鋼筋混凝土連續梁火災下抗剪性能的試驗研究

楊志年 韓 旭 舒 升 王興國，* 祝煥然

（1.華北理工大學建筑工程學院，唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，唐山063210）

0 引 言

鋼筋混凝土連續梁是建筑結構中應用最廣泛的梁構件形式，其火災下的力學性能對建筑結構的整體抗火性能影響顯著。目前國內外學者對鋼筋混凝土梁的抗火性能進行了大量相關研究［1-8］，但研究主要針對獨立梁的高溫下抗彎性能，而對于鋼筋混凝土連續梁火災下的抗剪性能研究較少。

溫度對鋼筋混凝土梁抗剪承載力的影響主要體現在材料性能和抗剪傳力機理兩方面?；馂南码S著溫度的升高，梁內混凝土和鋼筋的力學性能下降，導致梁斜裂縫上部剪壓區混凝土截面承受的剪力下降?；馂南铝旱牧芽p數量增多，裂縫寬度增大，造成混凝土骨料咬合力下降。火災引起的高溫還會降低混凝土與鋼筋的黏結性能，從而削弱了縱筋的銷栓作用。高溫下箍筋和彎起鋼筋等抗剪腹筋的力學性能下降，也降低了鋼筋混凝土梁的抗剪性能。與簡支梁相比，連續梁由于具有正負兩個方向的彎矩，受力更復雜，剪力傳遞機理明顯不同于簡支梁，尤其火災下，受高溫的影響，連續梁的內力分布將變得更為復雜。連續梁高溫下產生的塑性內力重分布不僅可以改變梁彎矩內力的分布，還會對梁的剪力內力分布及抗剪性能產生重要影響。

本文對8根足尺鋼筋混凝土連續梁以及4根足尺鋼筋混凝土簡支梁進行了恒載-升溫條件下的標準火災試驗，研究了荷載比、剪跨比、混凝土保護層厚度、配箍率及受火工況等對鋼筋連續梁火災下抗剪性能的影響，對比分析了連續梁與簡支梁高溫下抗剪性能的異同，為鋼筋混凝土梁的抗火設計提供參考。

1 試驗梁設計

為研究鋼筋混凝土連續梁火災下的抗剪性能，共設計制作了8根足尺鋼筋混凝土連續梁，為對比連續梁與簡支梁高溫下的抗剪性能，同時設計制作了4根鋼筋混凝土簡支梁。連續梁與簡支梁的長度分別為4.5 m和2.5 m，計算跨度分別為4 m和2 m，各梁的截面尺寸均為300 mm×150 mm。試驗梁混凝土均采用C30商品混凝土，混凝土實測抗壓強度為33.5 MPa，含水率為3.4%。梁內縱筋均采用直徑為22 mm的HRB400級鋼筋，實測屈服強度為430 MPa，抗拉強度為570 MPa，彈性模量為2.0×105N/mm2。梁內箍筋均采用直徑為6 mm的HPB300級鋼筋，實測屈服強度為383 MPa、抗拉強度460 MPa。試驗梁的截面尺寸及配筋見圖1。

圖1 試驗梁截面尺寸及配筋（單位：mm）Fig.1 Section size and reinforcement arrangement of the beam（Unit：mm）

考慮不同荷載比、剪跨比、混凝土保護層厚度、箍筋間距以及受火工況對鋼筋混凝土連續梁火災下抗剪性能的影響，共進行了8根足尺鋼筋混凝土連續梁的標準火災試驗，梁編號分別為L1-L8。其中連續梁L2的荷載比為0.7，其他各連續梁荷載比均為0.6；連續梁L3的剪跨比為2.5，其他各梁的剪跨比均為2.0；連續梁L6和L7的混凝土保護層厚度分別為30 mm和40 mm，其他各梁的混凝土保護層厚度均為20 mm；連續梁L4和L5的箍筋間距分別為100 mm和300 mm，其他各梁的箍筋間距均為200 mm；連續梁L8的受火工況為單跨受火，其他各梁的受火工況均為兩跨同時受火。為對比鋼筋混凝土連續梁與簡支梁火災下抗剪性能的異同，同時進行了4根鋼筋混凝土簡支梁的標準火災試驗，梁編號分別為J1、J3、J5和J7。各試驗梁的參數設計如表1所示。

表1 試驗梁的參數設計Table 1 Parameter design of test beam

2 試驗方法

所有試驗均為鋼筋混凝土梁在恒載-升溫條件下的標準火災試驗，火災升溫曲線采用ISO834標準升溫曲線，加載方式為在梁跨內施加對稱的兩點集中荷載，試驗中利用油壓千斤頂、荷載分配梁及鋼輥軸將恒定荷載施加至試驗梁的頂部。集中荷載的施加位置，可以根據試驗梁剪跨比的不同而進行調整。根據歐洲規范［9］，進行抗火設計的鋼筋混凝土梁最大容許荷載為

式中：Ed為常溫設計下梁所能承擔的最大荷載值；ηft為火災下荷載效應的折減系數（通常情況下，倉庫取為0.7，其余情況取為0.6）。

本文火災試驗中，鋼筋混凝土梁施加的恒定荷載根據式（1）計算，連續梁L2的火災折減系數取為0.7，其他試驗梁均取為0.6。為保證試驗梁靠近支座處的受剪區域均勻受熱，火災下，將專門設計制作的耐火鋼支座布置在試驗爐膛內部，為了防止支座受熱變形，在支座外部包裹硅酸鋁耐火巖棉進行保護。梁的試驗裝置見圖2和圖3。

圖2 梁試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of test setup

圖3 梁試驗裝置全景圖Fig.3 Photo of test setup

火災下，各試驗梁均采用三面受火，受火過程中，梁內混凝土與鋼筋的溫度均由預先埋設在梁內的K形熱電偶進行量測，混凝土溫度沿截面水平和豎直方向分別等間距布置7個測點，見圖4。試驗前，每根試驗梁均在梁底部專門布置熱電偶，

圖4 梁內熱電偶布置（單位：mm）Fig.4 Thermocouple arrangment in the beam（Unit：mm）

試驗過程中，梁的豎向撓度由布置在梁頂的位移傳感器測量，位移測點分別布置在梁的加載點及跨中處，為了修正梁的中間撓度，在梁的各支座處也布置了位移傳感器，見圖5。梁的軸向變形由布置在梁端的專門設計的軸向位移測量裝置量測，見圖6。

圖5 梁的位移傳感器布置（單位：mm）Fig.5 Arrangment of displacement transducers（Unit：mm）

圖6 梁端軸向變形測量裝置Fig.6 Measuring device for axied deformation of beam end

3 試驗結果

3.1 爐溫

圖7 為連續梁L1火災試驗中爐溫隨時間的變化曲線。由圖可以看出，火災試驗爐爐溫與標準升溫曲線吻合較好。其余各梁的火災試驗爐溫曲線均與標準升溫曲線差別不大，不再一一繪出。

圖7 試驗爐溫隨時間變化曲線Fig.7 Furnace temperature-time curve

3.2 破壞形態

圖8 為各連續梁在火災下的裂縫開展形態及破壞模式，可以看出，受火過程中各試驗梁均產生了受剪斜裂縫，破壞形態均為剪切破壞，所有連續梁的主斜裂縫均出現在靠近梁中間支座處。剪跨比較小的梁斜裂縫延伸長度較短，沿梁側表面走向陡峭，裂縫寬度較大；剪跨比較大的梁斜裂縫延伸長度較長，沿梁側表面走向平緩，裂縫寬度較小。個別試驗梁在火災下發生輕微爆裂，觀察梁受火表面，部分區域出現混凝土脫落現象。

圖8 試驗梁的破壞形態Fig.8 Failure mode of test beams

3.3 混凝土和鋼筋溫度

圖9為火災下連續梁內混凝土溫度-時間關系曲線，由圖可見，試驗過程中，受梁內水分蒸發的影響，混凝土溫度曲線在100℃左右出現明顯水平段。由于混凝土的熱惰性，受火過程中混凝土溫度沿梁截面表現出顯著的非線性分布。至試驗結束時，三面受火的試驗梁，梁底與梁頂的混凝土最大溫差超過700℃。

圖9 混凝土溫度隨時間變化曲線Fig.9 Temperature-time curves of concrete

圖10 為試驗過程中，梁內縱筋和箍筋溫度隨時間變化曲線，由圖可見，三面受火的連續梁梁內箍筋溫度沿周長分布并不均勻，箍筋頂部由于遠離受火面靠近背火面，溫度明顯低于箍筋中部和底部。同樣，受梁內混凝土水分蒸發影響，鋼筋升溫曲線在100℃時均出現水平臺階，越靠近受火面，鋼筋溫度曲線中水平臺階的持續時間越短。

圖10 鋼筋溫度隨時間變化曲線Fig.10 Temperature-time curves of bars

3.4 變形

火災下連續梁的豎向撓度隨時間變化曲線如圖11所示，由圖可知，在恒定荷載作用下，隨著溫度的升高，各連續梁產生的豎向位移較小，撓度變化不大。火災后期，由于梁內混凝土和鋼筋在高溫下的材料力學性能顯著下降，梁發生剪切破壞，豎向撓度突然顯著增長，表現出典型的脆性破壞特征?；馂南?，各梁產生的軸向變形均較小，可以忽略不計。

圖11 梁的豎向撓度隨時間變化曲線Fig.11 Vertical displacement-time curves

3.5 梁的耐火極限

由于火災下無法清楚觀測試驗梁表面裂縫開展情況，因此以梁豎向撓度突然增大、無法繼續承擔豎向荷載作為破壞條件，得到各試驗梁的最終耐火極限，見表2。由表可知，荷載比對鋼筋混凝土連續梁的耐火極限影響顯著，相同條件下，荷載比為0.7的梁L2耐火極限比荷載比為0.6的梁L1降低了67.14%。隨著剪跨比的增大，連續梁的耐火極限降低，剪跨比為2.5的梁L3耐火極限比剪跨比為2.0的梁L1下降21.43%。隨著箍筋間距的減小，連續梁的耐火極限提高，相同條件下，箍筋間距為100 mm的梁L4耐火極限與箍筋間距為200 mm的L1和箍筋間距為300 mm的L5相比，分別提高34%和51.9%。與常溫下不同，隨著混凝土保護層厚度的增加，鋼筋混凝土連續梁高溫下的抗剪性能顯著提高，相同條件下，混凝土保護層厚度為40 mm的梁L7耐火極限比保護層厚度為30 mm的梁L6和保護層厚度為20 mm的梁L1分別提高28%和49.64%。相同條件下，鋼筋混凝土兩跨連續梁雙跨同時受火時的耐火極限比單跨受火情況下降低22%。由于火災下發生了復雜的內力重分布，與簡支梁相比，鋼筋混凝土連續梁高溫下的抗剪性能提高，連續梁L1、L3、L5和L7的耐火極限分別比相同條件下的簡支梁J1、J3、J5和J7提高8.6%、14.5%、11.8%和35.3%。

表2 梁的耐火極限Table 2 Fire resistance of beams

4 結 論

對8根足尺鋼筋混凝土兩跨連續梁和4根足尺鋼筋混凝土簡支梁進行了標準火災試驗，研究了荷載比、剪跨比、箍筋間距、混凝土保護層厚度以及受火工況等對鋼筋混凝土連續梁高溫下抗剪性能的影響，得到以下結論：

（1）火災下鋼筋混凝土連續梁截面溫度呈非線性分布。連續梁高溫下發生剪切破壞時，主斜裂縫一般出現在靠近梁中間支座處。

（2）荷載比對鋼筋混凝土連續梁高溫下的抗剪性能影響顯著，荷載比越大，恒定荷載下梁內產生的初始微裂縫越多，寬度越大，導致熱量從梁表面向梁內部傳導更充分，混凝土和鋼筋的溫度更高，材料力學性能下降更多，梁發生抗剪破壞時的耐火極限顯著降低。

（3）火災下隨著剪跨比和箍筋間距的增加，連續梁的抗剪性能下降。提高混凝土保護層厚度能顯著提高連續梁高溫下的抗剪性能，相同條件下，混凝土保護層厚度為40 mm的梁耐火極限比保護層厚度為30 mm和20 mm的梁分別提高28%和49.64%。

（4）雙跨同時受火時，鋼筋混凝土兩跨連續梁的抗剪性能與單跨受火時相比顯著下降。由于火災下發生了復雜的內力重分布，鋼筋混凝土連續梁在高溫下的抗剪性能優于簡支梁。