火災(zāi)后鋼管RPC柱力學(xué)性能試驗(yàn)研究

潘 建 軍

(陸軍工程大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210007)

人類文明之所以發(fā)展至今天的程度，有賴于人類對于火的使用。雖然人類對于火的利用，已經(jīng)達(dá)到了前所未有的高度，但是當(dāng)利用火這種自然力量為人類造福時(shí)，于火在時(shí)間和空間上的失控燃燒，也就造成了火災(zāi)的發(fā)生。而火災(zāi)作為一種為人們所熟知的最常見的，對社會穩(wěn)定與人民生命財(cái)產(chǎn)安全的主要威脅之一，不論是對普通民用建筑或是對安全等級較高的重要設(shè)施而言，如何控制減少可能造成的危害，都是目前需要研究的重要課題。

本文通過鋼管RPC標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)研究了高溫作用后鋼管RPC的殘余力學(xué)性能，并總結(jié)了火災(zāi)后鋼管混RPC柱殘余承載力計(jì)算方法。

1 試驗(yàn)概況

1.1 火災(zāi)試驗(yàn)及力學(xué)性能試驗(yàn)

為研究火災(zāi)后鋼管與RPC力學(xué)性能，根據(jù)GB/T 31387—2015活性粉末混凝土標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求制作試件如下：

1)100 mm×100 mm×100 mm立方體試塊6塊。

2)100 mm×100 mm×300 mm棱柱體試塊6塊。

3)100 mm×100 mm×400 mm棱柱體試塊6塊。

4)D×L=194 mm×2 500 mm鋼管RPC柱2根。

鋼管采用20號熱軋無縫鋼管，尺寸為D×t×L=194 mm×6 mm×2 500 mm，屈服強(qiáng)度為fy=345 MPa。以上試件分別用于測定立方體抗壓強(qiáng)度、彈性模量、軸心抗壓強(qiáng)度、火災(zāi)后殘余承載力。配合比見表1。

表1 RPC材料配合比(每立方米)

澆筑成型后，20 ℃±3 ℃自然養(yǎng)護(hù)28 d。所有試件采用均勻受火方式在同一天安排火災(zāi)試驗(yàn)。火災(zāi)試驗(yàn)在東南大學(xué)水平抗火試驗(yàn)爐中進(jìn)行，采用ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，兩根鋼管RPC柱受火時(shí)間分別為0 min,105 min。由于高溫作用，使得RPC試塊水分蒸發(fā)，試件全部爆裂，無法繼續(xù)使用，如圖1所示。

故最終在常溫條件根據(jù)GB/T 50081—2002普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)在電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行材料性能試驗(yàn)，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)測得各平均力學(xué)性能指標(biāo)見表2。

表2 RPC力學(xué)性能指標(biāo)

1.2 殘余承載力試驗(yàn)

火災(zāi)使鋼管RPC柱材料性能劣化，承載力降低。為測其殘余承載力，在東南大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了殘余承載力試驗(yàn)，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)過程中為保證安全，在加載過程中若荷載不再隨位移增加或試件由于變形過大而抵住抱箍裝置時(shí)，即停止加載并認(rèn)為達(dá)到其極限承載力。測得最大位移及殘余承載力見表3。

2 理論分析

2.1 火災(zāi)后材料力學(xué)性能

表3 最大位移及殘余承載力

試件編號殘余承載力/kN最大位移/mm13 1416821 21767

2.1.1高溫后鋼材力學(xué)性能

研究表明[1]高溫后鋼材屈服強(qiáng)度與彈性模量均有所降低，且降低幅度與最高過火溫度有關(guān),隨爐溫冷卻的方式對其影響較小，本文所用Q345熱加工無縫鋼管高溫后的力學(xué)性能采用吳波[1]經(jīng)過大量試驗(yàn)研究所得表達(dá)式計(jì)算：

20 ℃

fy=(100.19-0.015 86T)×10-2fy

(1)

600 ℃

fy=(121.395-0.051 2T)×10-2fy

(2)

其中，fy為鋼材常溫條件下屈服強(qiáng)度。

20 ℃

ES(T)=(100.53-0.026 5T)×10-2ES

(3)

其中，ES為鋼材常溫下彈性模量。

2.1.2高溫后RPC力學(xué)性能

為研究RPC這種高強(qiáng)、高性能、高耐久的新型混凝土材料高溫后力學(xué)性能，李海艷[2]與吳波[1]通過大量試驗(yàn)研究分別得到高溫后RPC抗壓強(qiáng)度表達(dá)式和彈性模量表達(dá)式如下：

20 ℃

(4)

400 ℃

(5)

800 ℃

(6)

其中，fc為RPC常溫條件下軸心抗壓強(qiáng)度。

20 ℃

Ec(T)=(1.028-0.000 39T)Ec

(7)

200 ℃

Ec(T)=(1.31-0.001 8T)Ec

(8)

600 ℃

Ec(T)=(0.438-0.000 33T)Ec

(9)

其中，Ec為RPC常溫條件下彈性模量。

2.2 火災(zāi)后殘余承載力

利用“極限平衡理論”求解鋼管混凝土極限承載力的方法，最早在1934年由Gvozdev教授提出，之后蔡紹懷[3]完善了其工作。極限平衡法避免了結(jié)構(gòu)的彈塑性動力分析過程，直接以極限狀態(tài)時(shí)鋼管與混凝土的相互作用及變形協(xié)調(diào)條件求得極限承載力。

蔡紹懷[3]最終得出鋼管混凝土軸心受壓短柱極限承載力計(jì)算公式，可以看出極限承載力與套箍指標(biāo)有關(guān)：

當(dāng)ξ≤1.235時(shí):

N0=Acfc(T)(1+2ξ)

(10)

當(dāng)ξ>1.235時(shí):

(11)

計(jì)算鋼管混凝土長柱的極限承載力均需考慮長細(xì)比與偏心率的影響：

(12)

其中，φl與φe分別為考慮長細(xì)比和偏心率對極限承載力影響的折減系數(shù)，具體計(jì)算方法如下：

(13)

當(dāng)e0/rc≤1.55時(shí):

(14)

當(dāng)e0/rc>1.55時(shí):

(15)

其中，L0為鋼管混凝土計(jì)算長度;e0為軸力偏心距;rc為核心混凝土橫截面半徑;D為鋼管外直徑。

理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比見表4。

表4 試驗(yàn)與理論對比

3 結(jié)語

火災(zāi)作用后構(gòu)件工作性能出現(xiàn)明顯的劣化，且劣化程度與最高溫度有關(guān)。火災(zāi)后鋼管RPC仍具有較強(qiáng)承載力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，誤差均在10%左右，驗(yàn)證了公式計(jì)算的有效性。