鋼筋混凝土連續(xù)梁火災(zāi)下抗剪性能的試驗(yàn)研究

楊志年 韓 旭 舒 升 王興國，* 祝煥然

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

0 引 言

鋼筋混凝土連續(xù)梁是建筑結(jié)構(gòu)中應(yīng)用最廣泛的梁構(gòu)件形式，其火災(zāi)下的力學(xué)性能對建筑結(jié)構(gòu)的整體抗火性能影響顯著。目前國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋混凝土梁的抗火性能進(jìn)行了大量相關(guān)研究［1-8］，但研究主要針對獨(dú)立梁的高溫下抗彎性能，而對于鋼筋混凝土連續(xù)梁火災(zāi)下的抗剪性能研究較少。

溫度對鋼筋混凝土梁抗剪承載力的影響主要體現(xiàn)在材料性能和抗剪傳力機(jī)理兩方面。火災(zāi)下隨著溫度的升高，梁內(nèi)混凝土和鋼筋的力學(xué)性能下降，導(dǎo)致梁斜裂縫上部剪壓區(qū)混凝土截面承受的剪力下降?；馂?zāi)下梁的裂縫數(shù)量增多，裂縫寬度增大，造成混凝土骨料咬合力下降。火災(zāi)引起的高溫還會(huì)降低混凝土與鋼筋的黏結(jié)性能，從而削弱了縱筋的銷栓作用。高溫下箍筋和彎起鋼筋等抗剪腹筋的力學(xué)性能下降，也降低了鋼筋混凝土梁的抗剪性能。與簡支梁相比，連續(xù)梁由于具有正負(fù)兩個(gè)方向的彎矩，受力更復(fù)雜，剪力傳遞機(jī)理明顯不同于簡支梁，尤其火災(zāi)下，受高溫的影響，連續(xù)梁的內(nèi)力分布將變得更為復(fù)雜。連續(xù)梁高溫下產(chǎn)生的塑性內(nèi)力重分布不僅可以改變梁彎矩內(nèi)力的分布，還會(huì)對梁的剪力內(nèi)力分布及抗剪性能產(chǎn)生重要影響。

本文對8根足尺鋼筋混凝土連續(xù)梁以及4根足尺鋼筋混凝土簡支梁進(jìn)行了恒載-升溫條件下的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)，研究了荷載比、剪跨比、混凝土保護(hù)層厚度、配箍率及受火工況等對鋼筋連續(xù)梁火災(zāi)下抗剪性能的影響，對比分析了連續(xù)梁與簡支梁高溫下抗剪性能的異同，為鋼筋混凝土梁的抗火設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

為研究鋼筋混凝土連續(xù)梁火災(zāi)下的抗剪性能，共設(shè)計(jì)制作了8根足尺鋼筋混凝土連續(xù)梁，為對比連續(xù)梁與簡支梁高溫下的抗剪性能，同時(shí)設(shè)計(jì)制作了4根鋼筋混凝土簡支梁。連續(xù)梁與簡支梁的長度分別為4.5 m和2.5 m，計(jì)算跨度分別為4 m和2 m，各梁的截面尺寸均為300 mm×150 mm。試驗(yàn)梁混凝土均采用C30商品混凝土，混凝土實(shí)測抗壓強(qiáng)度為33.5 MPa，含水率為3.4%。梁內(nèi)縱筋均采用直徑為22 mm的HRB400級(jí)鋼筋，實(shí)測屈服強(qiáng)度為430 MPa，抗拉強(qiáng)度為570 MPa，彈性模量為2.0×105N/mm2。梁內(nèi)箍筋均采用直徑為6 mm的HPB300級(jí)鋼筋，實(shí)測屈服強(qiáng)度為383 MPa、抗拉強(qiáng)度460 MPa。試驗(yàn)梁的截面尺寸及配筋見圖1。

圖1 試驗(yàn)梁截面尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Section size and reinforcement arrangement of the beam（Unit：mm）

考慮不同荷載比、剪跨比、混凝土保護(hù)層厚度、箍筋間距以及受火工況對鋼筋混凝土連續(xù)梁火災(zāi)下抗剪性能的影響，共進(jìn)行了8根足尺鋼筋混凝土連續(xù)梁的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)，梁編號(hào)分別為L1-L8。其中連續(xù)梁L2的荷載比為0.7，其他各連續(xù)梁荷載比均為0.6；連續(xù)梁L3的剪跨比為2.5，其他各梁的剪跨比均為2.0；連續(xù)梁L6和L7的混凝土保護(hù)層厚度分別為30 mm和40 mm，其他各梁的混凝土保護(hù)層厚度均為20 mm；連續(xù)梁L4和L5的箍筋間距分別為100 mm和300 mm，其他各梁的箍筋間距均為200 mm；連續(xù)梁L8的受火工況為單跨受火，其他各梁的受火工況均為兩跨同時(shí)受火。為對比鋼筋混凝土連續(xù)梁與簡支梁火災(zāi)下抗剪性能的異同，同時(shí)進(jìn)行了4根鋼筋混凝土簡支梁的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)，梁編號(hào)分別為J1、J3、J5和J7。各試驗(yàn)梁的參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)梁的參數(shù)設(shè)計(jì)Table 1 Parameter design of test beam

2 試驗(yàn)方法

所有試驗(yàn)均為鋼筋混凝土梁在恒載-升溫條件下的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)，火災(zāi)升溫曲線采用ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，加載方式為在梁跨內(nèi)施加對稱的兩點(diǎn)集中荷載，試驗(yàn)中利用油壓千斤頂、荷載分配梁及鋼輥軸將恒定荷載施加至試驗(yàn)梁的頂部。集中荷載的施加位置，可以根據(jù)試驗(yàn)梁剪跨比的不同而進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)歐洲規(guī)范［9］，進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土梁最大容許荷載為

式中：Ed為常溫設(shè)計(jì)下梁所能承擔(dān)的最大荷載值；ηft為火災(zāi)下荷載效應(yīng)的折減系數(shù)（通常情況下，倉庫取為0.7，其余情況取為0.6）。

本文火災(zāi)試驗(yàn)中，鋼筋混凝土梁施加的恒定荷載根據(jù)式（1）計(jì)算，連續(xù)梁L2的火災(zāi)折減系數(shù)取為0.7，其他試驗(yàn)梁均取為0.6。為保證試驗(yàn)梁靠近支座處的受剪區(qū)域均勻受熱，火災(zāi)下，將專門設(shè)計(jì)制作的耐火鋼支座布置在試驗(yàn)爐膛內(nèi)部，為了防止支座受熱變形，在支座外部包裹硅酸鋁耐火巖棉進(jìn)行保護(hù)。梁的試驗(yàn)裝置見圖2和圖3。

圖2 梁試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test setup

圖3 梁試驗(yàn)裝置全景圖Fig.3 Photo of test setup

火災(zāi)下，各試驗(yàn)梁均采用三面受火，受火過程中，梁內(nèi)混凝土與鋼筋的溫度均由預(yù)先埋設(shè)在梁內(nèi)的K形熱電偶進(jìn)行量測，混凝土溫度沿截面水平和豎直方向分別等間距布置7個(gè)測點(diǎn)，見圖4。試驗(yàn)前，每根試驗(yàn)梁均在梁底部專門布置熱電偶，

圖4 梁內(nèi)熱電偶布置（單位：mm）Fig.4 Thermocouple arrangment in the beam（Unit：mm）

試驗(yàn)過程中，梁的豎向撓度由布置在梁頂?shù)奈灰苽鞲衅鳒y量，位移測點(diǎn)分別布置在梁的加載點(diǎn)及跨中處，為了修正梁的中間撓度，在梁的各支座處也布置了位移傳感器，見圖5。梁的軸向變形由布置在梁端的專門設(shè)計(jì)的軸向位移測量裝置量測，見圖6。

圖5 梁的位移傳感器布置（單位：mm）Fig.5 Arrangment of displacement transducers（Unit：mm）

圖6 梁端軸向變形測量裝置Fig.6 Measuring device for axied deformation of beam end

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 爐溫

圖7 為連續(xù)梁L1火災(zāi)試驗(yàn)中爐溫隨時(shí)間的變化曲線。由圖可以看出，火災(zāi)試驗(yàn)爐爐溫與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合較好。其余各梁的火災(zāi)試驗(yàn)爐溫曲線均與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線差別不大，不再一一繪出。

圖7 試驗(yàn)爐溫隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Furnace temperature-time curve

3.2 破壞形態(tài)

圖8 為各連續(xù)梁在火災(zāi)下的裂縫開展形態(tài)及破壞模式，可以看出，受火過程中各試驗(yàn)梁均產(chǎn)生了受剪斜裂縫，破壞形態(tài)均為剪切破壞，所有連續(xù)梁的主斜裂縫均出現(xiàn)在靠近梁中間支座處。剪跨比較小的梁斜裂縫延伸長度較短，沿梁側(cè)表面走向陡峭，裂縫寬度較大；剪跨比較大的梁斜裂縫延伸長度較長，沿梁側(cè)表面走向平緩，裂縫寬度較小。個(gè)別試驗(yàn)梁在火災(zāi)下發(fā)生輕微爆裂，觀察梁受火表面，部分區(qū)域出現(xiàn)混凝土脫落現(xiàn)象。

圖8 試驗(yàn)梁的破壞形態(tài)Fig.8 Failure mode of test beams

3.3 混凝土和鋼筋溫度

圖9為火災(zāi)下連續(xù)梁內(nèi)混凝土溫度-時(shí)間關(guān)系曲線，由圖可見，試驗(yàn)過程中，受梁內(nèi)水分蒸發(fā)的影響，混凝土溫度曲線在100℃左右出現(xiàn)明顯水平段。由于混凝土的熱惰性，受火過程中混凝土溫度沿梁截面表現(xiàn)出顯著的非線性分布。至試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，三面受火的試驗(yàn)梁，梁底與梁頂?shù)幕炷磷畲鬁夭畛^700℃。

圖9 混凝土溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Temperature-time curves of concrete

圖10 為試驗(yàn)過程中，梁內(nèi)縱筋和箍筋溫度隨時(shí)間變化曲線，由圖可見，三面受火的連續(xù)梁梁內(nèi)箍筋溫度沿周長分布并不均勻，箍筋頂部由于遠(yuǎn)離受火面靠近背火面，溫度明顯低于箍筋中部和底部。同樣，受梁內(nèi)混凝土水分蒸發(fā)影響，鋼筋升溫曲線在100℃時(shí)均出現(xiàn)水平臺(tái)階，越靠近受火面，鋼筋溫度曲線中水平臺(tái)階的持續(xù)時(shí)間越短。

圖10 鋼筋溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Temperature-time curves of bars

3.4 變形

火災(zāi)下連續(xù)梁的豎向撓度隨時(shí)間變化曲線如圖11所示，由圖可知，在恒定荷載作用下，隨著溫度的升高，各連續(xù)梁產(chǎn)生的豎向位移較小，撓度變化不大?；馂?zāi)后期，由于梁內(nèi)混凝土和鋼筋在高溫下的材料力學(xué)性能顯著下降，梁發(fā)生剪切破壞，豎向撓度突然顯著增長，表現(xiàn)出典型的脆性破壞特征?；馂?zāi)下，各梁產(chǎn)生的軸向變形均較小，可以忽略不計(jì)。

圖11 梁的豎向撓度隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Vertical displacement-time curves

3.5 梁的耐火極限

由于火災(zāi)下無法清楚觀測試驗(yàn)梁表面裂縫開展情況，因此以梁豎向撓度突然增大、無法繼續(xù)承擔(dān)豎向荷載作為破壞條件，得到各試驗(yàn)梁的最終耐火極限，見表2。由表可知，荷載比對鋼筋混凝土連續(xù)梁的耐火極限影響顯著，相同條件下，荷載比為0.7的梁L2耐火極限比荷載比為0.6的梁L1降低了67.14%。隨著剪跨比的增大，連續(xù)梁的耐火極限降低，剪跨比為2.5的梁L3耐火極限比剪跨比為2.0的梁L1下降21.43%。隨著箍筋間距的減小，連續(xù)梁的耐火極限提高，相同條件下，箍筋間距為100 mm的梁L4耐火極限與箍筋間距為200 mm的L1和箍筋間距為300 mm的L5相比，分別提高34%和51.9%。與常溫下不同，隨著混凝土保護(hù)層厚度的增加，鋼筋混凝土連續(xù)梁高溫下的抗剪性能顯著提高，相同條件下，混凝土保護(hù)層厚度為40 mm的梁L7耐火極限比保護(hù)層厚度為30 mm的梁L6和保護(hù)層厚度為20 mm的梁L1分別提高28%和49.64%。相同條件下，鋼筋混凝土兩跨連續(xù)梁雙跨同時(shí)受火時(shí)的耐火極限比單跨受火情況下降低22%。由于火災(zāi)下發(fā)生了復(fù)雜的內(nèi)力重分布，與簡支梁相比，鋼筋混凝土連續(xù)梁高溫下的抗剪性能提高，連續(xù)梁L1、L3、L5和L7的耐火極限分別比相同條件下的簡支梁J1、J3、J5和J7提高8.6%、14.5%、11.8%和35.3%。

表2 梁的耐火極限Table 2 Fire resistance of beams

4 結(jié) 論

對8根足尺鋼筋混凝土兩跨連續(xù)梁和4根足尺鋼筋混凝土簡支梁進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)試驗(yàn)，研究了荷載比、剪跨比、箍筋間距、混凝土保護(hù)層厚度以及受火工況等對鋼筋混凝土連續(xù)梁高溫下抗剪性能的影響，得到以下結(jié)論：

（1）火災(zāi)下鋼筋混凝土連續(xù)梁截面溫度呈非線性分布。連續(xù)梁高溫下發(fā)生剪切破壞時(shí)，主斜裂縫一般出現(xiàn)在靠近梁中間支座處。

（2）荷載比對鋼筋混凝土連續(xù)梁高溫下的抗剪性能影響顯著，荷載比越大，恒定荷載下梁內(nèi)產(chǎn)生的初始微裂縫越多，寬度越大，導(dǎo)致熱量從梁表面向梁內(nèi)部傳導(dǎo)更充分，混凝土和鋼筋的溫度更高，材料力學(xué)性能下降更多，梁發(fā)生抗剪破壞時(shí)的耐火極限顯著降低。

（3）火災(zāi)下隨著剪跨比和箍筋間距的增加，連續(xù)梁的抗剪性能下降。提高混凝土保護(hù)層厚度能顯著提高連續(xù)梁高溫下的抗剪性能，相同條件下，混凝土保護(hù)層厚度為40 mm的梁耐火極限比保護(hù)層厚度為30 mm和20 mm的梁分別提高28%和49.64%。

（4）雙跨同時(shí)受火時(shí)，鋼筋混凝土兩跨連續(xù)梁的抗剪性能與單跨受火時(shí)相比顯著下降。由于火災(zāi)下發(fā)生了復(fù)雜的內(nèi)力重分布，鋼筋混凝土連續(xù)梁在高溫下的抗剪性能優(yōu)于簡支梁。