HRBF500级钢筋混凝土梁受火后力学性能试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 2 期 2012 年 2 月 Vol. 33No. 2Feb． 2012 007 文章编号 1000-6869 2012 02-0050-06 HRBF500 级钢筋混凝土梁受火后力学性能试验研究 王全凤 1，邱 毅 2，徐玉野2，王凌云3，陈 凡 2 1． 华侨大学 厦门工学院，福建厦门 361021; 2． 华侨大学 土木工程学院，福建泉州 362021; 3． 上海应用技术学院 土木建筑与安全工程学院，上海 201418 摘要 以 HRBF500 级钢筋混凝土梁为研究对象进行了常温下和受火后细晶粒钢筋混凝土梁的力学性能试验。在不同的受 火时间作用下进行了 5 根细晶粒钢筋混凝土梁的明火试验， 自然冷却至室温， 然后进行静载试验。通过试验， 观察其受火 破坏现象、 静载破坏形态和在不同工况下混凝土梁受火后剩余承载力的变化;进行了 2 根细晶粒钢筋混凝土梁常温下的静 载试验， 得到荷载- 挠度曲线关系， 并与受火后的细晶粒钢筋混凝土梁剩余承载力进行比较。试验结果表明 高温对细晶粒 钢筋混凝土梁的损伤很大， 受火时间、 配筋率、 预加荷载对混凝土梁耐火性能有影响; 受火时间越长， 其剩余承载力越小; 配 筋率越小， 其火灾后的剩余承载力越小; 预加荷载降低梁的剩余承载力。 关键词 细晶粒钢筋;受火时间;受火试验;剩余承载力 中图分类号 TU375. 1TU317. 1文献标志码 A Experimental research on mechanical properties of HRBF500 concrete beam after fire WANG Quanfeng1，QIU Yi2，XU Yuye2，WANG Lingyun3，CHEN Fan2 1． Xiamen Institute of Technology，Huaqiao University，Xiamen 361021，China; 2． College of Civil Engineering，Huaqiao University，Quanzhou 362021，China; 3． College of Urban Construction and Safety Engineering，Shanghai Institute of Technology，Shanghai 201418，China AbstractThis paper conducts an experimental study on the mechanical properties of the fine grain reinforced concrete beam with HRBF500 at normal temperatures and after fire． The experiments of five fine grain reinforced concrete beams under fire with different time were accomplished． The static loading test was done when the beams were cooled to room temperature naturally． Its macroscopical phenomenon and the static failure modes were investigated through the tests． Hence，the variation of the bearing capacity of the fine grain reinforced concrete beams by the fire was obtained under different conditions． The tests of two fine grain reinforced concrete beams under loads without fire were carried out． The load- deflection curves were obtained and compared with the results after fire． The results show that the concrete beams can be seriously damaged by fire． The effects of the time of fire，bar ratio and preloading on the fire resistance are revealed． Some conclusions are drawnThe longer it is exposed to fire，the weaker its residual bearing capacity is． The smaller the bar ratio is，the weaker its residual bearing capacity is;A preloading will reduce the residual bearing capacity of the fine grain reinforced concrete beam． Keywordshot rolled bars of fine grains;time of fire;fire test;residual bearing capacity 基金项目 国家高技术研究发展计划 863 项目 2007AA03Z550 ， 福建省青年科技人才创新项目 2007F3064 。 作者简介 王全凤 1945 ， 男， 福建莆田人， 工学博士， 教授。E- mail qfwang hqu. edu. cn 收稿日期 2010 年 7 月 05 0引言 目前， 对普通钢筋混凝土构件在高温下和高温 后力学性能的试验研究比较多 ［1-4 ］， 但是由于火灾的 复杂性以及混凝土材料性能的离散性使得其在火灾 下和火灾后的力学性能有较大变化。在火灾过程中 加载以及持荷时间等对结构构件的抗火性能及火灾 后的受力性能产生较大影响。已有火灾试验研究表 明 ［1 ］， 影响火灾后混凝土梁的力学性能因素较多， 诸 如混凝土保护层厚度 ［2 ］、 受火受载途径［3 ］、 冷却方 式 ［4 ］、 受火时间、 配筋率等。 细晶粒钢筋通过细化晶粒既能提高其强度， 又 能改善其塑性与韧性， 国内外许多学者近年来对晶 粒的超细化进行了深入细致的研究。但对细晶粒钢 筋在混凝土构件中应用，特别是细晶粒钢筋混凝土 构件在高温下和高温后性能的试验研究鲜见报 道 ［5 ］。本文对细晶粒钢筋混凝土梁火灾后力学性能 进行试验研究。通过受火试验和静载试验， 分析受 火时间、 配筋率以及初始荷载对细晶粒钢筋混凝土 梁受火后剩余承载力的影响， 研究混凝土和细晶粒 钢筋在冷却过程中力学性能的变化规律， 为理论分 析提供参考依据， 也为受火后混凝土梁的损伤鉴定 和加固提供参考。 1试验概况 1. 1试件设计 试验设计了 7 根足尺的细晶粒钢筋混凝土梁试 件， 截面尺寸均为250 mm 400 mm， 梁长5 m， 采用单 筋矩形截面。梁纵向受力钢筋采用直径 20 mm 的 2 根或者 3 根 HRBF500 级细晶粒钢筋， 混凝土净保护 层厚度为 30 mm; 架立筋采用 16 mm 的 HRB400 热轧 螺纹钢; 箍筋为 8 mm 的 HRBF500 细晶粒钢筋， 采用 四边形封闭箍筋， 间距 100 mm 或 200 mm。试件基本 参数见表 1， 试件截面尺寸和配筋如图 1 所示。钢筋 的材性特征见表 2。 图 1试件截面尺寸和配筋图 Fig． 1Section and detailing of specimen 1. 2试验装置及试验过程 在 7 个试件中， 试件 JL- 1、 JL- 2 为常温下静载试 验， 作为受火后的对比试件; 试件KL-1、 KL- 2、 KL-3 表 1试件基本参数 Table 1Basic parameter for specimens 试件 编号 混凝土 强度等级 试验 工况 预加荷 载/kN 受力 纵筋 配筋率 ρ / 受火时间/ min JL- 1常温静载3 F20 1. 047 JL- 2常温静载2 F20 0. 698 KL- 1高温后静载3 F20 1. 04760 KL- 2C30高温后静载3 F20 1. 04790 KL- 3高温后静载3 F20 1. 047120 KL-4高温后静载2 F20 0. 69860 KL- 5高温后静载1003 F20 1. 04760 表 2钢筋材料特性 Table 2Material characteristics of steel bar 钢筋规格 屈服强度/MPa 极限强度 fu/MPa 弹性模量 E /MPa 164535801. 86 105 F8 4926351. 6 105 F20 5186512. 07 105 配筋率相同， 以模拟梁在相同条件耐火性能随受火 时间不同的变化; 试件 KL-4 考察配筋率对混凝土梁 在高温后力学性能的影响; 试件 KL- 5 考虑预加荷载 对混凝土梁耐火性能的影响。 混凝土梁的高温试验系统由加热、 测量、 控制三 部分组成。试验采用水平火灾试验炉，炉内尺寸长 宽 高 4. 0 m 3. 0 m 1. 5 m。炉内设置 8 个燃气 喷口， 沿炉壁长边方向布置探测炉温变化的热电偶， 反力架承受最大 500 kN 试验荷载。试验过程中通过 控制燃气喷口进气量控制炉内温度， 使炉温按规定 的时间- 温度关系曲线升温。试验装置见图 2。 图 2试验装置 Fig． 2Test setup 对试件 KL- 1 ～ KL- 5 进行高温明火试验， 试件三 面受火， 即梁底面及侧面。试验采用恒载升温的路 径进行。炉内升温 ISO 834 标准温升曲线见图 3［6 ］。 具体试验过程如下 1 将构件吊装到位， 完成试件定位， 各仪表安 装就绪。 2梁荷载稳定 15 min 以后开始按 ISO 834 标 准温升曲线加热试验炉。在火灾试验过程中荷载误 差不超过 5。 15 图 3 ISO 834 标准温升曲线 Fig． 3Standard ISO 834 curve of elevated temperature 3 根据 GB/T 99782008建筑构件耐火试验 方法 ［7 ］试验梁的挠度达到 L /20 225 mm， 或无法 持荷情况下， 即认为试件达到耐火极限。 测试截面温度的热电偶采用 WRNK- 101 型铠装 热电偶。按试验方案将热电偶布置在试件跨中截面 位置， 试件 KL- 1、 KL- 2 和 KL- 5 设置 4 个测点， 试件 KL- 3、 KL-4 设置 3 个测点， 其具体位置见图 4 热电偶 的布置和编号示意图。热电偶的热端应保证有 50 mm一段处于等温区内。在试验过程中， 系统每分 钟自动采集 1 次数据。 试件 KL- 1、 KL-4 和 KL- 5 预 定 受 火 时 间 为 60 min、 试件 KL- 2 预定为 90 min， 试件 KL- 3 预定为 120 min。受火试件实际遭受的最高温度值与受火时 间有关，受火时间 60 min、 90 min 和 120 min，试件的 最高温度分别为 914 ℃、 983 ℃和1 161 ℃。待受火时 间达到预定的时间即关闭燃气阀停止试验， 在鼓风机 作用下冷却试件， 直至冷却至室温， 停止采集数据。 1. 3加载方法及量测 静载试验包括受火冷却后的静载试验和常温下 的静载试验。试件 KL- 5 在受火前预加荷载， 首先按 三分点加载的方式对试件施加 20 的预定荷载， 压 实石棉， 然后正式加载到预定荷载。每级加载为破 坏荷载的 15， 每级加载后持荷 10 min。加载到试 件设定的荷载后保持不变。 常温下以及受火试验后的静载试验， 采用三分 点进行加载。试件加载装置示意图如图 5 所示。常 温下试件静载试验按照 GB 501521992混凝土结 构试验方法标准 规定的加载制度 ［8 ］ 在试件开裂前 以预估开裂荷载的 10为加荷级差; 在开裂后， 以预 估破坏荷载的 15为加荷级差; 在临近破坏时， 适当 减小级差。每级荷载持荷 10 min， 试件开裂前后及破 坏时适当延长持荷时间， 待变形稳定后继续加载。 加载时通过分配梁将千斤顶的压力分配到试件 计算跨度三分点处， 通过量程为 300 kN 的传感器接 入 DH- 3816 静态自动数据采集箱监测和控制荷载。 用位移计测量挠度， 在支座的两边各安装 2 个位移 计， 用以量测支座的沉降， 并检查梁是否发生平面外 a试件 KL- 1、 KL- 2 和 KL- 5 b试件 KL- 3、 KL-4 测点位置 测点位置 c铠装热电偶 图 4热电偶及其布置和编号示意图 Fig． 4Thermocouple and its layout diagram 图 5试件加载装置示意图 Fig． 5Loading equipment diagram of specimen 的扭转，跨中及加载点安装位移计。位移计接 DH- 3816 静态自动数据采集箱， 通过计算机应变测量系 统记录。试验过程观察裂缝， 由实验人员跟踪观察 裂缝并借助读数显微镜量测裂缝宽度。 2试验结果及分析 2. 1试验现象 受火试验中观察到的现象大致相同， 现以试件 KL- 1 受火试验为例描述试验现象。炉膛内按照 ISO 834 标准温升曲线升温， 进行 60 min 的火灾试验。当 炉膛温度达到约 500 ℃时， 试件表面出现水蒸气， 两 端面中部渗出少量水; 当炉膛温度达到约 800 ℃时， 25 有大量明显的水蒸气从梁顶面及侧面溢出; 当温度 达到 914 ℃时， 仍有水蒸气冒出， 直到炉膛结束燃烧 30 min 后水蒸气才逐渐消失。 图 7试件截面内各测点温度变化 Fig． 7Temperature variation of measuring point at section of specimens 在升温过程中， 试件 KL- 1 底面和顶面由于温差 逐渐增大， 发生不均匀的膨胀变形， 随着受火时间增 加， 受火温度的不断上升， 梁跨中挠曲变形不断增 大。当受火过程达到了预定的时间 60 min 时， 关闭 燃气阀， 通过鼓风机排气降温。在冷却过程中， 试件 的挠曲变形逐渐恢复， 待冷却至常温时， 热应变造成 的挠曲变形大部分恢复， 但仍有少量残余变形。 由于受火过程中炉膛封闭， 因此在加热过程中 无法直接观察到试件受火面的颜色变化， 待受火试 验结束并冷却至室温后， 可观察到试件底面和侧面 均呈现浅黄色， 表面出现起鼓、 酥松、 脱落等现象。 试件底部两侧边角温度最高， 损伤最严重， 多数混凝 土呈粉末状， 手碾即碎。另外也可观察到， 整个受火 面上均分布着大量纵横交错的裂纹， 且温度越高， 裂 纹越多。试件 KL- 3 尤其明显， 在试件的侧面还有白 色的浆状物， 如图 6 所示。 试件经过受火和静载试验破坏后， 凿开下部混 凝土直至露出钢筋为止。在凿入的过程中， 发现混 凝土颜色的变化主要集中在距梁底和两侧面约 5 cm 深度范围内， 再深入则无明显颜色变化。 2. 2试验结果分析 2. 2. 1试件跨中截面温度场 由于混凝土材料具有热惰性， 在火灾作用下， 试 件截面的温度场不均匀， 靠近受火面的测点温度高， 内部测点的温度较低， 形成温度梯度。试件跨中截 图 6试件 KL- 3 受火试验及试验现象 Fig． 6Fire experiment and its test phenomenon of KL- 3 面实际温度场如图 7 所示。 由图 7 可见， 试件跨中截面的温度， 测点 1 和测 点 2 升温最快， 达到最高温度后降温相对也比较快。 以测点 1 为例， 受火时间最长的试件 KL- 3， 温度达到 800 ℃， 受火时间最短的试件 KL- 1、 KL- 4 和 KL- 5 温 度未到 500 ℃， 表明截面温度场的分布与受火时间密 切相关。 2. 2. 2试件受火后的变形 在静载试验过程中， 由于高温应变作用产生了 很多裂缝， 使得静载破坏过程中的裂缝大多沿温度 裂缝发展。图 8 为试件 JL- 1、 JL- 2、 KL- 1 ～ KL-4 在不 同受火时间的跨中挠度与荷载关系曲线，图 9 为试 件 KL- 1 和 KL-4 在相同受火条件和不同配筋率下跨 中挠度与荷载的关系曲线， 图10 为试件 KL- 1 和KL- 5 在有无预加荷载作用下跨中挠度与荷载的关系曲线。 由图 8 可知， 各试件的荷载- 挠度曲线特征相似， 每条曲线上均有较为明显的转折点。比较图 8 中各 试件的荷载- 挠度曲线， 当试件在不同的受火时间、 相 35 a受火时间不同 b配筋率不同 图 8试件跨中挠度与荷载关系曲线 Fig． 8Load- deflection relation at middle of specimens at different time of fire 图 9在相同受火条件和不同配筋率下 试件跨中挠度与荷载关系曲线 Fig． 9Load- deflection relation at middle of specimens under same fire condition and different steel ratio 同荷载作用下， 随着受火时间的增加， 试件的跨中挠 度也随之增加。试件 KL- 3 受火时间为 120 min， 跨中 挠度最大， 而常温下的试件 JL- 1， 在相同荷载作用 下， 跨中挠度最小。随着受火时间的不断增加， 其受 火后试件剩余承载力的削弱程度越大，受火时间为 120 min 试件 KL- 3 的剩余承载力是受火时间为 60 min试件 KL- 1 的 89。 由图 9 可知， 试件 KL- 1 和 KL-4 在相同受火时 间作用下， 由于配筋率的不同使得在相同荷载作用 下， 试件跨中挠度不同。配筋率越小， 跨中挠度越 图 10试件 KL- 1 和 KL- 5 在有无预加荷载作用下 跨中挠度与荷载关系曲线 Fig． 10Load- deflection relation at middle of KL- 1 and KL- 5 with preloading 大。表明配筋率也是影响混凝土梁火灾后性能的主 要因素， 在适筋梁范围内， 配筋率越小， 其受火后承 载力也随之减小。 图 10 中试件 KL- 5 是由常温下的预加荷载- 跨中 挠度曲线、 预加荷载与高温共同作用下的变形和受 火后静载试验荷载- 跨中挠度曲线三部分组成。当荷 载 100 kN 时， 跨中挠度突变， 这是试件在预加恒定荷 载作用下经历高温作用， 然后经过冷却而产生的残 余变形。试件 KL- 1 和 KL- 5 的配筋率相同， 在受火试 验时， 预加荷载分别为 0 kN 和 100 kN， 使得 KL- 5 的 承载力下降了 12. 2。预加荷载使试件在受火试验 过程中产生位移，试件受火后承载力有一定程度的 降低。 表 3试件剩余承载力 Table 3Residual bearing capacity of specimens 试件编号 预加荷载/ kN 受火时间 / min 承载力/ kN 归一化 JL- 1256. 201. 00 JL- 2175. 601. 00 KL- 160230. 380. 90 KL- 290215. 990. 84 KL- 3120206. 150. 80 KL-460149. 530. 85 KL- 510060202. 900. 79 2. 3受火后混凝土梁剩余承载力的比较 表 3 列出了各试件在受火后加载所得的剩余承 载力， 并与常温下试件的承载力进行了对比。为便 于比较，分别以对比试件 JL- 1、 JL- 2 的承载力为 1 进 行归一化处理。由表 3 可知， 随着受火时间的增加， 试件的受火后剩余承载力降幅增大， 受火时间分别 为 60 min、 90 min、 120 min 的试件， 其承载力相对于常 温下试件的承载力降幅为 10、 16、 20; 由表 3 可知， 对于低配筋率的试件 KL-4， 在受火 60 min 后， 剩余承载力相对于常温下降幅为 15; 预加荷载的 45 作用使试件承载力降幅为 21。试件承载力降幅原 因是高温作用下在试件受火面上产生大量的裂纹， 使 得静载破坏过程中裂缝大多数沿着温度裂缝发展。 3结论 1 细晶粒高强钢筋混凝土梁在经历 60 min、 90 min、 120 min 的受火时间后， 其承载力降幅为 75 ～90， 且受火时间越长， 其剩余承载力越小。 2 不同配筋率下， 试件在受火过程中表现不 同。在受火时间相同的情况下，降低混凝土梁的配 筋率， 其承载力相对于常温下混凝土梁的承载力降 低的更多。在适筋梁的范围内， 配筋率越小， 其受火 后的剩余承载力越小。 3 在其它因素相同的条件下， 预加荷载使得梁 的承载力降低 21。 参考文献 ［ 1］ 逄靖华． 火灾后混凝土板受力性能试验研究［ D］ ． 上 海同 济 大 学， 2007 25-44． PANG Jinghua． Experimental research of reinforced concrete member after fire［ D］ ． ShanghaiTongji University，200725- 44． in Chinese ［ 2］ 时旭东， 过镇海． 不同混凝土保护层厚度钢筋混凝土 梁的耐火性能［ J］ ． 工业建筑， 1996， 26 9 12- 14． Shi Xudong，Guo Zhenhai． Experimental studies on fireresistanceofreinforcedconcretebeamswith differentthicknessconcretecovers［ J］ ．Industry Construction， 1996， 26 9 12- 14． in Chinese ［ 3］ 杨建平， 时旭东， 过镇海． 两种升温- 加载途径下钢筋 混凝土压弯构件受力性能的试验及分析研究［J］ ． 工程力学，2001，18 3 81- 90． YANG Jianping， SHI Xudong，GUO Zhenhai．Experimental study on behaviourofeccentricallycompressedreinforced concrete members under different heat- loading paths ［ J］ ． Engineering Mechanics，2001，18 3 81- 90． in Chinese ［ 4］ 贾福萍， 吕恒林， 崔艳莉， 等． 不同冷却方式对高温后 混凝土性能退化研究［J］ ． 中国矿业大学学报， 2009， 38 1 25- 29． JIA Fuping，LU Henglin，CUI Yanli，et al．Research on degraded behaviors of concrete specimens heated to different temperatures and then subject to various cooling s［ J］ ． Journal of China University of Mining ＆ Technology，2009，38 1 25- 29． in Chinese ［ 5］ 王全凤， 吴红翠， 徐玉野， 等． 高温后 HRBF500 细晶 粒钢筋力学性能试验研究［ J］ ． 建筑结构学报， 2011， 32 2 120- 125． WANG Quanfeng， WU Hongcui，XU Yuye，et al． Experimental research on materialpropertiesofHRBF500afterhigh temperatures［ J］ ． Journal of Building Structures， 2011， 32 2 120- 125． in Chinese ［ 6］ ISO 834Fire- resistance tests- elements of building construction［ S］ ． BelgianPromat International， 1980． ［ 7］ GB/T 99782008建筑构件耐火试验方法［ S］ ． 北 京中国标准出版社，2008． GB/T 99782008 Test of fire resistance for construction members ［S］ ．Beijing China Standard Press， 2008． in Chinese ［ 8］ GB 501521992混凝土结构试验方法标准［S］ ． 北京中国建筑工业出版社，1992． GB 50152 1992Standard on test for concrete structures． BeijingChina Architecture ＆ Building Press，1992． in Chinese 55