火灾下再生混凝土梁抗弯性能的试验研究与分析.pdf

江苏建筑 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 5 0期 ) 火灾下再生混凝土梁抗弯性能的试验研究与分析 黄 正 徐 明 ( 东南大学土木工程学院， 江苏南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘 要1 通过试验研究了6 根再生骨料替代率分别为 O ， 5 O 和 1 0 0 钢筋混凝土梁， 得到了不同替代率下混凝土粱 的高温抗 弯性能 ， 然后结合试验数据 ， 对再生混凝土梁高温下的实测截 面温度场 、 跨 q - 挠度 以及极限耐火时间进行 了分析和 探讨 ， 对 比了普通混凝 土与再 生混凝 土的差异 最后借助温度场的理论计 算结果探讨 了高温下钢 筋混凝土 梁耐 火极 限的理 论 分析 方法。 关键 词1 再生混凝土； 试验研究； 高温； 抗弯性能 中图分类 T U 3 7 5 1 【 文献标识码】 A 文章编 1 0 0 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 1 6 0 4 Ex pe r i m e n t a l S t u dy a n d Ana l y s i s o n Fl e x ur a l Be h a v i o r o f Re c y c l e d Ag g r e g a t e Co nc r e t e Be a m s a g a i n s t Fi r e HUANG Z h e n g XU Mi n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e e x p e r i me n t w h i c h s t u d i e s s i x r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms o f d i f f e r e n t s u b s t i t u t i o n r a t e ( 0 ， 5 0 a n d 1 0 0 ) o f t h e r e c y c l e d a g g r e g a t e ， t h e f l e x u r a l b e h a v i o r o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms w i t h d i ff e r e n t s ub s t i t u t i o n r a t e u n de r h i g h t e mp e r a t ur e i s g o t Us i ng t he t e s t r e s u l t ，t h e me a s u r e d s e c t i o n t e mp- fie l d ，t h e mi d - s p a n d e fl e c t i o n a n d t h e fi r e p r o o f t i me u n d e r h i g h t e mp e r a t u r e a r e a n a l y z e d I n t h i s w a y ，t h e d i f f e r e n c e be t we e n no r ma l c o n c r e t e a n d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e a p p e a r s F i na l l y t he t he o r e t i c a l a n a l y t i c a l me t h o d o f t h e RC b e a m S fi r e p r o o f i s a n a l y z e d Ke y wo r d s：r e c y c l e d c o n c r e t e ；e x p e r i me n t a l s t u d y ；hi g h t e mp e r a t u r e ；fle x ur a l b e h a v i o r 0 引 言 哥本哈根会议的召开使低碳经济再 次成为全 球瞩 目的 焦点。 以低能耗 、 低污染 、 低排放为基础的低碳经济是应对 全球气候变 暖的全新经济模式 我 国是一个经济高速增长 的发展 中国家 气 候变化是我们 面l临和必 须应 对的问题 也 是 落实科学 发展 观 走可持续发展道路的必然要求。 1 1 再 生混凝 土技术 的开 发与 应用 一方面可解决 大量废 混凝 土处理 困难 以及 由此 造成 的生 态环境 日益恶 化 等问 题 另一方面 用建 筑废物循环再 生骨料替代 天然骨料 ， 可 以减少建筑物对天然骨料的消耗 从而减少对天然砂石 的 开采 缓解天然骨料 日趋匮乏的压力并降低大量开采砂石 对生态环境的破坏 保 护人类赖 以生存 的环境 符合人类社 会 的可持续发展 的要求 目前 再生混凝土 的研究主要还集 中于常温下性 能的 研究 对于高温下再生混凝土的性能研究 特别是构件层 面 的研究还 比较 少 本文试 图通过对 0 5 O 及 1 0 0 3种替 代率 的足尺钢筋混凝 土粱的高温 反应 进行试验研究 和理论 本文得到 了吕志涛 院士 的指导 探讨 为今后再生混凝土梁 的抗火分析提供依据和方法 。 1 试 验概 况 受火试件的截面尺寸 、 配筋及加载方式如 图 1 所示 ： 为模拟火灾作用下建筑结构的反应 采用恒载升温加热 途径 加热过程持续到梁失去稳定性 为止 在试验过程 中试 件发生倒塌 或梁的挠度超过规定值 I J 2 0 ( m m) ， 即 1 9 0 mtn ， 可表明试件 失去稳 定性 主要量测 的项 目有梁 的截 面温度 场和跨中挠度。受火试件 的相关参 数如表 l所示 。 牝盈 越 、m 整 让 ， + 厂 _ | - l 位 I 毗拉 | 片 I 1 疆L 干 1 M 1 j 嘲 图 1 混凝土梁设计及加载方案示意图 【 收稿日 1 1 2 0 1 2 0 9 1 7 作者简介】 黄 正 ， 男 ( 1 9 9 o _ ) ， 东 南 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 博 士 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 5 0期 ) 7 表 1 受火构件的设计参数 注 ： 由于施 工质量原 因 ， 构件 的设 计保护 层厚度 与实测 保护 层厚 度存在 差异 ： 括 号内为荷 载比 2试 验 加 载 系统 采用最 大荷 载为 2 0 t 的千斤 顶 ，最大伸 长为 2 0 0 ra m 通过钢梁在梁净跨 1 3 、 2 3位置处施加荷载 。 将千斤顶 与上 方反力架 固定 以保证梁破坏后 固定千斤顶 ， 实验加载装置 如 图 2所 示 图 2试 验加载装置 3 试 验 加 热 系统 火 灾升温按 照 国际标准化 组织 I S O 8 3 4建议 的建筑 构 件火灾试 验曲线进行 其 温度一 时间函数为 ： T o + 3 4 5 1 g ( 8 t + 1 、 一 试验炉 内的初始温度 ( ) ； 卜 燃烧 后试 验炉内空气的平均温度 ( ) ； f 一燃烧时间 ( mi n ) 。 本试验 在东南大学火灾实验室进行 试验采用东 南大 学 水平炉进行试验 。 实验前将梁置于炉顶钢梁上 ， 在梁顶周 边砌 一圈防火墙 耐 火墙 归位 后与梁顶等高 完成后在 墙内 部铺 上耐火棉 。 盖上 炉盖 ， 使得梁三面受火 。 4 试 验 结 果 分 析 4 1 火 灾 下 钢 筋 混 凝 土 梁 的 温 度 场 分 析 在钢筋 笼绑扎完毕之后 。混凝土浇筑之前 。布置 热电 偶 。热 电偶 的分布如图 3所示 。 图 3热 电偶分布 示意图 其 中 1 5号测点为跨 中截面相应的混凝土温度测 点 ， 6号为角部钢筋测 点。7 - 1 1 号测 点为 1 4跨截 面相应 的混 凝土温度测点 1 2号为角部钢筋温度的测点。 试验时通过计算机系统对各测点 的温度进行 了实时 的 采集 各点测得温度一时 间曲线及截面温度场分布情况如 图 4 图 6所 示 巳 厶 E 8 - 曼 ! l mh 】 图 4 NCB2 温度埘 间曲线 g 拿 图 5 RCB 5 0 2 温- - IH 间曲线 0 S 1 0 1 5 2 0 2 s 3 O 3 5 柏4 5 5 O 5 5 右 o 6 5 7 0 0 T h ) 图 6 RCB1 0 0 2 温度 耐 间曲线 从 图 4 图 6可 以看 出 试验梁的温度一时间 的曲线走 势基本 相 同 随着 时间 的推移 ， 温度 呈非线性 上升 且均经 历 3个 变 化 阶段 第 1个 变 化 阶 段 大 约 在 初 始 温 度 至 5 0 之间 其温度 变化 十分 平缓 。第 2个 阶段大 约在 5 O 至 1 2 0 温度迅速 上升 此后进入 第 3个 阶段 。在第 3个 阶 段 由于 混凝土 中的结合 水蒸发 整 个混凝 土截 面的平均 比热增大 温度进入一个平 台段 。随着结合水 的蒸发吸热 ， 部分截面 的温度 又会 经历一个不是 十分明显 的下 降阶段 。 距 离受 火面最 近的 5号 点温度 在经历 平 台段 后会 继续升 高 而其余 1 - 4号 点温 度则仍处于平 台段 直至梁失去稳定 性 。 对于不 同截 面高度的温度 其上升斜 率亦不相 同。距 离受火 面越近 的测点 其 温度上 升速度越 快 离受 火面越 远 上升速度越慢 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 江苏建筑 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 5 0期 ) 温度梯度也随着距 离受 火面的距 离有 所变化 距离受 火面越远 其温度梯度越小 从试验数据中还发现 对于距离受火面相同距离测点 的温度 ， 跨 中测 点的温度要高于 1 4跨 。 这是 因为跨 中裂缝 开展较大 传热 速度 加快 。不仅如此 。 随着混凝土替代率 的 升高 测 点温度的升高 ， 其差距逐渐增大 。原 因在于替代率 高 的混凝土 梁相 比于替代率低 的混凝土梁 温度较高 相比 于温度较低 这两 种情况下 ， 均为前 者裂缝较后 者多而宽 ， 导致传 热速度加快 我们可 以推 断 随着再生骨料替代率的提升 由于再生 骨料混凝土大量初始裂隙的存 在 施加荷载并升高温度后 跨中裂缝开展的程度大大增加 从 而使 跨中传热 速率明显 高于两侧 这样整个混凝土梁不同截面的温度场分布就会 呈现 出明显 的不均匀性 所以在温度场理论分析 中必须予 以考虑 。 4 2火灾 下钢筋混凝土梁 的耐火时间分析 表 2 钢筋 混凝 土梁耐火时间 g E 0 5 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 S 柏4 5 5 0 55 60 6 S 7 0 1 l n e ( mh ) 图 7保护 层厚 度为 2 4 mm 和 31 mm 的钢 筋温度 由表 2可知 极限耐火时间随荷 载比的增大而减小 随 保 护 层厚 度 的增 大 而增 大 由图 7可知 ， 保护层 厚度越厚 钢筋 的温度就越 低 这 样钢 筋的力学 性能下降就越 慢 因此其耐火时间也越长 。 对 比 NC B 、 RC B 5 0 和 RCB1 0 0 ，的耐 火 时 间 可 以发 现 ， 同样 的荷载比 再生混凝土 的保护层厚度虽然较小 但其耐 火极 限反 而大于普通混凝土 表 明再生混凝土相 比于普通 混凝土拥有更好 的保温性能 考虑原 因在于再生混凝土 的 孔隙 多 导热系数低 因而其保温性能好 。 4 3 火灾下钢筋混凝土梁 的挠度分析 火灾作用下 钢筋混凝土梁的挠度由两部分组成 。 一部 分是初始荷载 所引起的挠度 这部分 可以根据 常温静载试 验 获得 另一部分是 由于高温 引起 的附加挠 度( 本文称其为 “ 高温挠度 ” ) ， 这部 分由试验 中的位移计测得 。不 同混凝土 梁 的高温挠度一时间曲线如图 8所示 ： U 4o 1 oo r me【 mh ) 图8 高温挠度 时间曲线 由图 8可以看出 高温挠度 随时间的发展 总体上呈增 长趋势 具体来说 可以分 为 2个阶段 。 第 l 阶段高温挠度随 时间基本没有变化 保持在 0 m m 1 0 m m之 间， 且持续相 当 长 的时间 ：第 2阶段 。曲线的斜率 在某小段 时间 内突然增 大 且增 大的速 度也越来 越快 ， 几乎在 2 0 m i n以 内就 达到 最大值而破坏 5 钢 筋 混 凝 土 梁 耐 火 极 限 理 论 计 算 方 法 的 探 讨 我 国现行 建筑设计防火 规范 规定闭 。 工业 与民用 建筑 需 在确定其 耐火 等级后 利用标准耐火试验 确定结构 构件 的耐火极限 保 证所 有构 件的耐火 等级不小 于建 筑的耐火 等级 从而保证结构的耐火安全性 这样的设计方法需要进 行大量 的足尺构件试 验 人 力物力财力 均消耗 巨大 因 此 ， 需要探讨一种理论分析方法 来弥补现行的基于试验 的设 计方法 的不 足。 5 1现有 R C梁耐火极限的理论计算方法及算例 过镇 海哪至 钢筋 混凝土 的高 温性能及 其计 算 一 书中 提出一 种高温极 限承载力 的实用计算方法 。该方法 的大致 流程如下 ： 确定截面温度场 ( 不考虑应力一应 变对 温度场的 影响 ) 画出 3 0 0 及 8 0 0 等温线将等温 线按照面积相 等原 则近似化整成矩形 按照两 台阶强度一温度关系原则 ， 得到 T形截 面钢 筋温度取为同位置混凝 土温 度 。并考虑钢筋屈 服强度一温度关系 得到其理论屈服强度按现行规范承载 力计算公式计算其理论高温极限承载力。 结合本次试验构件进行试算 考虑到再生混凝 土的热 工参 数仍 不明确 ， 故只对普通混凝土梁进行试 算 ， 试算 过程 中用到的试件 破坏 时的等温线如 图 9 、 图 l 0所示 ： 试算结 果见表 3 、 ，l J l l I J I ， I 、 ， 一 图9 N C B ， 的 3 0 0 C 8 0 c f等温线 ( u l一 皇_ Q 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 5期 ( 总第 1 5 0期 ) 表 3 高温极限承载力 图 1 O N CB ， 的 3 o d 及 8 0 0 等温线 从 表 3中可以看 出 现有 的理论极限耐火时间计算方法 与实测值存在很大的偏差 ， 均偏小 ， 其可行性存在很大问题 。 5 2 混凝土与钢筋的热一力本构关系 根据前述分析可 以看 出 由于混 凝土的热惰性 在 高温 下 混凝 土粱截 面存在 十分 不均匀的温度场 这就 导致 梁截 面每一点的力学性能均不相 同。 不仅 如此 ， 混凝土 与钢筋这 2种 材料在温度作用 下力 学性能 的衰减 还具有极强 的耦合 性 ，即应力一应变一温度一时 间的耦合作用效应 。具体来 说 温度一时 间对于材料 的强度 和变形值会有 很大的影响 而且 不用的升温一 应力途径又有各异 的材料变形和强度 值 ， 同时 ， 从 上文分析来 看 由于应力一应 变值的不 同引起 的裂缝 分布不同 ， 还会在一定程度上影 响截 面温度 的发 展。 这样 就构 成了混凝土材料的应力一应变一温度一时 间四 者 的耦 合效应 过镇海翻 在 钢筋 混凝土的高温性能及其计算 一书 中 通过试验数据分 析 ，得 到了钢筋及混凝土的热一力本构模 型 ， 其要点概述如下 ： ( 1 ) 混凝土的高温抗压强度及变形性能 ， 在恒温加载途 径下达 到下 限值 。 在恒载升温途径下达 到上 限值 。 其在不 同 温度应力途径 下 ， 还存在着大小不 同的瞬态热应变 。 ( 2 ) 混凝土的高温变形 由4部分组成 包括 自由膨胀应 变 ( ) 、 瞬态热 应变 ( ) 、 应力 引起 的应 变 ( ) 以及短 期高 温徐变 ( s ) 。其 中： 占 ， s ( ， ) ， = ( ， ) ， ( ， t ) ( 3 ) 钢筋 的 高温作 用下会 逐步 失去 屈服平 台段 其 应 力一 应变 曲线方程可 以简化为达到屈服应变前 的直线 段以 及屈服应变至极 限应变之 间的强化段 ( 4 ) 钢筋高 温屈 服应 变与常温相 比， 变化不大 。极 限应 变在小 于 6 0 0 不断减小 ， 之后 又有增 大 但考 虑到实 际分 析 时的安全性 ， 6 0 0 之后极 限应 变仍 取为最小值 ( 5 ) 钢筋的温度一应力总应变 由 3部分组成 ： 应力作用 产生 的应变( s ) 、 自由膨 胀应变( s ) 、 短期高温徐变 ( 8 ) 。 5 3 对于 R C梁耐火极 限计算方法的探讨 从 以上分析均可 以看出 ，现有 R C梁耐 火极限设计方 法还是远远不够完善的。 对 于其计算方法 笔者提出以下几 点建议 ： ( 1 ) 现有 R C梁耐 火极 限计 算方 法借用 常温形 式 的极 限承载力计算方法 也就是仅考虑混凝土及钢筋在高温时 ， 其材料 强度 有所 衰减而进行的极限承载力校核 可是无论 混凝 土还是钢筋 它们在高温下的材料损伤不仅 体现在 强 度上 更体现在材料 的变形模量上 ， 也就是说 ， 在高温下 ， 也 许混凝土构件还未达到极限承载力 ， 但是其变形 已经很大。 普 通混 凝土结构在常温下的破坏过程缓慢 有 明显预兆 ， 但 结构在 高温状况 下会 因变形突然增 大而破坏 过程短促 少 有 预兆 。不 仅如此 ， 我们还知道 ， 混凝 土规范中规定 了受 弯 构 件正常使用状态下的极限挠度 其 目的在于控 制非结 构 构件不要因为结构构件过大的变形而失效 例如 门、 窗无法 开启等等 而这些门和窗恰恰是火灾中人们逃生的必要通 道 如果混 凝土梁板 由于挠度 过大而使得这些必 要的消防 通 道无法正 常通行 。 其后果不堪设想 。 以上分析均表明 ， R C 梁 耐火极 限设 计计 算公式 中必 须要体 现变形 模量对 其影 响 也就是说极限状态不仅包括极限承载力 更要包括极 限 变形 。这样 ， 才是科学的 、 安全的。 ( 2 ) 钢筋 与混凝土 复杂的高温热一 力耦合本 构关 系与 常温下 简单 的应 力一 应变关系完全不同 因此 不 能照搬现 行规范推荐 的常 温承 载力计算 方法 。为 了在实用计算方法 中充分考虑材料热一力耦合本构关 系 必须进行进一步 的 数值分析研究与试验研究 ( 3 ) 根据过镇 海I3 】 的试验研究成果 ， 在 高温状态下 ， 如果 此 时钢 筋应力水平较高 ， 那么其徐变变形会一 直随时间( t ) 很快地增长 ， 从而导致构件发生无预期的 迅速 的破坏 。这 无论对 于人 员逃 生 ， 还是抢险救灾来说都是相 当不利的。 可 是这方面的试验研究及理论分析都还很少 ， 因此笔者认 为， 为 了建立更 加准确的 R C梁耐火极 限计算方 法 对于钢筋 的徐变变形 的研究是 当务之急 的 6 结 语 ( 1 ) 所有混凝 土梁截面 温度的上升 曲线 均呈现 相 同的 走势 ， 大致可 以分为 3个 阶段 ： 初 始上升段 平 台段 和继续 上升段 。 温度梯度随着距离受火面的距离有所 变化 距离受 火 面 越 远 其 温 度 梯 度 越 小 ( 2 ) 极限耐火时间 随荷载 比的增大而减小 随保护层厚 度的增大而增大 。 再生 混凝 土的使用 能提 高梁 的耐火极 限 ( 3 ) 现有 R C梁 耐火极限计算公式无法满 足工程要求 高温承载力不能照搬常温承载力计算公式 在高温极限中 必须考虑变形模量 、 温度一应力途径 和材料徐变 的影响 。 参考文献 1 肖建庄 再生混凝 土嗍 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 8 2 1 G B 5 0 0 1 6 - 2 0 0 6建筑设计 防火规 范 S 1 北京： 中国建筑工 业 出版社 2 0 0 6 f 3 1 过 镇海， 时旭 东 钢筋混凝 土的 高温性 能及其计算f M1 北 京 ： 清华 大学 出版社 2 0 0 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m