碳化硅纖維加固鋼筋混凝土梁火災(zāi)高溫的試驗(yàn)研究

(廣西科技大學(xué) 廣西 柳州 545006；柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司 廣西 柳州 545006)

碳化硅纖維加固鋼筋混凝土梁火災(zāi)高溫的試驗(yàn)研究

周鵬溫朝臣梁文昊劉進(jìn)

(廣西科技大學(xué)廣西柳州545006；柳州歐維姆機(jī)械股份有限公司廣西柳州545006)

碳化硅纖維布加固鋼筋混凝土梁在高溫下的試驗(yàn)將碳化硅纖維布加固的鋼筋混凝土梁同現(xiàn)在使用的主流加固材料碳纖維布加固后的鋼筋混凝土梁與未加固的梁在火災(zāi)高溫情況下所承受的極限荷載，變形等數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，來(lái)比較它們之間的差距和不同。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比顯示，在模擬火災(zāi)對(duì)加固后的混凝土作用后，碳化硅纖維加固的構(gòu)件比碳纖維加固的構(gòu)件耐火性能更好，用有限元方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)算后差別不大，說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確。證明了碳化硅纖維材料比碳纖維加固后的鋼筋混凝土在火災(zāi)高溫情況下更加安全。

碳化硅纖維；模擬高溫；加固對(duì)比；耐火性能分析

一、引言

火災(zāi)是一種比較常見(jiàn)、危害非常大的災(zāi)害，可能是自然發(fā)生的，也可能是人為的，不管是哪種都會(huì)對(duì)人們?cè)斐蓸O大的破壞，在人們生產(chǎn)生活中發(fā)生火災(zāi)會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)生活用品設(shè)施和建筑物造成很大的破壞，從而對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。火災(zāi)會(huì)使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力下降，式結(jié)構(gòu)不再能夠正常使用，甚至破壞。所以，結(jié)構(gòu)加固后的耐火耐高溫性能非常重要。近年來(lái)碳纖維(CFRP)加固技術(shù)正在高速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳纖維加固技術(shù)也進(jìn)行了大量的研究，但還是不夠成熟，有很多在加固過(guò)程中的問(wèn)題還沒(méi)有得到很好的解決。

耐火性一直是碳纖維加固的難點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)其防火的加固研究還比較少，國(guó)內(nèi)對(duì)于碳纖維的防火要求也僅僅是在表面涂刷防火材料，并沒(méi)有細(xì)節(jié)的有效的具體規(guī)范要求。所以對(duì)CFRP加固混凝土結(jié)構(gòu)的防火還不夠重視，還沒(méi)有比較成熟的規(guī)范，還需要進(jìn)一步研究。而碳化硅纖維材料正好耐火耐高溫，它的耐高溫性能比碳纖維材料高很多，能夠?qū)炷良庸痰姆阑鹌鸬椒浅：玫淖饔?。本文將進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)說(shuō)明碳化硅纖維加固鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時(shí)防火防高溫的安全性能。

試驗(yàn)：

試件：澆筑9根相同的鋼筋混凝土梁，梁的尺寸為b=250，h=500，跨度l=4500，凈跨l0=4150，箍筋統(tǒng)一為Φ8@200，架立筋為2Φ10，鋼筋的屈服強(qiáng)度為460Mpa；混凝土立方體的抗壓強(qiáng)度為51.06Mpa；碳纖維布的抗拉強(qiáng)度平均值3510Mpa，彈性模量210Gpa，碳化硅纖維布的抗拉平均強(qiáng)度為3650Mpa，彈性模量為307Gpa，厚度均為0.1mm。

試驗(yàn)方案：把構(gòu)件分為三組，每組三根構(gòu)件，一組不加固，一組用碳纖維布加固，一組用碳化硅纖維布加固，假故事全部采用梁底面全面粘貼，并在梁全跨粘貼15條U型纖維布箍。

高溫模擬試驗(yàn)：該試驗(yàn)步驟視為模擬混凝土構(gòu)件在加固后又受到火災(zāi)高溫影響后的情況，根據(jù)國(guó)標(biāo)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》采用試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線(xiàn)，對(duì)三組構(gòu)件分別在200℃/400℃/800℃中加熱2.5小時(shí)，加熱過(guò)后，讓構(gòu)件全部自然冷卻。

加載試驗(yàn)：因?yàn)榱褐饕軓澠茐?，所以將?duì)梁進(jìn)行受彎試驗(yàn)。

荷載的加載由固定在反力架的千斤頂實(shí)現(xiàn)，加載點(diǎn)為梁中兩個(gè)1/3點(diǎn)，加載兩個(gè)集中荷載，試驗(yàn)加載數(shù)值通過(guò)壓力傳感器讀出數(shù)值，并在支座和跨中各放置電子百分表來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)支座位移和跨中撓度；在梁的頂面、側(cè)面和底面分別貼應(yīng)變片來(lái)測(cè)量?jī)牲c(diǎn)應(yīng)變分布，并觀察梁的裂縫情況。

試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1 200℃試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 400℃試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 800℃試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1 200℃荷載應(yīng)變圖

圖2 400℃荷載應(yīng)變圖

圖3 800℃荷載應(yīng)變圖

用有限元軟件對(duì)三種不同形式的構(gòu)件在800℃時(shí)的受力進(jìn)行有限元分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，得出下圖：

圖4 800℃荷載應(yīng)變有限元分析圖

圖5 200℃荷載撓度變化圖

圖6 400℃荷載撓度變化圖

圖7 800℃時(shí)荷載撓度變化圖

二、梁的跨中應(yīng)變

在荷載較小的情況下，碳纖維布和碳化硅纖維布都未與梁底面分離，加固材料和混凝土接觸面良好，加固梁沿梁高方向的應(yīng)變可以近似成線(xiàn)性，所以，可以認(rèn)為其符合平截面假定。

三、承載力

根據(jù)試驗(yàn)可以看出，未加固的梁在不同溫度作用下的屈服和極限荷載明顯比加固后的低，說(shuō)明加固后的鋼筋混凝土梁強(qiáng)度提高了。在200度時(shí)碳纖維加固與碳化硅纖維加固的梁承受荷載數(shù)值差別不大，而在400度時(shí)，兩種不同纖維材料加固的梁承受荷載的數(shù)值開(kāi)始有區(qū)別了，可以看出碳化硅纖維布加固的梁比碳纖維布加固的承受荷載偏高，到了800都市，兩者的差別就很明顯了。

四、撓度裂縫

在加載過(guò)程中，隨著荷載不斷的加大，未加固的梁破壞過(guò)程中，食鹽量的裂縫開(kāi)始出現(xiàn)，并迅速的眼神、擴(kuò)大。而又碳纖維布和碳化硅纖維布加固的梁裂縫則發(fā)展不是很迅速，并且裂縫的寬度和間距比未加固梁的小，撓度也比未加固的小，在200和400度時(shí)，碳化硅纖維和碳纖維的裂縫間距和撓度差別不大，而800度時(shí)，碳化硅纖維和碳纖維的裂縫間距和撓度就會(huì)看出有明顯差別。

這說(shuō)明碳化硅纖維比碳纖維更耐高溫,在工程中應(yīng)用更加安全。

五、結(jié)論

1、通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)與有限元分析得出的數(shù)據(jù)比較可看出，實(shí)際試驗(yàn)與有限元模擬的差別不大，說(shuō)明試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較精確，試驗(yàn)比較接近真實(shí)情況。

2、梁在各種情況和原因作用下導(dǎo)致的承載力下降在不考慮火災(zāi)影響下，用碳纖維和碳化硅纖維加固是比較實(shí)用，效果又好的加固方法，而如果發(fā)生火災(zāi)，高溫回事鋼筋發(fā)生屈服，混凝土進(jìn)入塑性階段，那么就需要加固材料來(lái)承擔(dān)荷載，這就要求加固的材料耐高溫性能比較好，這時(shí)碳化硅纖維的耐高溫性能就體現(xiàn)出來(lái)了。

3、由于考慮到成本、生產(chǎn)加工等各方面原因，碳化硅纖維材料用于加固的研究還比較少，但它的性能確實(shí)比碳纖維材料更好，希望在以后的研究中可以改進(jìn)碳化硅材料的生產(chǎn)工藝方法，降低成本，使其更容易生產(chǎn)并在實(shí)際工程中得到推廣，推進(jìn)我國(guó)加固技術(shù)的發(fā)展。

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Theexperimentalstudyonfireresistanceofreinforcedconcretebeamsstrengthenedwithsiliconcarbidefiber

ZHOUPengWENChao-chenLIANGWen-haoLIUJin

(1.GuangxiUniversityofScienceandTechnologyLiuzhouGuangxi545006,China) (2.LiuzhouOVMMachineryCO,LTD,LiuzhouGuangxi545006,China)

Silicon carbide fiber cloth reinforcement test of reinforced concrete beams under high temperature will limit load of reinforced concrete beams reinforced with silicon carbide fiber mainstream now use the reinforcement material strengthened by carbon fiber reinforced concrete beams strengthened with the beam under fire under the condition of high temperature,comparison of deformation data,to compare between them.And the gap between different.The experimental results were compared and showed that in the simulation of fire to concrete after reinforcement,the reinforcement component of silicon carbide fiber carbon fiber reinforcement is better than the fire-resistant properties,the test results calculated by using finite element method is not very different,indicating the experimental results more accurate.It is proved that the silicon carbide fiber reinforced concrete is safer than the carbon fiber reinforced concrete at high temperature.

silicon carbide fiber,simulated temperature,reinforcement contrast,fire resistance

周鵬(1994.02-)，男，山東省濰坊市，在讀研究生。