火灾后具有不同保护层厚度的简支梁抗剪性能研究

祝焕然，杨志年，刘家伦

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山063210)

引言

火造福了人类，给社会带来便利，但如果操作不当，随时都会影响人们的生产和生活，建筑物的防灾减灾一直受到国内外学者的广泛关注[1-5]。火灾对于钢筋混凝土结构造成的损害并非一瞬间造成的，因其本身具有一定的耐火性，但随着温度的上升，造成的热损伤会使得材料强度有所下降，而高温后的承载力也会下降。因为混凝土材料自身的特性，热传导需要一定时间，使得构件内外产生温度差，并且在火灾后的冷却阶段，即使外部不再受火，内部仍然有一小段升温过程，使得钢筋混凝土构件高温后的热损伤更加复杂。原因在于混凝土本身保护层厚度大，具有热惰性，受火后内部钢筋的最高温度决定了残余承载力的大小[6]，通常来说，内部钢筋的温度越低，其残余承载力越大。因此，根据不同的保护层厚度、受火时间和冷却方式对钢筋混凝土简支梁的抗剪承载力进行研究很有必要。

1试件设计

构件梁按照《混凝土结构设计规范》(GB/10500-2010)[7]要求，试验采用1:1足尺梁，简支支承，梁净跨为4.0 m，长度为4.5 m，截面尺寸为400 mm×200 mm。图1所示为梁的截面尺寸和配筋图。C30普通硅酸盐水泥由河北建设集团生产，钢筋由唐山钢铁集团生产，箍筋采用直径为6 mm的HPB235光圆钢筋，纵筋采用直径为25 mm的HRB400级螺纹钢筋。

图1 梁的尺寸和配筋

6根钢筋混凝土梁，试验变量不同受火时间(0 min、40 min、90 min)、保护层厚度(10 mm、25 mm、40 mm)冷却方式(自然冷却、喷水冷却)进行对比分析，试验参数设计见表1。

表1 参数设计

2试验结果分析

2.1 构件常温分析

测得常温下(LC)构件梁试验结果如表2所示。

表2 常温梁试验结果

在常温条件下，梁的剪跨比为2.0，为中等剪跨比梁。构件发生破坏的试验现象为：裂缝从梁的中部延伸至支撑点和加载点，梁中出现横向裂缝和破坏区域，从而导致剪压破坏。

根据《混凝土结构设计规范》中承载力的计算方法，室温下梁的抗剪承载力为145.9 kN，与实际计算的236 kN相差很大，主要原因是没有考虑纵向钢筋的剪切效应。

2.2 构件升降温

采用ISO834标准升温曲线[8]，试件LS采用淋水冷却方式降温，试件LT、L1、L2、L3采用炉内自然降温冷却方式。通过对试验梁ISO834标准升温曲线和升温炉膛的温度-时间曲线对比可以发现，炉内温度和标准升温曲线差异性较小，可为下一步高温后静力场试验提供有力参考，温度场试验现象如下：

L1在受火26 min后，燃烧炉内测量温度为826 ℃，梁下底面混凝土测量温度为523 ℃，此时梁上截面混凝土温度为88.7 ℃，梁上截面有水蒸气蒸发出来，受火38 min后，燃烧炉内测量温度为919 ℃，梁下底面混凝土测量温度为556.8 ℃，梁上截面混凝土测量温度为91.6 ℃，梁上截面有大量水蒸气蒸发出来，并且梁下底面出现小水珠贴附梁表面。

L2在受火28 min后，燃烧炉内测量温度为817 ℃，梁下底面混凝土测量温度为218 ℃，此时梁上截面混凝土温度为91.5 ℃，梁上截面有水蒸气蒸发出来，受火40 min后，燃烧炉内测量温度为879 ℃，梁下底面混凝土测量温度为250.2 ℃，梁上截面混凝土测量温度为97.7 ℃，梁上截面有大量水蒸气蒸发出来，并且梁下底面出现小水珠贴附梁表面。

L3在受火31 min后，燃烧炉内测量温度为881 ℃，梁下底面混凝土测量温度为222.4 ℃，此时梁上截面混凝土温度为86.6 ℃，梁上截面有水蒸气蒸发出来，受火39 min后，燃烧炉内测量温度为919 ℃，梁下底面混凝土测量温度为275 ℃，梁上截面混凝土测量温度为92 ℃，梁上截面有大量水蒸气蒸发出来，并且梁下底面出现小水珠贴附梁表面。

LT在受火29 min后，燃烧炉内测量温度为873 ℃，梁下底面混凝土测量温度为236 ℃，此时梁上截面混凝土温度为98 ℃，梁上截面有水蒸气蒸发出来，受火38 min后，燃烧炉内测量温度为878 ℃，梁下底面混凝土测量温度为291.1 ℃，梁上截面混凝土测量温度为97.9 ℃，梁上截面有大量水蒸气蒸发出来，并且梁下底面出现小水珠贴附梁表面。

LS在受火26 min后，燃烧炉内测量温度为816 ℃，梁下底面混凝土测量温度为187 ℃，此时梁上截面混凝土温度为77.2 ℃，梁上截面有水蒸气蒸发出来，受火36 min后，燃烧炉内测量温度为896 ℃，梁下底面混凝土测量温度为338.6 ℃，梁上截面混凝土测量温度为85.9 ℃，梁上截面有大量水蒸气蒸发出来，并且梁下底面出现小水珠贴附梁表面。

2.3 钢筋混凝土梁力学试验

通过不同升温时间和冷却方式，对梁进行力学加载，得到火灾后梁固定铰支座、滑动铰支座和跨中荷载-挠度关系曲线，如图2所示。

图2 各试件加载点和跨中荷载-挠度关系曲线

由于高温下构件梁剪切破坏没有发生明显的受弯破坏，故取挠度最大值的点。高温后力场加载试验荷载和梁端轴向位移关系曲线如图3所示。

图3 加载试验各试件荷载-梁端的轴向位移关系曲线

高温下底部纵向钢筋的温度，底部箍筋的最高温度以及破坏过程中的挠度如表3所示。

表3 破坏挠度

2.4 残余承载力比较

按照《混凝土结构试验方法标准》[9]的规定，构件在混凝土被压碎后出现斜压裂缝为构件达到极限承载力的条件。因此，构件在不同的条件下所达到极限承载力如表4所示。

表4 各试件极限剪力承载力

2.5 剩余承载力拟合曲线

火灾后钢筋混凝土梁剩余受剪承载力与保护层厚度的关系见图4。

图4 梁剩余承载力-保护层厚度关系曲线

梁火灾后剩余承载力与保护层厚度拟合曲线关系公式如式(1)所示。

F=149.3+4.075P-0.079P2

(1)

其中：F-梁剩余承载力，kN；

P-混凝土保护层厚度，mm。

由拟合公式可知，保护层厚度过大或者过小都会影响梁火灾后的剩余承载力，因此存在一个最佳保护层厚度，使得梁剩余承载力达到最佳效果。其原因为：保护层厚度减小，材料损伤增大，剩余承载力有所下降；保护层厚度增大，虽然材料损伤减小，但相比截面有效高度降低，剩余承载力同样会下降。

3结论

(1)自然冷却和保护层厚度相同的条件下，当梁受火时间为40 min(LT)其剩余承载力为219 kN，受火时间为90 min(L2)其剩余承载力为201.5 kN，相比降低了8%，受火时间与高温后的剩余承载力关系较大，受火时间越久，剩余承载力越小。

(2)在保护层厚度和受火时间相同的条件下，喷水冷却至室温(LS)的剩余承载力为144.5 kN，自然冷却降至室温(L2)的剩余承载力为201.5 kN，相比增加了28%，喷水冷却对材料的残损值的保护大于自然冷却的结果。

(3)在受火时间和冷却方式相同的条件下，增加保护层厚度，保护层厚度为10 mm(L1)的剩余承载力为182.15 kN，保护层厚度为25 mm(L2)的剩余承载力为201.5 kN，相比增加9%，保护层厚度与剩余承载力具有正相关的关系。

(4)保护层厚度并不是越大越好，与L1、L2相同条件的L3承载力仅有185.9 kN，对比分析足尺梁最佳保护层厚度为25 mm。