钢混组合梁的火灾试验及剩余承载力

姚伟发　 黄　侨　 张娟秀

(东南大学交通学院,南京 210096)

钢混组合梁的火灾试验及剩余承载力

姚伟发 黄侨 张娟秀

(东南大学交通学院,南京 210096)

摘要:完成了3根试验梁的火灾试验,测试了钢-混组合梁受火时的温度场、挠度变形和裂缝分布情况,并对受火后的3根试验梁分别展开静载试验,实测了其剩余承载力和破坏形态.基于高温后混凝土强度表达式和温度场分布函数,推导出高温后的混凝土受压区高度计算公式.结果表明,恒载作用下,3根试验梁的竖向挠度随受火时间的增长而明显增加.简支T梁和箱梁的顶板混凝土未见明显裂缝,连续箱梁负弯矩区的顶板混凝土出现数条横向贯通裂缝,裂缝宽度随构件受火时间的增长而增大.箱梁的混凝土顶板温度上升较慢,其耐火性能优于T梁.所提的剩余承载力计算方法具有良好的精度.

关键词:钢-混组合梁;火灾试验;温度场;剩余承载力

目前,引起桥梁火灾的常见原因包括桥下堆积的轮胎、模板、木材等易燃物燃烧,桥下电缆、电线起火,易燃物品运输车在桥下发生交通事故时导致的火灾等.由交通事故、自然灾害及其他缘由所引发的桥梁火灾往往给桥梁带来较大损坏,导致桥梁整体承载力下降[1-2],严重时甚至引起桥梁垮塌.

国外对钢-混凝土组合结构的抗火性能研究始于20世纪初,主要研究材料高温下和高温后的力学性能、温度场、火灾下及火灾后的极限承载力等[3-4].国内学者则主要针对钢-混组合板[5]、钢管混凝土结构[6-8]、型钢混凝土梁[9-12]进行研究,提出了相关的实用设计方法.但是关于钢-混组合梁抗火性能的研究较少,尤其是高温后钢-混组合梁的剩余力学性能和剩余承载力计算方法仍有待进一步研究.

本文通过3根钢-混组合梁的火灾试验,测试火灾下试验梁的挠度变形、截面温度分布和裂缝分布情况以及火灾后试验梁的加载破坏形态和剩余承载力等.然后,基于高温后混凝土强度表达式和温度场分布函数,建立了一种具有高精度的高温后钢-混组合梁的剩余承载力计算方法.

1考虑热传导的钢-混组合梁计算理论

1.1基本假定

火灾后钢-混组合梁的剩余承载力计算基于如下假定:

1) 高温后的剪力连接件仍具有良好的抗剪承载力,能保证组合梁充分发挥抗弯性能;

2) 位于塑性中性轴以下的受拉区混凝土已开裂,忽略受拉区混凝土的抗拉强度;

3) 位于塑性中性轴以上的受压区混凝土应力达到高温后混凝土的抗压强度平均值;

4) 钢梁的受压区和受拉区均进入塑性状态,其应力分别达到考虑高温影响后的钢材抗压和抗拉屈服强度[13];

5) 钢-混组合梁的混凝土上翼缘板为单向受火混凝土板,且温度沿板宽方向均匀分布[12].

1.2截面温度场及材料高温后力学性能

基于构件内部的热传导微分方程,考虑相应的初始条件和边界条件,求解火灾过程中构件内部的温度场[11].参考标准加热条件下四面受火柱的截面温度场计算方法,建立标准加热条件下单向受火混凝土板截面温度场分布函数:

Tl=Tf(1-ξ)exp(-2.7ξ)

(1)

式中,Tf为混凝土板受火面的温度;Tl为混凝土板内距受火面垂直距离l处的温度;ξ=l/L为混凝土板内任意位置l距受火面的垂直相对距离,其中L为假想0 ℃温度线距受火面的垂直距离.

对于式(1),在定义域0≤ξ≤1内进行高精度拟合,得到拟合方程:

(2)

根据判定系数和拟合标准差,计算得温度场的拟合优度为0.991,说明式(2)具有高拟合精度.

为了便于理论推导,采用文献[13]建议的高温后混凝土强度和钢材强度折减系数表达式,对0～200 ℃情况下的混凝土抗压强度进行少量调整,得到高温后混凝土的强度折减系数表达式:

(3)

式中,Tm为经历的最高温度;fcu和fcu,T分别为常温下和经历最高温度Tm后的轴心抗压强度.

1.3考虑截面温度场的混凝土受压区

为了便于进行理论计算,首先假设一条0 ℃温度线(实际并不存在).对于梁下受火的情况,钢-混组合梁经历高温后的剩余承载力计算图见图1.图中,125 ℃温度线为火灾中温度达到125 ℃的位置;t为125 ℃温度线到混凝土翼缘板上缘的距离;d为混凝土翼缘板的厚度;x为抗弯极限状态下混凝土受压区高度;Tx为温度场中x处的温度;fc,T为混凝土经历高温后的抗压强度设计值.

火灾后混凝土翼缘板的温度分布可分为如下2种类型:① 梁下受火时间较长,桥面温度高于环境温度,假想0 ℃温度线位于混凝土翼缘板之上(见图1).② 梁下受火时间较短,翼缘板靠近桥面部分区域仍然保持常温,假想0 ℃温度线可能位于混凝土翼缘板之中,无法通过火灾现场调研来确定0 ℃温度线的具体位置.因此,采用125 ℃温度线作为计算和现场调研的关键温度线.

图1　组合梁温度场及受压区应力分布

高温后混凝土的受压区应力分布和受压区合力计算可以分为以下3种情况进行讨论:

1) 当混凝土受压区高度x≤t时,受压区的混凝土强度未受到火灾影响,只有受拉区的钢梁受到高温影响,可按照普通的钢-混组合梁塑性计算方法进行计算.混凝土受压区的合力可描述为

C=fcbx

(4)

式中,fc为抗压强度平均值;b为混凝土板宽.

2) 当混凝土受压区高度t

(5)

式中,ξ1=(d-x)/L;ξ2=ξ125, 其中ξ125为125 ℃温度线距受火面的垂直相对距离.式(5)中等号右边第1项表示未受高温影响区域的抗压承载力,第2项表示受高温影响区域的抗压承载力.根据图1,考虑积分号的上下限,受压区合力可表示为

(6)

且

(7)

则ξ125的显式计算公式为

(8)

由式(8)可知, ξ125只与Tf有关.在计算剩余承载力前,已进行现场调查并获得125 ℃温度线到混凝土翼缘板上缘的距离t以及混凝土翼缘板的厚度d,并且可以确定假想0 ℃温度线距离受火面的相对距离ξ0=1,根据关系方程

(9)

得到假想0 ℃温度线距离受火面的绝对距离为

(10)

在进行抗弯承载力计算时,采用式(6)和(7)计算混凝土的受压区高度x,需要编制迭代计算程序,不利于实际应用.因此,需要对式(6)进行求解,得到受压区高度x的计算公式:

(11)

式中

(12)

(13)

ηξ=bfc(1.174ξ125+0.000 388Tfe-3.72ξ125+

0.000 041 8Tfξ125)

(14)

式中,LambertW()为郎伯W函数.

3) 当中性轴位于腹板时,钢-混组合梁的混凝土翼缘板全截面受压,混凝土的受压区合力为

C=fctb+ηξ-0.000 388bfcTf

(15)

由此可得受压区合力大小和受压区高度,通过力和力矩平衡原理,计算得到高温后钢-混组合梁的剩余承载力.

2试验

2.1钢-混组合梁火灾试验

共制作3根试验梁,分别标记为SCB1,SCB2和SCB3.混凝土抗压强度平均值为28.6 MPa,钢板采用Q235钢材,钢板厚均为5 mm.试验梁的设计参数见表1.

表1　试验梁的设计参数

试验梁SCB1和SCB2均为梁长3.8 m的简支梁,计算跨径为3.4 m.试验梁SCB1的截面形式为T形,SCB2的截面形式为箱形.试验梁SCB3为梁长4.8 m、计算跨径2.0+2.4 m的二跨连续梁,采用箱形截面.试验梁SCB1的截面构造见图2(a);试验梁SCB2和SCB3采用完全相同的截面构造(见图2(b)).图中,T1～T4 为混凝土翼缘板温度测点;w1～w6为钢梁温度测点.

(a) 试验梁SCB1

(b) 试验梁SCB2和SCB3

试验梁SCB1和SCB2的受火位置为跨中区域,试验梁SCB3的受火位置为跨径2.4 m的跨中区域.试验梁SCB1和SCB2以跨中截面为温度场测试截面,测点布置见图2(a).试验梁SCB3以2.4 m跨径的跨中截面为温度场测试截面,测点布置见图2(b).

2.2加载方案

加载方案主要包括以下2方面:

1) 火灾试验中的试验梁加载.加载水平控制在按照塑性方法计算的构件极限承载力的40%以下(含构件自重),以模拟桥梁发生火灾时的恒定承载.试验梁采用两点加载,加载力F1和F2相同.火灾过程中,试验梁SCB1,SCB2和SCB3的加载力分别为35,40,60 kN,加载位置见图3.

2) 火灾后的试验梁加载.将火灾后的试验梁吊运于静力试验室中,进行分级加载,从而获得试验梁的破坏形态和极限荷载.

(a) 试验梁SCB1和SCB2

(b) 试验梁SCB3

2.3试验现象

火灾试验过程中各试验梁的主要现象如下:

1) 随着温度的升高,混凝土表面产生大量水汽,表面呈润湿状态,混凝土板内残余水分蒸发.

2)随受火时间的增长，试件跨中挠度明显增加，梁端发生较大转动(见图4(a)).所加静力荷载快速下降，需持续加载以保持试验荷载.

3)试验梁SCB1和SCB2的顶板一直未见明显裂缝，与常温试验现象相比，未见试件有明显差别.试验梁SCB3点火升温10 min左右，在中间支座负弯矩区梁段箱梁顶板混凝土出现数条肉眼可见的横向贯通裂缝，裂缝宽度随构件受火时间的增长而增大，中横隔板处裂缝发展为主裂缝，其宽度增大的速度明显大于其他裂缝.

4)主裂缝随受火时间的增加进一步发展，当构件受火时间为45 min时，主裂缝发展出其他裂缝，板顶混凝土被裂缝分成若干块状体；构件受火时间为60 min时，主裂缝宽度已超过1 cm，箱梁顶板混凝土被主裂缝分成2部分，梁在中横隔板处形成明显折线状(见图4(b)).

5) 构件受火时间为32 min时,试验梁SCB1和SCB2的跨中变形分别为13.3和12.7 cm,超过该梁跨度的1/30.卸载降温后,试验梁SCB1和SCB2的跨中挠度减小,常温下测得的跨中残余挠度分别为8.8和7.1 cm.试验梁腹板和底板发生屈曲.

图4　部分试验梁现象

火灾试验中各测点的实测温度见表2.表中,s为升温时间.由表可知,钢梁的温度上升较快,且温度分布较为均匀.受钢箱梁封闭空间影响,相比T梁而言,箱梁的混凝土翼缘板测点温度上升较慢,具有更好的抗火性能.

经过高温后的静力试验发现,当荷载接近极限荷载时,3根试验梁的破坏形态相似.随着试验梁变形量的增加,加于梁上的荷载增加幅度变缓,且荷载难以维持.此时,顶板(翼缘板)混凝土下缘出现少量裂缝,并伴随着密集的混凝土压溃声.最终,顶板的上层混凝土被压溃.试验梁在整个破坏过程中表现出较高的延性,钢梁与上下混凝土翼板之间无可视的滑移,两者共同工作,且黏结性能良好.

表2　试验梁各测点的实测最高温度　℃

2.4基于截面温度场的抗弯承载力理论计算

为确定试验梁SCB1跨中截面顶板混凝土的温度分布情况,参数取值如下:Tf=650 ℃；t=0.032m; Tm=675 ℃.

1) 假定受压区高度x≤t=0.032m,则T形钢梁的抗拉承载力为

T=Asfy,T=(1 375+1 600)×232.9=693 110N

(16)

式中,As为钢梁截面面积;fy,T为钢梁高温后的屈服强度.

受压区高度为

(17)

由此表明,混凝土受压区覆盖了未受火灾影响区域和受火灾影响区域.

2) 假定t

0.414

(18)

假想0 ℃温度线到受火面的垂直距离为

(19)

将L代入式(12),可得混凝土受压区高度为

x=0.036 1m>t

(20)

由此表明假定t

混凝土受压区的合力作用点距组合梁上缘的距离为

(21)

式中,P1和P2分别为未受高温影响和受高温影响区域合力作用点距上缘的距离;C1和C2分别为未受高温影响和受高温影响的合力.

受拉区钢梁合力作用点距上缘的距离为

hs=0.245 0m

(22)

由此可知,组合梁的剩余承载力为

Mu=T(hs-P)=693 110×(0.245-

0.017 4)=157.7kN·m

(23)

采用同样方法分别计算试验梁SCB2和SCB3的高温后剩余承载力,参数取值见表3.表中,Fu为极限荷载理论值,Ft为极限荷载实测值.由表可知:① 3根试验梁的极限荷载理论值与实测值吻合良好,计算误差分别为7%,-4%和-7%,说明本文建议的剩余承载力计算方法具有良好的计算精度.② 试验梁SCB1的极限荷载理论值大于实测值,这是因为本文方法基于塑性计算方法,过大地估计了试验梁的剩余承载力.③ 鉴于钢箱梁的封闭结构,箱梁顶板混凝土的温度小于翼缘板混凝土的温度,而温度测点只布置于箱梁顶板,过低估计了混凝土翼缘板的温度,导致试验梁SCB2和SCB3的极限荷载理论值小于实测值.

3结论

1) 3根结构体系及截面形式相异的钢-混组合梁火灾试验结果表明:随受火时间的增长,恒载作用下试件跨中挠度明显增加;钢梁的温度上升较快,温度较高,且分布较为均匀;鉴于箱梁的封闭环境,箱梁混凝土顶板的温度上升较慢,相比T梁而言耐火性能更好;连续箱形试验梁SCB3在中间支座负弯矩梁段顶板混凝土出现数条横向贯通裂缝,裂缝宽度随构件受火时间的增长而增大.

2) 基于高温后混凝土强度表达式和温度场分布函数,将高温后混凝土的受压区高度和合力作用位置分成3种情况,推导出高温后的混凝土受压区高度计算公式.

3) 对经历高温的3根试验梁进行静载破坏性试验,测试其剩余承载力.理论结果与实测结果对比表明,本文建议的考虑温度场分布的剩余承载力计算方法具有良好的计算精度,且计算较为简便.

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Fire experiment and residual strength of steel-concrete composite girders

Yao Weifa Huang Qiao Zhang Juanxiu

(School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096, China)

Abstract:The fire experiments of three test beams were accomplished. The temperature field, the deflection deformation and the cracking distribution of the steel-concrete composite girders exposed to fire were tested. And the residual strengths and the failure modes of these three test beams under static loads were measured. The calculation formula of the compressive zone depth of concrete after fire was deduced based on the strength expression of concrete after fire and the temperature distribution function.The results indicate that the vertical deflections of the three test beams under dead loads in fire increase as the time goes on. The simple supported T-beam and the box girder have no obvious crack at the top of concrete. But as for the continuous box girder, several cut through cracks are observed at the top of concrete in the hogging moment area and the widths of these cracks increase as the time goes on. The temperature at the top of the box girder rises slowly, resulting in better fire resistance compared with the T-girder. The proposed calculation method for the residual strength has high accuracy.

Key words:steel-concrete composite girder; fire experiment; temperature field; residual strength

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.019

收稿日期:2015-08-18.

作者简介:姚伟发(1973—)，男，博士生，讲师，ywfzjx@163.com.

基金项目:交通运输部西部建设科技资助项目(2011318812970).

中图分类号:TU398

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)02-0347-06

引用本文: 姚伟发，黄侨，张娟秀.钢-混组合梁的火灾试验及剩余承载力[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(2):347-352. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.019.