鋼筋混凝土單層平面框架火災行為的尺寸效應

摘要：為探究鋼筋混凝土框架結構火災行為的尺寸效應，對6榀幾何相似但比例不同的單層單跨鋼筋混凝土平面框架結構開展標準升溫條件下的明火試驗，然后進行有限元模擬和參數分析，考察柱荷載比和梁荷載比對不同比例框架結構的破壞模式、變形發展以及耐火極限的影響.結果表明：相同受火條件下，幾何尺寸和荷載水平相似的不同比例框架的耐火極限存在明顯的尺寸效應，隨試件尺寸增大，耐火極限增加，但增幅小于按文獻中構件的耐火極限相似（或等效）關系推測出的增幅；火災下鋼筋混凝土平面框架結構的破壞模式受梁荷載比、柱荷載比的相對大小影響，當柱荷載比較小、梁荷載比較大時，易發生梁破壞，反之易發生柱破壞；由于混凝土柱的高溫性能尺寸效應比混凝土梁的更顯著，當小尺寸框架發生柱破壞時，幾何和荷載水平相似的大尺寸框架可能發生梁破壞.

關鍵詞：鋼筋混凝土框架；明火試驗；有限元模擬；耐火極限；尺寸效應

中圖分類號：TU375 文獻標志碼：

混凝土結構抗火領域的試驗研究和模擬分析目前主要針對獨立的或受約束的混凝土梁、板、柱等構件，較少針對鋼筋混凝土框架或其他整體結構［1］.已有研究結果表明，鋼筋混凝土框架結構中的梁、柱構件表現出與獨立的梁、柱構件不同的火災行為［2-3］.由于鋼筋混凝土框架結構中的梁、柱構件熱膨脹變形受到周邊相連構件的約束作用，結構將產生顯著的內力重分布，且隨著火災溫度升高和材料力學性能的退化，這種內力重分布不斷進行，使得構件的內力和變形經歷復雜的變化［4-5］.鋼筋混凝土框架結構的火災行為受火災場景［6］、梁柱荷載水平［7］、梁柱線剛度比［8］、構件截面類型、混凝土強度［9］等因素影響.劉猛等［10］研究發現，當柱荷載比較小時，框架出現受火梁破壞導致的局部破壞形態；當柱荷載比和梁配筋率均較大時，框架出現受火柱破壞導致的整體破壞形態.吳波等［8］指出，梁柱線剛度比對框架結構高溫變形的影響總體上不及荷載比的影響大，且梁柱線剛度比的影響主要體現在升溫中后期. 苗吉軍等［11］的研究結果表明，火災后梁的受彎承載力下降幅度比柱的受壓承載力下降幅度大且退化更為嚴重，而肖建莊等［9］亦指出框架結構中的梁、柱構件在火災中的剛度退化程度不一致.

混凝土材料是一種非勻質的準脆性材料，其常溫和高溫下的強度均具有明顯的尺寸效應［12］.混凝土材料強度的尺寸效應必然會引起混凝土構件和結構力學性能的尺寸效應［13］.已有不少學者對混凝土構件常溫力學性能的尺寸效應進行了研究［14］，也有少量關于混凝土構件火災行為的尺寸效應的研究.例如，Reddy等［15］通過數值模擬方法對鋼筋混凝土方形柱和矩形梁的耐火極限的尺寸效應進行了研究.Zhang等［16-17］對火災下鋼筋混凝土簡支梁和軸壓柱的熱-力學響應的尺寸效應進行了試驗研究.目前， 尚無鋼筋混凝土框架結構在火災下的熱-力學響應的尺寸效應研究.

受耐火實驗爐尺寸和加載裝置能力限制，大尺寸構件以及結構整體開展足尺明火試驗較為困難，縮尺模型明火試驗是研究其耐火性能的必要手段.然而，尺寸效應的存在會影響不同比例鋼筋混凝土結構或構件的物理力學性能指標的相似關系，從而影響利用模型結構試驗結果預測原型結構性能的準確性.為探究鋼筋混凝土框架結構火災行為的尺寸效應，本文對6榀幾何相似但尺寸比例不同的單層單跨鋼筋混凝土平面框架結構開展標準升溫條件下的明火試驗，然后進行有限元模擬和參數分析，考察柱荷載比和梁荷載比對不同比例框架結構破壞模式、變形發展以及耐火極限的影響，從而為鋼筋混凝土結構縮尺模型明火試驗提供參考.

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗設計了1.0（原型）、0.7和0.5比例的3組單層單跨鋼筋混凝土平面框架結構，每組包括兩個試件，柱頂施加的荷載比（軸向壓力與采用實測材料強度計算的柱常溫軸向承載力之比）不同.原型框架的梁截面尺寸為250 mm（寬）×350 mm（高），長2 450 mm，凈跨為1 750 mm，底部縱筋為2 20，頂部縱筋為2 14；柱截面尺寸為350 mm×350 mm，高2 150 mm，縱筋為4 20；梁柱混凝土保護層厚度均為30 mm，箍筋直徑均為10 mm，加密區和非加密區箍筋間距分別為100 mm和200 mm.0.7比例模型框架與0.5比例模型框架的梁柱幾何尺寸和保護層厚度均在原型框架梁柱的基礎上按照相應比例縮小，配筋率基本保持不變.由于模型框架高度減小，而耐火實驗爐高度固定不變，因此在模型框架底部設置剛度較大的支撐柱和底梁，使得模型框架、支撐柱和底梁的總高與原型框架和底梁的總高一致.原型框架與0.7比例模型框架的具體幾何尺寸及截面配筋如圖1所示.