火災(zāi)后具有不同保護(hù)層厚度的簡支梁抗剪性能研究

祝煥然，楊志年，劉家倫

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山063210)

引言

火造福了人類，給社會帶來便利，但如果操作不當(dāng)，隨時都會影響人們的生產(chǎn)和生活，建筑物的防災(zāi)減災(zāi)一直受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-5]?；馂?zāi)對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)造成的損害并非一瞬間造成的，因其本身具有一定的耐火性，但隨著溫度的上升，造成的熱損傷會使得材料強度有所下降，而高溫后的承載力也會下降。因為混凝土材料自身的特性，熱傳導(dǎo)需要一定時間，使得構(gòu)件內(nèi)外產(chǎn)生溫度差，并且在火災(zāi)后的冷卻階段，即使外部不再受火，內(nèi)部仍然有一小段升溫過程，使得鋼筋混凝土構(gòu)件高溫后的熱損傷更加復(fù)雜。原因在于混凝土本身保護(hù)層厚度大，具有熱惰性，受火后內(nèi)部鋼筋的最高溫度決定了殘余承載力的大小[6]，通常來說，內(nèi)部鋼筋的溫度越低，其殘余承載力越大。因此，根據(jù)不同的保護(hù)層厚度、受火時間和冷卻方式對鋼筋混凝土簡支梁的抗剪承載力進(jìn)行研究很有必要。

1試件設(shè)計

構(gòu)件梁按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB/10500-2010)[7]要求，試驗采用1:1足尺梁，簡支支承，梁凈跨為4.0 m，長度為4.5 m，截面尺寸為400 mm×200 mm。圖1所示為梁的截面尺寸和配筋圖。C30普通硅酸鹽水泥由河北建設(shè)集團(tuán)生產(chǎn)，鋼筋由唐山鋼鐵集團(tuán)生產(chǎn)，箍筋采用直徑為6 mm的HPB235光圓鋼筋，縱筋采用直徑為25 mm的HRB400級螺紋鋼筋。

圖1 梁的尺寸和配筋

6根鋼筋混凝土梁，試驗變量不同受火時間(0 min、40 min、90 min)、保護(hù)層厚度(10 mm、25 mm、40 mm)冷卻方式(自然冷卻、噴水冷卻)進(jìn)行對比分析，試驗參數(shù)設(shè)計見表1。

表1 參數(shù)設(shè)計

2試驗結(jié)果分析

2.1 構(gòu)件常溫分析

測得常溫下(LC)構(gòu)件梁試驗結(jié)果如表2所示。

表2 常溫梁試驗結(jié)果

在常溫條件下，梁的剪跨比為2.0，為中等剪跨比梁。構(gòu)件發(fā)生破壞的試驗現(xiàn)象為：裂縫從梁的中部延伸至支撐點和加載點，梁中出現(xiàn)橫向裂縫和破壞區(qū)域，從而導(dǎo)致剪壓破壞。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中承載力的計算方法，室溫下梁的抗剪承載力為145.9 kN，與實際計算的236 kN相差很大，主要原因是沒有考慮縱向鋼筋的剪切效應(yīng)。

2.2 構(gòu)件升降溫

采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線[8]，試件LS采用淋水冷卻方式降溫，試件LT、L1、L2、L3采用爐內(nèi)自然降溫冷卻方式。通過對試驗梁ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和升溫爐膛的溫度-時間曲線對比可以發(fā)現(xiàn)，爐內(nèi)溫度和標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線差異性較小，可為下一步高溫后靜力場試驗提供有力參考，溫度場試驗現(xiàn)象如下：

L1在受火26 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為826 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為523 ℃，此時梁上截面混凝土溫度為88.7 ℃，梁上截面有水蒸氣蒸發(fā)出來，受火38 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為919 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為556.8 ℃，梁上截面混凝土測量溫度為91.6 ℃，梁上截面有大量水蒸氣蒸發(fā)出來，并且梁下底面出現(xiàn)小水珠貼附梁表面。

L2在受火28 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為817 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為218 ℃，此時梁上截面混凝土溫度為91.5 ℃，梁上截面有水蒸氣蒸發(fā)出來，受火40 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為879 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為250.2 ℃，梁上截面混凝土測量溫度為97.7 ℃，梁上截面有大量水蒸氣蒸發(fā)出來，并且梁下底面出現(xiàn)小水珠貼附梁表面。

L3在受火31 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為881 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為222.4 ℃，此時梁上截面混凝土溫度為86.6 ℃，梁上截面有水蒸氣蒸發(fā)出來，受火39 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為919 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為275 ℃，梁上截面混凝土測量溫度為92 ℃，梁上截面有大量水蒸氣蒸發(fā)出來，并且梁下底面出現(xiàn)小水珠貼附梁表面。

LT在受火29 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為873 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為236 ℃，此時梁上截面混凝土溫度為98 ℃，梁上截面有水蒸氣蒸發(fā)出來，受火38 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為878 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為291.1 ℃，梁上截面混凝土測量溫度為97.9 ℃，梁上截面有大量水蒸氣蒸發(fā)出來，并且梁下底面出現(xiàn)小水珠貼附梁表面。

LS在受火26 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為816 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為187 ℃，此時梁上截面混凝土溫度為77.2 ℃，梁上截面有水蒸氣蒸發(fā)出來，受火36 min后，燃燒爐內(nèi)測量溫度為896 ℃，梁下底面混凝土測量溫度為338.6 ℃，梁上截面混凝土測量溫度為85.9 ℃，梁上截面有大量水蒸氣蒸發(fā)出來，并且梁下底面出現(xiàn)小水珠貼附梁表面。

2.3 鋼筋混凝土梁力學(xué)試驗

通過不同升溫時間和冷卻方式，對梁進(jìn)行力學(xué)加載，得到火災(zāi)后梁固定鉸支座、滑動鉸支座和跨中荷載-撓度關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 各試件加載點和跨中荷載-撓度關(guān)系曲線

由于高溫下構(gòu)件梁剪切破壞沒有發(fā)生明顯的受彎破壞，故取撓度最大值的點。高溫后力場加載試驗荷載和梁端軸向位移關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 加載試驗各試件荷載-梁端的軸向位移關(guān)系曲線

高溫下底部縱向鋼筋的溫度，底部箍筋的最高溫度以及破壞過程中的撓度如表3所示。

表3 破壞撓度

2.4 殘余承載力比較

按照《混凝土結(jié)構(gòu)試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]的規(guī)定，構(gòu)件在混凝土被壓碎后出現(xiàn)斜壓裂縫為構(gòu)件達(dá)到極限承載力的條件。因此，構(gòu)件在不同的條件下所達(dá)到極限承載力如表4所示。

表4 各試件極限剪力承載力

2.5 剩余承載力擬合曲線

火災(zāi)后鋼筋混凝土梁剩余受剪承載力與保護(hù)層厚度的關(guān)系見圖4。

圖4 梁剩余承載力-保護(hù)層厚度關(guān)系曲線

梁火災(zāi)后剩余承載力與保護(hù)層厚度擬合曲線關(guān)系公式如式(1)所示。

F=149.3+4.075P-0.079P2

(1)

其中：F-梁剩余承載力，kN；

P-混凝土保護(hù)層厚度，mm。

由擬合公式可知，保護(hù)層厚度過大或者過小都會影響梁火災(zāi)后的剩余承載力，因此存在一個最佳保護(hù)層厚度，使得梁剩余承載力達(dá)到最佳效果。其原因為：保護(hù)層厚度減小，材料損傷增大，剩余承載力有所下降；保護(hù)層厚度增大，雖然材料損傷減小，但相比截面有效高度降低，剩余承載力同樣會下降。

3結(jié)論

(1)自然冷卻和保護(hù)層厚度相同的條件下，當(dāng)梁受火時間為40 min(LT)其剩余承載力為219 kN，受火時間為90 min(L2)其剩余承載力為201.5 kN，相比降低了8%，受火時間與高溫后的剩余承載力關(guān)系較大，受火時間越久，剩余承載力越小。

(2)在保護(hù)層厚度和受火時間相同的條件下，噴水冷卻至室溫(LS)的剩余承載力為144.5 kN，自然冷卻降至室溫(L2)的剩余承載力為201.5 kN，相比增加了28%，噴水冷卻對材料的殘損值的保護(hù)大于自然冷卻的結(jié)果。

(3)在受火時間和冷卻方式相同的條件下，增加保護(hù)層厚度，保護(hù)層厚度為10 mm(L1)的剩余承載力為182.15 kN，保護(hù)層厚度為25 mm(L2)的剩余承載力為201.5 kN，相比增加9%，保護(hù)層厚度與剩余承載力具有正相關(guān)的關(guān)系。

(4)保護(hù)層厚度并不是越大越好，與L1、L2相同條件的L3承載力僅有185.9 kN，對比分析足尺梁最佳保護(hù)層厚度為25 mm。