单向简支钢筋桁架混凝土叠合板抗火性能试验研究

赵考重, 胡云哲, 张 涛

(1 山东建筑大学土木工程学院，济南 250101；2 山东建筑大学 建筑结构加固改造与地下空间工程教育部重点实验室，济南 250101)

0 引言

钢筋桁架混凝土叠合板由预制混凝土底板、钢筋桁架及上部现浇混凝土后浇层组成,预制混凝土底板有预应力底板和非预应力底板两种,是目前国家大力推广和正在实际工程中广泛应用的装配式结构。根据结构布置不同,实际结构中有四边支承的双向板叠合板、对边支承的单向叠合板等,板的支承形式有固接和简支。

楼板是结构中的重要构件,既要承受结构的竖向荷载,火灾时又要起到防火隔断、防止火灾蔓延的作用,而且是受火面积最大、损伤最严重的构件之一。目前,针对楼板的抗火性能国内外学者进行了大量研究。

针对钢筋混凝土楼板的抗火性能进行了大量的研究。如王勇等[1-3]对钢筋混凝土现浇楼板的火灾行为进行了数值模拟分析,得到火灾工况、骨料类型、保护层厚度等对双向板火灾行为有较大影响,钢框架结构中受火板格附近钢梁将产生较大内力,火灾蔓延行为对连续板各跨最大弯矩分布和拉压薄膜效应发展有重要影响;董毓利等[4-6]对整浇钢筋混凝土双向板的火灾行为进行了试验研究和分析,得到了板受火时的温度场分布规律及破坏特征,钢筋混凝土双向板具有较好的抗火性能;高立堂等[7]研究了无粘结预应力混凝土连续板的抗火性能,结果表明负弯矩筋的长度对板的破坏形式有明显影响;马明杰、王鲁泉等[8-9]对空心楼盖抗火性能进行了试验研究,得到火灾时由于空腔内空气膨胀,楼板爆裂严重,楼板被烧穿;马祥林、刘秩、高新宇、卢家森等[10-13]研究了钢筋桁架叠合板在常温下的受力性能,得到了叠合板的抗弯承载力和变形能力,提出了设计计算方法;邓利斌、吴方伯、许昌等[14-16]对一种设置混凝土加强肋预制叠合板的抗火性能进行了试验研究和数值分析,得到叠合板的温度场分布规律和破坏形态及叠合板的耐火极限,非预应力叠合板的抗火性能优于预应力叠合板。魏方旭等[17]对单跨简支预应力叠合板的抗火性能进行了试验研究,研究表明钢桁架对叠合板的抗火性能有重要作用。

之前的学者对现浇楼板和空心楼板的抗火性能已进行了大量研究,研究多为钢筋混凝土叠合板在常温下的受力性能和在高温下的抗火性能,但是缺少对于荷载-高温耦合作用下钢筋混凝土叠合板的抗火性能,也缺少针对不同叠合层厚度的叠合板在受火后剩余承载能力的分析与研究。基于此,本文主要通过对单跨简支非预应力钢筋桁架叠合板进行抗火性能试验,研究了不同叠合层厚度的非预应力钢筋桁架叠合板在荷载-高温耦合作用下的破坏形态和受力机理。并通过受火后的静力加载试验,研究叠合板在火灾后的剩余承载能力。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共制作了9个钢筋桁架混凝土叠合板试件(简称叠合板试件),试件平面尺寸为3 600×900,预制层厚度均为60mm,后浇叠合层厚度考虑了3种,分别为50、70、90mm。板底受力钢筋为8@100,分布钢筋为8@200,板底受力钢筋保护层厚度为20mm,预制层和后浇叠合层混凝土强度等级均为C30。沿板跨设有两道钢筋桁架,桁架高度为70mm,不随叠合层厚度变化,支架纵筋直径为8mm,所有钢筋均为HRB400。试件构造图如图1所示。

图1 叠合板试件尺寸及构造

9个试件分为3组进行试验,每组试件对应一种受火情况,第1组试件(B1-1、B1-2、B1-3)和第2组试件(B2-1、B2-2、B2-3)进行抗火试验,第1组试件燃烧至耐火极限,第2组试件燃烧90min然后再进行静载试验,第3组试件(B3-1、B3-2、B3-3)仅进行静载试验,并与受火后板的静载试验进行对比,研究火灾后非预应力钢筋桁架混凝土叠合板的受力性能。试件具体参数见表1。

表1 试件参数

试件制作时留置混凝土试块和钢筋试样,测得预制层混凝土立方体抗压强度为31.6MPa,后浇层混凝土立方体抗压强度为31.9MPa,受力钢筋屈服强度为506.0MPa,极限强度为603.0MPa。

1.2 受火试验加载方式及量测

火灾试验采用恒载-升温的方式,即先施加均布荷载,持荷状态下,按照ISO 834标准升温曲线升温,直至试验结束。根据实际工程常见的楼板受荷载情况,在叠合板上按2kN/m2施加均布荷载,在试验中采用沙袋布置均布荷载,如图2所示。试件采用两端简支,直接水平放置在火灾试验炉顶面,两端支座支承长度均为200mm,受火区域跨度为3 200mm。板与板之间、板与炉壁之间均留有50mm的间隙,保证试件之间的正常变形。

图2 板面加载图

在试件的跨中及支座处布置位移传感器,量测试件在荷载与火耦合作用下的变形,试件在火灾试验炉上的布置及位移测点布置见图3。

图3 位移测点布置

每个试件选取3个控制截面即跨中和1/4跨位置处布置热电偶量测试件温度场的变化规律,每个控制截面布置5个混凝土温度测点和一个钢筋温度测点,混凝土测点A、B、C、D距板底的距离分别为20、40、60、90mm,测点E位于板顶,热电偶测点沿叠合板高度布置如图4所示。

图4 热电偶测点布置图

钢筋测点位置和混凝土测点位置相对应,每个试件3个测点,在跨中和两边1/4跨位置各有一个测点,高度为距离板底20mm。

2 受火试验结果与分析

2.1 试验现象

第1组试件(B1-1、B1-2、B1-3)在火灾试验炉上同时进行抗火试验。受火后首先在板顶及水平叠合面处出现水渍,燃烧至22min时,板的两端均产生倒八字形斜裂缝,随着燃烧时间的增加,斜裂缝不断发展,甚至贯穿整个叠合板。燃烧至42min时,炉膛内部发出爆裂声,叠合板产生明显变形,板跨中产生垂直裂缝。继续燃烧,不断产生新的斜裂缝和垂直裂缝,已有裂缝不断发展,板的变形不断增大,同时沿叠合板叠合面产生水平裂缝,说明叠合板在结合面处有分离现象,但并非是沿板跨连续的贯通水平裂缝,而是间断的水平裂缝,如图5所示。燃烧至145min时,试件B1-1上表面温度已达180℃,达到耐火极限[18]。燃烧至147min时,试件B1-1跨中变形达245mm,试件B1-2跨中变形为192mm,试件B1-3跨中变形为107mm,因此,试件B1-2也达到耐火极限,此时试件B1-1、B1-2的变形迅速发展,停止试验,此时炉膛内温度达到1 260℃。

图5 试件裂缝分布

炉温降低后,观测到板底均产生不同程度的爆裂现象,试件B1-1和试件B1-2板底跨中裂缝比较明显,底部出现了明显的混凝土脱落,钢筋露出的现象,试件B1-3由于没有到达耐火极限,其火灾表现弱于试件B1-1和试件B1-2,但是也出现了底部露筋表现。第1组试件火灾后板底破坏现象如图6所示。

图6 第1组叠合板试件破坏形态

第2组试件(B2-1、B2-2、B2-3)只进行了90min的抗火试验,试件受火后的火灾行为与第1组试件前期阶段基本相同,板侧面可观察到两端的斜裂缝和跨中垂直裂缝,叠合板叠合面处产生水平裂缝,预制层与后浇层有分离现象,虽然炉膛温度已达1 000℃,但由于燃烧时间短,分离现象较第1组试件轻,试件B2-1、B2-2板底未产生爆裂,试件B2-3板底局部爆裂,但较第1组试件明显轻,试件的变形较第1组明显小。火灾后试件B2-1、B2-2、B2-3板底破坏现象见图7。

图7 第2组叠合板试件破坏形态

由试验结果知,叠合板受火后在跨中产生垂直裂缝,板跨两端产生斜裂缝。分析原因,一方面板受高温作用后材料性能劣化,钢筋和混凝土抗拉强度都将降低,另外火灾时由于温度场分布不均,存在温度梯度,产生温度应力,在荷载和火灾耦合作用下产生的拉应力超过混凝土抗拉强度而开裂;火灾时叠合板叠合面将产生水平裂缝,分析原因,火灾时沿板的厚度方向温度分布不同,由板底至板顶温度逐渐降低,形成温度梯度,沿叠合面将产生剪切应力。叠合面处由于温度梯度产生的剪力主要由新旧结合面混凝土间的粘结力和钢筋桁架承担,但最初新旧结合面间混凝土的粘结力起主要作用,叠合面与整浇相比为薄弱截面。随着温度升高,温度应力增大,当由于温度梯度产生的剪应力达到结合面的粘结强度时就会产生水平裂缝。但由于设置了钢筋桁架,预制层与后浇叠合层并未完全脱离,因此,钢筋桁架是保证叠合板火灾时预制层与后浇层共同工作的重要措施。

不同叠合层厚度的板在受火时的开裂情况基本相同,但对于叠合层(板)厚度小的试件,火灾时的损伤相对严重,跨中挠度变形大。

2.2 温度场试验结果分析

2.2.1 试验炉温

火灾试验时,每次试验各布置4个K型铠装热电偶炉温杆测量炉膛内温度,其中两个(1#、2#)热电偶炉温杆与控制系统相连,通过实时采集的数据调节炉膛温度,另外两个热电偶炉温杆连到数据采集仪上。两次火灾试验由控制系统测得的炉膛温度与ISO 834标准升温曲线如图8所示,由图8可知,火灾试验的炉膛升温曲线与ISO 834标准升温曲线基本吻合。第1组火灾试验炉膛最高温度达1 260℃,第2组火灾试验炉膛最高温度为1 000℃。

图8 炉膛升温曲线与ISO 834标准升温曲线对比

2.2.2 试件截面混凝土温度场分布

6块叠合板跨中截面混凝土温度测点的温度随时间变化曲线如图9所示,由图可得知:各试件混凝土温度随时间变化趋势基本一致,叠合层厚度对板内温度梯度无明显影响;在温度达到100℃左右时,曲线出现水平段,离板顶越近该现象越明显。原因是当温度达到100℃时,试件内部水分汽化,在板的上部形成水渍,水分蒸发吸收大量热量,导致温度无法上升,下部温度高水分蒸发快,水平段短;同一时间段随着距板底距离的增加,温度逐渐降低,温度变化速率逐渐减小;距板底越近,温度梯度越大,温度变化越快;由于停火后炉膛内温度仍高于试件内部温度,热传递仍在持续,所以停火后,测点混凝土温度并未达到最大值,仍继续上升,离受火面越远这种现象越明显。

图9 试件沿截面高度混凝土温度-时间曲线

2.2.3 受力钢筋实测温度

试件中受力钢筋测点温度随燃烧时间变化曲线如图10所示。钢筋的温度-时间曲线与同位置混凝土的温度-时间曲线相吻合,且每次试验中各试件曲线趋势接近,证明炉膛内温度分布均匀,每组试件受火条件相同。

图10 试件钢筋温度-时间曲线

2.3 试件跨中位移

火灾时试件跨中位移-时间曲线如图11所示。由试验曲线得到两组抗火试验的板在炉膛温度达到600℃前,板的变形非常小,变化速率也非常小,当炉温超过600℃,板的变形产生突变,说明材料逐步开始劣化,叠合板的变形速率增加,刚度退化越来越快。第1组试件在叠合板达到耐火极限后停火,叠合板的变形还会继续发展,燃烧时间为90min的第2组试件,停火后板的变形大部分能够恢复,试件B2-1、B2-2、B2-3跨中位移恢复量分别占跨中最大挠度的64%、67%、71%。对于第1组火灾试验试件已达到耐火极限的叠合层厚度为50mm和70mm的试件B1-1、B1-2,停火后板的变形几乎不再恢复,由于试件B1-3在试验结束时并未到达耐火极限,所以试件的变形可以恢复。第1组火灾试验试件B1-1、B1-2、B1-3变形恢复量占总变形量的百分比分别是14%、17%、44%。叠合层厚度为50mm和70mm的试件B1-1、B1-2,当燃烧时间达145min时,板的变形迅速发展。后浇叠合层厚度越大,受火后板变形量越小,变形恢复量越大。

图11 试件跨中位移-温度曲线

3 受火试件与未受火试件静载试验

3.1 试件破坏形态

对受火90min后的第2组试件B2-1、B2-2、B2-3和未受火的第3组试件B3-1、B3-2、B3-3进行三分点加载试验,两种试件的破坏形态基本相同,荷载作用下未受火的叠合板产生竖向裂缝,受火后的叠合板在受火时产生的裂缝继续发展,最终受压区混凝土被压碎,构件达到最大承载力发生破坏。叠合层厚度为90mm的试件B2-3、B3-3在加载过程中叠合面产生新的微小水平裂缝,其余试件叠合面完好,说明未受火试件和受火90min的试件,在荷载作用下直到破坏的整个受力过程中,后浇层与预制层均能够共同工作。所有试件破坏时均产生较大变形,说明钢筋桁架叠合板具有较好的变形能力。试件静载下的破坏形态如图12所示。

图12 静载试验下试件破坏形态

3.2 极限承载力

试件极限承载力试验结果见表2。由表2可知,非预应力钢筋桁架混凝土叠合板受火90min后,试件承载力有所降低,后浇叠合层厚度均为50mm时,火灾后试件的剩余承载能力约为81%。后浇叠合层厚度为70mm时,火灾后试件的剩余承载能力约为86%。后浇叠合层厚度为90mm时,火灾后试件的剩余承载能力约为89%。叠合板越厚,火灾后剩余承载力相对越大,相对损伤越轻。

表2 试件极限承载力试验结果

试件荷载-位移曲线如图13所示。对第2组试验受火90min之后降温冷却至室温状态的叠合板和第3组叠合板在常温下进行载荷试验。第2组叠合板和第3组叠合板荷载-位移曲线趋势大致相同,当达到极限荷载时,试件B2-1、B2-2、B2-3的跨中位移分别是207、149、141mm,试件B3-1、B3-2、B3-3的跨中位移分别是172、137、151mm。在荷载相同的情况下,叠合层越厚,叠合板的跨中位移越小,受火试件的跨中要大于未受火试件的跨中位移;在预制层厚度一定的条件下,叠合板后浇层厚度越大,试件的承载力越强;试件受火后,由于混凝土和钢筋力学性能均受到一定程度影响,导致试件刚度降低,相同荷载作用下,受火后试件比未受火试件的位移大;无论是受火灾作用后的叠合板,还是未受火的叠合板,试件破坏时均产生了较大的位移,说明设置钢筋桁架后可显著提高板的变形能力。

图13 试件荷载-位移曲线

4 结论

(1)钢筋桁架混凝土叠合板在高温-荷载耦合作用下,由于受火后材料性能的劣化及温度梯度产生的温度应力,叠合板会产生跨中垂直裂缝和端部斜裂缝,叠合面会出现分离现象,沿叠合面产生水平裂缝。沿叠合面的水平裂缝并未形成沿结合面的贯通裂缝,预制层与叠合层仍结合在一起共同工作,说明钢筋桁架起到关键作用,钢筋桁架是保证叠合板火灾时预制层和后浇层共同工作的重要措施。

(2)不同叠合层厚度的板火灾行为基本相同,温度场分布规律也无较大差别。但叠合层(板)越厚,其耐火极限越长。对于保护层厚度为20mm、预制层厚度为60mm、叠合层厚度不小于50mm的非预应力钢筋桁架叠合板,其耐火极限可达145min以上。

(3)叠合板受火90min后仍具有较好的变形能力和一定的承载力,对于未达到耐火极限的叠合板,后浇叠合层厚度越大,受火后板变形量越小,变形恢复量越大。叠合层越厚火灾后的剩余承载力越大,叠合层厚度不小于50mm,叠合板受火90min的剩余承载能力仍能达到80%以上。

(4)在荷载相同的情况下,叠合层的厚度越厚,叠合板的跨中位移越小,受火试件的跨中位移要大于未受火试件的跨中位移;在预制层厚度一定的条件下,钢筋混凝土叠合板后浇层厚度越大,构件的承载力越强。