植筋連接混凝土梁耐火極限計算方法

陸洲導(dǎo) 蘇詩雅 余江滔?

摘 要：為定量評估火災(zāi)情況下的耐火極限，提出了高溫下植筋連接混凝土梁耐火極限預(yù)測方法. 采用等效截面法，考慮混凝土和鋼筋強度在高溫下的弱化，對截面進(jìn)行強度折減，等效為階梯形截面，結(jié)合常溫下構(gòu)件力學(xué)性能的簡化計算理論及火災(zāi)中單根植筋的極限承載力計算公式，提出火災(zāi)中植筋混凝土梁耐火極限的計算方法，并與試驗值進(jìn)行對比分析. 結(jié)果表明，本文公式計算出的植筋構(gòu)件耐火極限與試驗結(jié)果能較好地吻合，計算值與試驗值的誤差都在15%左右，差值一般都在15 min以內(nèi)，可以用該方法進(jìn)行植筋連接混凝土梁的耐火極限計算.

關(guān)鍵詞：耐火極限；植筋；高溫；等效截面法

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Prediction Method on the Fire Endurance of Post Installed Rebar Beams

Exposed to Fire

LU Zhoudao 1， SU Shiya 1， YU Jiangtao1，2?

（1.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai 200092，China；

2.Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure safety，Shanghai 200032，China）

Abstract： To assess the fire endurance， this paper presented the prediction method on the fire endurance of post installed rebar beams exposed to elevated temperature based on ultimate strength of single anchored rebar and concrete structure by equivalent section method， which regarded initial sections as ladder sections by strength reduction. The feasibility of the theoretical calculation was evaluated through a comparison between the results obtained by the prediction method and the experimental measurements. The comparison analysis showed that the method agreed well with the test data with the error of 15%， equivalent to about 15 mins.

Key words： fire endurance； bonded rebar； high temperature； equivalent section method

植筋連接（Post installed rebar connections，PIRC）技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)加固改造工程中應(yīng)用廣泛. 其力學(xué)性能受諸多因素影響，如混凝土強度、保護(hù)層厚度、鋼筋間距等. 近年來，國內(nèi)外學(xué)者對常溫條件下植筋膠黏結(jié)滑移、植筋構(gòu)件承載力以及植筋構(gòu)件疲勞性能等做了大量研究 [1-5]. 環(huán)氧樹脂作為一種常用的植筋膠，廣泛應(yīng)用于植筋連接中. 當(dāng)溫度超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg時，環(huán)氧樹脂強度顯著下降，轉(zhuǎn)變?yōu)檐浐宛ば圆牧?，轉(zhuǎn)變溫度一般為50～80 ℃，遠(yuǎn)低于鋼筋和混凝土的臨界溫度（其強度下降到其初始值的50%）. 一般來說，混凝土在400 ℃時強度會出現(xiàn)明顯下降，約為常溫的80%[6]. 鋼材的弱化溫度則在500 ℃左右[7]. 由此可知，植筋膠是火災(zāi)（高溫）中植筋構(gòu)件的主要薄弱環(huán)節(jié). 理論上，即使植筋構(gòu)件的內(nèi)部溫度遠(yuǎn)低于鋼筋的軟化溫度，構(gòu)件也可能因為植筋膠的力學(xué)性能劣化而失效. 然而，較少有學(xué)者研究溫度對植筋連接性能的影響，關(guān)于高溫中植筋試件的耐火極限的研究更是少之又少. 德國慧魚集團(tuán)研究了不同受火時間后，不同植筋深度下單根植筋的拉拔承載力的變化，以及不同保護(hù)層下，與受火面平行的植筋搭接連接的黏結(jié)力與受火時間的關(guān)系[8]. Kunz[9]研究了植筋膠黏結(jié)力隨溫度的變化，給出了平行搭接的黏結(jié)劑承載力計算公式. 鄭文忠、侯曉萌等[10-11]凝煉了混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能，介紹了火災(zāi)后混凝土結(jié)構(gòu)加固修復(fù)技術(shù)，指出了混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究中存在的問題，展望了其發(fā)展趨勢. 袁廣林、閆玉紅等[12-13]進(jìn)行了高溫后植筋邊節(jié)點的受力性能研究及火災(zāi)后植筋錨固性能研究及焊接對植筋膠性能的影響研究. 劉長青、陸洲導(dǎo)等進(jìn)行了高溫下植筋構(gòu)件抗火性能試驗研究[14-16]，包括植筋黏結(jié)滑移性能研究、混凝土梁極限承載力、耐火極限研究等. 在耐火極限試驗中，研究者分析了保護(hù)層厚度和植筋深度對植筋連接混凝土梁耐火極限的影響. 然而，迄今仍沒有一套可用于預(yù)測高溫下植筋連接混凝土梁耐火極限的簡化方法. 鑒于上述原因，本文在前人研究的基礎(chǔ)上，提出高溫下植筋連接混凝土梁耐火極限的簡化計算方法，并將計算值與試驗值進(jìn)行對比分析.

1. 植筋構(gòu)件耐火極限的簡化計算方法

1.1 高溫中單根植筋的承載力

在之前的研究中，劉長青等[15]推導(dǎo)了單根植筋的極限承載力理論公式：

（1）

式中：

如已知構(gòu)件的截面溫度分布，可以通過以上公式計算極限承載力變化.

綜上所述，植筋試件的耐火極限計算流程如下. 首先，根據(jù)式（1）計算出單根植筋極限承載力隨溫度的變化. 然后，根據(jù)單根植筋極限承載力和混凝土的溫度分布計算構(gòu)件關(guān)鍵截面的極限承載力隨溫度的變化，如式（2）～（13）所示. 當(dāng)植筋梁的承載力無法承受設(shè)計荷載時，認(rèn)為試件達(dá)到極限狀態(tài)，對應(yīng)的火災(zāi)持續(xù)時間為試件的耐火極限.

2. 試驗驗證

2.1 試驗概況

為了對提出的算法進(jìn)行驗證，本研究進(jìn)行了高溫下植筋構(gòu)件耐火極限試驗. 試驗共澆筑了6個植筋試件，即12個T形截面懸臂梁. 考慮了兩種影響因素——保護(hù)層厚度和植筋深度，見表1. 為了方便加載，試件為雙懸臂梁，尺寸如圖6所示.

試件受火與加載裝置如圖7所示， 在每個試件基材的中線對稱布置2只引伸式位移計，用于測量試驗過程中基材位移的變化，如圖7中的B1、B2和B3、B4.

對試件進(jìn)行加載，加載點到懸臂梁根部的距離為840 mm，待加載到設(shè)定荷載46 kN后，維持荷載不變. 采用ISO834國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對植筋構(gòu)件進(jìn)行火災(zāi)試驗，記錄梁截面內(nèi)溫度場、植筋試件基材位移、受火時間、以及鋼筋和植筋膠溫度等.

2.2 試驗結(jié)果與對比分析

2.2.1 試驗結(jié)果

試驗中測量了植筋梁底部植筋膠的溫度，變化曲線如圖 8所示. 植筋膠溫度隨著受火時間的變化與鋼筋溫度相似. 剛開始時，溫度增加緩慢，當(dāng)受火時間超過10 min后，隨著受火時間的增加，植筋溫度開始非線性上升. 當(dāng)受火時間到40 min時，升溫曲線上出現(xiàn)一個恒溫段. 經(jīng)過恒溫段后，溫度繼續(xù)上升，直至達(dá)到耐火極限.

測得的基材位移隨受火時間的變化如圖9所示. 當(dāng)植筋試件基材的豎向位移達(dá)到跨度的1/20，即84 mm時[21]，認(rèn)為試件達(dá)到了耐火極限. 可以看到，在剛開始的10 min內(nèi)，基材位移基本不變. 隨著熱量向混凝土內(nèi)部的傳遞，各個試件的基材位移開始出現(xiàn)分化. 6個試件的耐火極限見表2. 當(dāng)試驗進(jìn)行到137 min時，60 mm 20d試件的基材位移仍然小于指定的84 mm，于是對該試件增加荷載至破壞.

2.2.2 耐火極限對比

如前文所述，根據(jù)式（1）可計算出單根植筋極限拉力隨溫度的變化. 圖10中繪制了植筋深度分別為15d和20d的單根植筋極限拉力-溫度曲線. 根據(jù)式（2）～（13），通過單根植筋極限拉力和混凝土的溫度分布計算構(gòu)件關(guān)鍵截面的極限承載力，圖11給出了截面的極限承載力與植筋膠溫度的關(guān)系.

計算表明，對于同一保護(hù)層厚度的植筋試件，在未受火的情況下，試件的極限承載力相同，但隨著溫度的升高，植筋膠性能開始弱化，不同植筋深度構(gòu)件的極限承載力降幅不同，15d植筋試件的承載力小于20d植筋試件. 此外，對于相同植筋深度的植筋試件，雖然保護(hù)層的增加會減小鋼筋的抗彎力臂，導(dǎo)致常溫承載力的降低，但在高溫環(huán)境下，較厚的保護(hù)層可以有效地降低植筋的升溫速率，從而導(dǎo)致更高的耐火極限.

圖11中，橫虛線表示試驗荷載對應(yīng)的關(guān)鍵截面彎矩. 當(dāng)截面的極限承載力低于該彎矩時，可認(rèn)為試件達(dá)到耐火極限，見表1. 耐火極限對應(yīng)的植筋膠溫度見表2.

由表1可知，計算值與試驗值吻合較好，除40 mm 20 d植筋試件外，其他試件的差值一般都在15 min以內(nèi)，誤差小于15%. 這說明，該方法可有效地進(jìn)行植筋構(gòu)件的耐火極限預(yù)測.

3. 結(jié) 論

通過理論分析和試驗比較，探討了高溫下植筋連接構(gòu)件的耐火極限預(yù)測方法，得出以下主要結(jié)論：

1）采用等效截面法結(jié)合單根植筋極限承載力計算公式提出的耐火極限預(yù)測方法，可定量計算高溫下植筋連接構(gòu)件的耐火極限.

2）植筋連接構(gòu)件耐火極限試驗表明，保護(hù)層厚度和植筋深度的增加均可提高構(gòu)件的耐火極限. 當(dāng)保護(hù)層不超過40 mm時，耐火極限受保護(hù)層的影響較大. 同種保護(hù)層情況下，植筋深度的增加可增加植筋構(gòu)件的耐火極限，且當(dāng)保護(hù)層大于40 mm后，增加植筋深度可顯著增加植筋構(gòu)件的耐火極限.

3）由本文計算得到的耐火極限與試驗值能較好地吻合，其誤差都在15%左右，差值一般都在15 min以內(nèi)，可用該方法進(jìn)行植筋構(gòu)件的耐火極限計算.

參考文獻(xiàn)

[1] 熊學(xué)玉，許立新，胡家智. 化學(xué)植筋的拉拔試驗研究[J]. 建筑技術(shù)，2001，31（6）：383-384.

XIONG X Y， XU L X， HU J Z. Pull-out experiment study of chemically bonded rebar[J]. Architecture Technology， 2001，31（6）： 383-384.（In Chinese）

[2] 謝群. 化學(xué)植筋式后錨固連接群錨受力性能試驗研究[D]. 上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2006：38-50.

XIE Q. Experimental study on behavior of bonded-in reinforcement anchorage group[D]. Shanghai： College of Civil Engineering， Tongji University， 2006：38-50.（In Chinese）

[3] 司偉建，周新剛，黃金枝，等. 混凝土結(jié)構(gòu)植筋黏結(jié)錨固性能的試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2001，31（3）：9-12.

SI W J， ZHOU X G， HUANG J Z， et al. Experimental study on post-embedding technology with epoxy mortar as bonding agent[J]. Building Structure， 2001， 31（3）： 9-12.（In Chinese）

[4] 閻鋒，張惠英，王稚，等. 結(jié)構(gòu)膠植筋混凝土柱受往復(fù)荷載作用的試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)，2003，33（10）：37-39.

YAN F， ZHANG H Y， WANG Z， et al. Experimental research on the behavior of RC columns with post-installed chemically bonded longitudinal rebars under reciprocating load [J]. Building Structure， 2003， 33 （10）： 37 – 39.（In Chinese）

[5] 張建榮，吳進(jìn)，楊建華，等.植筋搭接混凝土梁靜力及疲勞受彎試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2005，26（5）：38-45.

ZHANG J R， WU J， YANG J H， et al. Experimental research on the behavior of concrete beams with adhesive reinforcement under static and fatigue bending loads[J]. Journal of Building Structure， 2005， 26（5）：38-45.（In Chinese）

[6] EN 1992-1-2：2004 Eurocode 2： Design of concrete structures， Part 1-2： general rules-structural fire design[S]. Brussels： European Committee for Standardization，2004：30-34.

[7] EN 1993-1-2：2005 Eurocode 3： Design of steel structures， Part 1-2： general rules-structural fire design[S]. Brussels： European Committee for Standardization，2005：27-44.

[8] FISHER. Technical Handbook-Asia [M]. 4th ed. Waldachtal： Fisher Group of Companies，2008：10-15.

[9] KUNZ J. Fire design： state of the art [J]. Fastening Academy - Shanghai I 10th November， 2006：11-16.

[10] 鄭文忠，侯曉萌，王英. 混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)抗火研究現(xiàn)狀與展望[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，48（12）：1-18.

ZHENG W Z， HOU X M， WANG Y. Progress and prospect of resistance of reinforced concrete and prestressed concrete structures[J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2016，48（12）：1-18.（In Chinese）

[11] 侯曉萌，鄭文忠.火災(zāi)后預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)板力學(xué)性能試驗與分析[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，37（2）：6-13.

HOU X M， ZHENG W Z. Experiment on and analysis of the mechanical performance of unbonded prestressed concrete continuous slab after elevated temperature[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2010，37（2）：6-13.（In Chinese）

[12] 袁廣林，劉濤，閆玉紅. 高溫后RC植筋邊節(jié)點反復(fù)荷載的試驗研究[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008， 37（1）：19-23.

YUAN G L， LIU T， YAN Y H. Experimental study of behaviors of RC structures exterior joints with post-embedded bars under cyclic loading after treatment at high temperature[J]. Journal of China University of Mining & Technology， 2008， 37（1）：19-23.（In Chinese）

[13] 閆玉紅. 焊接高溫對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)植筋錨固性能影響的分析[J]. 水利與建筑工程學(xué)報，2010，8（1）：84-86.

YAN Y H. Analysis on influence of high welding temperature on anchorage behaviors of post-embedded bars in reinforced concrete structures[J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering， 2010，8（1）：84-86.（In Chinese）

[14] 劉長青，余江滔，陸洲導(dǎo)，等. 高溫下植筋黏結(jié)-滑移性能試驗研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2010， 38（11）：1579-1585.

LIU C Q， YU J T， LU Z D， et al. Experimental study on bond-slip behavior of Post-installed rebar at high temperature [J]. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2010，38（11）： 1579-1585.（In Chinese）

[15] 劉長青，王孔藩，陸洲導(dǎo). 高溫中單根植筋極限承載力計算方法分析[J].結(jié)構(gòu)工程師， 2011，27（5）：85-89.

LIU C Q， WANG K F， LU Z D. Design method of single post-installed rebar exposed to high temperature [J]. Structural Engineers， 2011， 27（5）：85-89.（In Chinese）

[16] 陸洲導(dǎo)，劉媛，余江滔，等. 火災(zāi)中植筋連接構(gòu)件的抗火性能試驗研究[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2012，32（6）：686-692.

LU Z D， LIU Y， YU J T， et al. Experimental study on the anti-fire performance of post-installed rebar connection members in a fire [J]. Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering， 2012， 32（6）： 686-692.（In Chinese）

[17] 劉長青.火災(zāi)（高溫）下植筋連接構(gòu)件抗火性能試驗與理論研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，2010：46-70.

LIU C Q. Experimental study on fire resistance behavior of post-installed rebar connection exposed to fire （high temperature） [D]. Shanghai： College of Civil Engineering， Tongji University， 2010：46-70.（In Chinese）

[18] DBJ/T 15-81—2011 建筑混凝土結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011：41-54.

DBJ/T 15-81—2011 Code for fire resistance design of concrete building structures[S]. Beijing： China Architecture & Building Press，2011：41-54.（In Chinese）

[19] 王曉璐，查曉雄，朱庸. GFRP筋混凝土梁耐火性能計算方法[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2014，35（3）：119-127.

WANG X L， ZHA X X， ZHU Y. Calculation methods for fire resistance of GFRP reinforced concrete beams [J]. Journal of Building Structures， 2014， 35（3）： 119-127.（In Chinese）

[20] 毛小勇，肖巖.標(biāo)準(zhǔn)升溫下輕鋼-混凝土組合梁的抗火性能研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2005，32（2）：64-70.

MAO X Y， XIAO Y. Behavior of lightweight steel-concrete composite beams subjected to standard fire[J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences）， 2005，32（2）：64-70.（In Chinese）

[21] ISO 834-1—1999 Fire resistance tests， elements of building construction： Part 1 general requirements [S]. Geneva，Switzerland： International Organization for Standardization， 1999： 22-23.