高溫下鋼筋混凝土梁的受力性能研究

周培龍 李 揚(yáng) 張江昆 方昊天

（湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院,武漢 430068）

隨著我國核電站、化工車間等高溫項(xiàng)目的建設(shè),越來越多的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)面臨高溫的考驗(yàn).本研究的主要目的是為了探究并充分發(fā)揮高溫下鋼筋混凝土的力學(xué)性能,以期達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)及節(jié)約材料的目的.例如:核電站的一些密閉容器,局部溫度可以達(dá)到120℃以上;核反應(yīng)堆進(jìn)出口冷卻水的溫度在230～290℃左右;一些冶金和化工高溫車間,其高溫?zé)焽柰鈿囟冗_(dá)到200℃左右.已有的針對高溫下鋼筋混凝土性能的研究表明:混凝土是一種熱惰性材料[1],但是在高溫條件下,力學(xué)性能顯著退化,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力降低.隨著溫度的升高,混凝土的抗壓和抗拉強(qiáng)度會(huì)有所下降,應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系也會(huì)出現(xiàn)較為明顯的變化[2-6].混凝土的導(dǎo)熱性能較差,但在持續(xù)高溫下混凝土內(nèi)部的溫度將會(huì)不斷升高,鋼筋將會(huì)暴露于高溫中,導(dǎo)致鋼筋的延性、應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度顯著降低[7].鋼筋混凝土構(gòu)件的損傷程度與高溫時(shí)間有關(guān)[8].Abdullah Huzeyfe Akca對高溫后的梁試件進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲試驗(yàn),在經(jīng)歷高溫之后,鋼筋混凝土梁的抗彎剛度更容易惡化[9].通過對梁構(gòu)件在高溫下進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度有關(guān),因?yàn)閮烧叩膶?dǎo)熱系數(shù)不同,構(gòu)件內(nèi)部可能出現(xiàn)不同的溫度梯度,從而使粘結(jié)強(qiáng)度下降[10-11].

此外,已有研究表明:鋼筋和混凝土線膨脹系數(shù)的差異導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)熱應(yīng)力[12-15].南洋理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)[16]對鋼筋混凝土短梁分別進(jìn)行了高溫和常溫試驗(yàn),分析了熱誘導(dǎo)應(yīng)變（如熱應(yīng)變、瞬態(tài)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變）和熱誘導(dǎo)軸向約束對梁力學(xué)行為的影響.變溫環(huán)境下對梁構(gòu)件進(jìn)行熱應(yīng)力分析,并導(dǎo)出了一般性計(jì)算公式[17].為了掌握溫度與外荷載同時(shí)作用條件下,受彎構(gòu)件的力學(xué)性能變化情況,利用自主研發(fā)的高溫設(shè)備,對梁構(gòu)件進(jìn)行溫度、荷載同步施加,并實(shí)時(shí)監(jiān)測升溫過程中構(gòu)件應(yīng)變數(shù)據(jù)的變化,據(jù)此研究鋼筋混凝土構(gòu)件在高溫下的受力性能及內(nèi)部熱應(yīng)力,為鋼筋混凝土構(gòu)件在更高溫度下的性能研究和安全優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐.

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 設(shè)備介紹及試件制作

試驗(yàn)設(shè)備如圖1 所示,試驗(yàn)采用自主研發(fā)的升溫-加載一體試驗(yàn)箱,為了避免溫度變化過程中導(dǎo)致的加載系統(tǒng)不穩(wěn)定,采用鋼配重加載方式.加熱方式為電熱管加熱,通過TDS-530 數(shù)據(jù)采集儀采集應(yīng)變和溫度變化數(shù)據(jù).試驗(yàn)箱具有20～550℃的溫度測試區(qū)間,溫度控制精度在0.1℃以內(nèi),在試驗(yàn)過程中,通過溫度控制臺(tái)對箱內(nèi)溫度進(jìn)行設(shè)定.試驗(yàn)采用3根相同的梁構(gòu)件,依次為B1、B2、B3,如圖2所示,構(gòu)件截面長、寬、高分別為1000、100、200 mm.依據(jù)現(xiàn)行混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)規(guī)范,采用強(qiáng)度等級(jí)42.5的普通硅酸鹽水泥,粗骨料為碎石,具體配合比為水泥∶水∶砂∶石子為1∶0.45∶2.45∶3.25.同時(shí)期制作尺寸為150 mm 的混凝土立方體,進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后,測出其抗壓強(qiáng)度fcu為33.20 MPa.構(gòu)件配筋及溫度測點(diǎn)布置如圖3所示,受拉鋼筋、腰筋和架立筋均采用直徑為12 mm 的HRB335級(jí)鋼筋（配筋率為1.3%）,保護(hù)層厚度為25 mm.跨中截面的鋼筋上布置10個(gè)測點(diǎn),混凝土表面布置6個(gè)測點(diǎn).在粘貼應(yīng)變片前先用砂紙對測點(diǎn)位置進(jìn)行打磨,使應(yīng)變片和試件更好地接合,選用ZFLA-6-11高溫應(yīng)變片和PT100型熱電偶,測點(diǎn)連接處選用NP-50（聚酯膠）膠粘劑.同時(shí),為確保試件在高溫作用下完全達(dá)到指定溫度,將高溫?zé)犭娕纪綕仓阡摶鞓?gòu)件形心位置（如圖3所示）.

圖1 高溫試驗(yàn)設(shè)備

圖2 試件加載示意圖

圖3 梁構(gòu)件配筋及測點(diǎn)布置（mm）

1.2 試驗(yàn)方法

在升溫過程中對梁構(gòu)件開展四點(diǎn)彎曲試驗(yàn).將梁構(gòu)件置于高溫試驗(yàn)箱內(nèi),并對構(gòu)件預(yù)壓2～3次,連接好數(shù)據(jù)采集儀與應(yīng)變片,每組數(shù)據(jù)采集間隔為10 s.梁構(gòu)件采用分級(jí)加載的方式,荷載等級(jí)依次為4.98、9.8、14.08、18.58 kN.擬對構(gòu)件進(jìn)行非破壞性試驗(yàn),以30℃起為第一輪加載,此后每輪的溫度間隔為20℃,直至300℃,共計(jì)15 輪試驗(yàn).試件內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)通過各測點(diǎn)布置的熱電偶實(shí)時(shí)監(jiān)測得出,在試件加載前保證試件內(nèi)外溫差小于1℃,且保持穩(wěn)定.

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 梁熱應(yīng)力分析

由于應(yīng)變數(shù)據(jù)是在升溫和加載耦合作用下得到的,考慮到箱體內(nèi)不同位置處的高溫環(huán)境存在或多或少的誤差,傳統(tǒng)采用溫度補(bǔ)償試件的做法,不能完全滿足測試的精度需要,據(jù)此,本文研究團(tuán)隊(duì)提出了原位補(bǔ)償法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[18].

依據(jù)原位補(bǔ)償法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過混凝土自由膨脹應(yīng)變與溫度應(yīng)變的差值,求得混凝土測點(diǎn)位置的軸向熱應(yīng)力:

式中:σt為t溫度下測點(diǎn)位置的軸向熱應(yīng)力,N/mm2;εb為溫度應(yīng)變;εth為自由膨脹應(yīng)變;Et為t溫度下的彈性模量,N/mm2.

由文獻(xiàn)[16],假設(shè)鋼筋混凝土梁試件在溫度與荷載耦合作用下不出現(xiàn)鋼筋及界面滑移等理想的情況下,通過鋼筋混凝土梁截面平衡方程及變形協(xié)調(diào)方程可得:

鋼筋的軸向應(yīng)力為

由梁試件鋼筋總截面面積與混凝土面積的比值:

得到混凝土軸向應(yīng)力

式中:Δα為混凝土和鋼筋線膨脹系數(shù)的差值;r為鋼筋半徑,mm;N為分布鋼筋數(shù)量;A為梁試件截面面積,mm2;n為材料性能常數(shù);Ets為在溫度t下鋼筋的彈性模量,N/mm2;Etc為在溫度t下混凝土的彈性模量,N/mm2.

由公式（1）～（4）對應(yīng)變數(shù)據(jù)處理及理論計(jì)算可得出梁表面混凝土熱應(yīng)力及鋼筋熱應(yīng)力（如圖4 所示）,梁構(gòu)件B1、B2、B3在溫度與荷載的耦合作用下具有相似的變化趨勢,且與計(jì)算值較為一致,3根試件梁足以確保試驗(yàn)的可靠性.在30～100℃區(qū)間內(nèi)混凝土的熱應(yīng)力隨著溫度上升呈線性增長趨勢,并在100℃達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限值,在170℃左右混凝土的熱應(yīng)力逐漸降至0 MPa.如圖4（b）所示,梁試件內(nèi)部鋼筋的熱應(yīng)力在30～100℃區(qū)間內(nèi)隨著溫度的升高呈增長趨勢,且在100℃左右達(dá)到極值,之后隨溫度的增大而減小,最終呈波動(dòng)變化.通過對比理論計(jì)算值和試驗(yàn)值,在梁構(gòu)件溫度小于100℃時(shí),兩者變化趨勢基本相似,從而驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的合理性.在100～300℃區(qū)間內(nèi)有較大差異,分析其主要原因是隨著梁構(gòu)件溫度的升高,混凝土開始出現(xiàn)裂縫,混凝土的開裂對試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響,同時(shí)處于一種理想狀態(tài)下的理論計(jì)算,并沒有完全考慮到試驗(yàn)過程中其它因素的影響.

圖4 梁試件內(nèi)部熱應(yīng)力

2.2 梁跨中截面應(yīng)變分析

通過對梁構(gòu)件測點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理分析,得到了8個(gè)溫度梯度下鋼筋混凝土梁頂面20 mm、底面20 mm處和截面中部的應(yīng)變值（如圖5所示）.

圖5 受彎梁跨中截面應(yīng)變分布隨溫度變化圖

通過對應(yīng)變數(shù)據(jù)的分析,得到了中性軸隨溫度變化曲線,如圖6所示.隨著溫度的升高,鋼筋混凝土梁截面中性軸的位置開始向上偏移,這與熱應(yīng)力的聚集有關(guān),在100℃左右混凝土熱應(yīng)力達(dá)到最大值,隨著混凝土內(nèi)部裂縫的出現(xiàn)使應(yīng)力重新分布.隨著溫度的繼續(xù)升高,導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步開裂,鋼筋承擔(dān)了大部分荷載,使中性軸又向初始位置靠近.梁構(gòu)件采用對稱配筋的方式,使得中性軸與截面形心接近.

圖6 中性軸位置與溫度之間的關(guān)系

2.3 試驗(yàn)值與計(jì)算值的對比

根據(jù)截面等效原則計(jì)算梁跨中截面受壓鋼筋的應(yīng)變,截面等效就是把鋼筋截面等效為混凝土截面,當(dāng)鋼筋截面放大Re倍時(shí)就可以等效為混凝土截面,可以求出等效后的截面慣性矩.

式中:B和H分別為梁試件的寬度和高度,mm;Re為放大系數(shù);N為鋼筋數(shù)量;ri為鋼筋半徑,mm;yi為梁構(gòu)件第i根鋼筋的中性軸到形心的距離,mm.

溫度的變化會(huì)使梁構(gòu)件的力學(xué)性能發(fā)生改變,通過材料力學(xué)公式得到梁跨中截面受壓鋼筋截面高度處的應(yīng)變,并對實(shí)測值與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比.

式中:M為純彎曲段的彎矩,N·mm2;σ為截面上距離中性軸y處的分布應(yīng)力,N/mm2;y為梁中性軸與測點(diǎn)之間的距離,mm.

結(jié)合式（5）～（7）可得出各溫度梯度下受彎構(gòu)件內(nèi)部受壓鋼筋應(yīng)變試驗(yàn)值與計(jì)算值,如圖7所示.可以看出,隨著梁構(gòu)件溫度的上升,受彎構(gòu)件內(nèi)部受壓鋼筋應(yīng)變逐漸增大;同時(shí)通過試驗(yàn)和理論計(jì)算得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)整體的趨勢基本相似,說明此次試驗(yàn)結(jié)果具有可靠性,但兩者仍有一定差異,可能是由于混凝土材料的離散性造成的.

圖7 受彎構(gòu)件受壓鋼筋應(yīng)變試驗(yàn)值與計(jì)算值比較

2.4 梁抗彎剛度分析

由各溫度梯度下梁構(gòu)件的彎矩-曲率關(guān)系,通過材料力學(xué)公式（8）、（9）計(jì)算高溫下鋼筋混凝土梁的抗彎剛度（Ei）,為該階段梁構(gòu)件的受力變形分析提供參考.

式中:ε為受壓區(qū)跨中鋼筋應(yīng)變值;ρ為中性層的曲率半徑,mm.

同時(shí)考慮到在高溫作用下材料性能發(fā)生的變化,給出高溫下鋼筋混凝土的剛度退化試驗(yàn)均值與理論計(jì)算值比較圖,如圖8～9所示.

圖8 鋼筋混凝土高溫下受壓區(qū)鋼筋應(yīng)變值隨溫度變化圖

圖9 鋼筋混凝土梁高溫下剛度退化圖

理論計(jì)算值與試驗(yàn)值的趨勢變化較為相似,梁中性軸的位置會(huì)受到熱應(yīng)力的影響,但與梁剛度的計(jì)算無關(guān).在30～75℃范圍內(nèi)梁的抗彎剛度無明顯變化;在90～110℃范圍內(nèi)梁的抗彎剛度隨溫度的升高而增大;135℃后梁的抗彎剛度呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降的趨勢.90～110℃混凝土剛度的變化可能與混凝土彈性模量的增加有關(guān),由于水蒸氣對混凝土起到了蒸汽養(yǎng)護(hù)的作用,使彈性模量增加,這與課題組對混凝土在升溫中測試其彈性模量所得到的趨勢相似,而在135℃后,水泥水化產(chǎn)物由于溫度的上升發(fā)生相變和脫水,會(huì)破壞水泥石的組織結(jié)構(gòu),從而使砂漿的彈性模量降低,最終導(dǎo)致梁的抗彎剛度下降[19].

3 結(jié)論

通過對30～300℃范圍內(nèi)梁構(gòu)件力學(xué)性能的研究,可以得到以下結(jié)論:

1）梁構(gòu)件內(nèi)部的熱應(yīng)力會(huì)隨溫度的升高而發(fā)生明顯的變化.

2）在30～300℃之間鋼筋混凝土梁的中性軸的位置會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生改變.

3）雖然梁構(gòu)件存在熱應(yīng)力,但是對于梁剛度計(jì)算的影響較小,可以忽略.在30～75℃范圍內(nèi)梁的抗彎剛度無明顯變化;在90～110℃范圍內(nèi)梁的抗彎剛度隨溫度的升高而增大;135℃后梁的抗彎剛度呈現(xiàn)出穩(wěn)定下降的趨勢.