量相當高。P2 加載點的位置甚至出現部分開裂的情形，推測殘余強度試驗可能會先壞在此位置。

表2　BSC1試體梁在高溫試驗中觀察之現象

5.2梁于高溫后的加載、變形行為及殘余強度

本研究試體的殘余試驗加載流程分為兩階段加載。先是將柱加載至 1717 kN 持壓，再進行梁加載至服務載重，將梁卸除后，再進行柱的第二段加載，往上加載至 3434 kN，持壓后開始梁加載階段致破壞。

圖1　BNC1 試體梁角隅爆裂情形Fig.1　BNC1 case burst test specimen beam corner

圖2　BSC1 試體經過高溫試驗后混凝表面之情形Fig.2　BSC1 circumstances test specimen after high temperature test coagulation surfaces

圖1與圖2是試體BNC1與試體BSC1經過高溫后的變形結果，結果可觀察到第一階段加載中 ΔP1、Δm 及ΔP2 的撓度變化趨勢皆相當接近，撓度增量極小。第二階段起始值皆有包含第一階段的殘余變形，但可看到柱第一階段加載至 1717 kN，各點殘余變形量極小，代表梁試體還是保有一定的承載能力。在第二階段加載，梁總載重從開始至 365 kN 間撓度增量緩慢，但自梁載重 365 kN 開始撓度大幅度增加，代表進入降伏階段。梁總載重在 517 kN時，因梁試體在 P2 點變形過大，撤離該點的測微計以免發生損害。結果顯示梁試體于殘余試驗中第二階段加載的整體變形，起始變形包含第一階段加載的殘余變形，可看出梁總載重超過 365 kN 后，撓度大幅度增加，Δm 及 ΔP2 撓度值相當接近。ΔP1 的變化量較其他兩點的撓度值來得小，是因為本期試體梁柱接頭處的轉動束制較大，給予 P1 點一限制力使得該點的撓度值較小。

殘余試驗于梁總載重 556 kN 宣告結束，本期的試體變形趨勢與前期試體大致相同但承載能力較好，較慢達降伏，可看到 ΔP1 及 Δm即便已達降伏變形量仍然以一較緩慢的速率增加且并無觀察到明顯的降伏平臺。BSC1 試體于第一及第二階段加載 P1、m及P2 點的梁總載重與撓度的關系與 BNC1 試體相同，第二階段起始值皆有包含第一階段的殘余變形，可看到柱第一階段加載至 1717 kN 后，各點殘余變形量甚至比 BNC1 試體更加微小。第二階段加載的梁總載重從開始到 300 kN 間撓度增量緩慢，且 Δm及 ΔP2 撓度變化量幾乎一樣。但自梁總載重 300 kN 起，Δm 及 ΔP2 撓度開始有明顯的增量，代表進入降伏階段。與試體 SCC4 相較，從 P1、m 及 P2 點位可發現降伏前兩試體隨載重增加撓度的變化趨勢幾乎一樣，但當 SCC4 試體進入降伏平臺后 BSC1 又可繼續承力，顯示本期的試體的強度較高。當梁載重約 478 kN 時，梁試體P2點拉力筋斷裂且整體變形迅速增加，為顧慮安全因素中止該實驗。

6　結　論

(1)當測溫點的溫度上升至 100 ℃ 時，會出現一溫度平緩的平臺，該現象是因為此時混凝土內部水分因受到高溫而轉換成水蒸氣，相變化需要吸收大量熱能，因此該階段溫度會出現遲滯的現象。溫度平臺歷時長短與該區混凝土內孔隙水含量以及該區所受到高溫滲透的速率有關，試體中心溫度遲滯的現象最為明顯;

(2)因混凝土熱傳速率慢，高溫作用后關閉爐火，試體溫度仍會繼續上升，撓度也將繼續增加達到峰值，卸除后，試體呈現永久形變;

(3)在服務載重作用下，兩試體的變形差異，主要因 BSC1 試體在高溫測試中的嚴重爆裂所致;

(4)BSC1 試體因大量混凝土爆裂，導致試體斷面縮減，但經歷相同的載重歷程，兩試體在未達降伏前的撓度變化趨勢幾乎一樣，甚至兩試體的 P1 及 m 點幾乎同時達降伏，同載重下的 BSC1 試體在 P2點有較明顯先降伏的現象。

[1] 盧錦鐘,黃曉吉.梁端約束對鋼筋混凝土梁耐火性能的影響[J].華僑大學學報(自然科學版),2008,(04):7-12.

[2] 楊建平,時旭東,過鎮海.高溫下鋼筋混凝土梁極限承載力的簡化計算[J].工業建筑,2002,(03):9-15.

[3] Bisby L A,Kodur V K R,Green M F.Performance in fire of FRP-confined reinforced concrete columns[C/CD].4th InternationalConference on Advanced Composite Materials in Bridges and Structures(ACMBS IV) ,2004:16-20.

[4] 孫勁峰,時旭東,過鎮海.三面受熱鋼筋混凝土梁在高溫時和降溫后受力性能的試驗研究[J].建筑結構,2002,(01):17-22.

[5] 崔國海,馬利偉.鋼筋混凝土梁開裂的原因分析及處理[J].安徽建筑,2003,(04)：13-18.

Performance-Based Design of Reinforced Concrete Beam Subjected to Fire

WANGYu-hui

(School of Architecture and Construction,Sanjiang University,Nanjing 210012,China)

This study was designed to investigate the two beams composite member in case of fire damage deformation behavior of the beam. The column was on three sides by fire, a test body (BNC1) using ordinary concrete, and the other (BSC1) using self-filling concrete, high-temperature experiment, explore the girder in service load under the action of the heating and cooling process, reinforced concrete beam subjected to fire situation and harm the overall deformation properties, the residual strength tests conducted after the high temperature test and wait, and to explore its deformation.

concrete;beam;fire;spalling

王宇輝(1982-)，女，講師.主要從事建筑工程技術與管理教學與科研工作.

TQ175

A

1001-1625(2016)04-1101-05