不同養(yǎng)護(hù)齡期下鋼筋混凝土柱的耐火性能研究

楊志年 張 歡 祝煥然 王興國(guó) ，* 李安然

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

0 引 言

鋼筋混凝土柱作為結(jié)構(gòu)主要豎向承重構(gòu)件，其抗火性能非常重要?；馂?zāi)下，一旦柱發(fā)生突然破壞，將直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生整體倒塌。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)混凝土柱的火災(zāi)下及火災(zāi)后力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究［1-5］，但這些研究均未考慮高溫下混凝土爆裂對(duì)鋼筋混凝土柱耐火性能的影響。火災(zāi)下鋼筋混凝土柱表面混凝土發(fā)生爆裂脫落，削弱了構(gòu)件的有效截面，加速了鋼筋高溫下的軟化，導(dǎo)致構(gòu)件的耐火性能下降。爆裂過程及其影響因素十分復(fù)雜，而養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)混凝土爆裂影響顯著，開展養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)鋼筋混凝土柱耐火性能影響的研究非常必要。

本文通過對(duì)具有不同混凝土強(qiáng)度及養(yǎng)護(hù)齡期的足尺鋼筋混凝土柱進(jìn)行耐火性能試驗(yàn)以及有限元分析，研究了養(yǎng)護(hù)齡期及含水率對(duì)鋼筋混凝土柱爆裂程度及耐火性能的影響，提出了具有不同混凝土強(qiáng)度的鋼筋混凝土柱火災(zāi)下耐火極限的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，進(jìn)一步完善了鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)理論，以指導(dǎo)消防安全。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

考慮不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)鋼筋混凝土柱抗火性能的影響，共選取 3 根 C30 混凝土柱及 3 根 C50 混凝土柱進(jìn)行研究。試驗(yàn)柱根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，柱長(zhǎng)均為2.4 m，截面尺寸均為200 mm×300 mm。柱內(nèi)縱筋和箍筋均采用HRB400 鋼筋，實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度平均值為430 MPa，抗拉強(qiáng)度為587 MPa，彈性模量為2.0×105N/mm2，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm，柱的截面尺寸及配筋見圖1。鋼筋混凝土柱的養(yǎng)護(hù)齡期分別為28 d、180 d 和360 d，混凝土的實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度及含水率見表1。對(duì)柱的火災(zāi)模擬采用恒載-升溫方式，火災(zāi)升溫曲線采用ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，柱四面受火，加載方式為集中荷載，軸心受壓，試驗(yàn)中，各柱采用的軸壓比均為0.7。圖2為試驗(yàn)裝置示意圖。

2 有限元模型的建立

本文利用ABAQUS 非線性有限元分析軟件建立了鋼筋混凝土柱的有限元計(jì)算模型。對(duì)鋼筋混凝土柱進(jìn)行火災(zāi)下溫度場(chǎng)分析時(shí)，混凝土和鋼筋的熱工參數(shù)均根據(jù)歐洲規(guī)范［6］選取，得到柱在四面受火條件下的截面混凝土溫度場(chǎng)分布以及鋼筋溫度。采用熱-力耦合的方法，以柱的溫度場(chǎng)分析結(jié)果作為力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)鋼筋混凝土柱的耐火性能進(jìn)行分析。

圖1 柱的尺寸及配筋Fig.1 Arrangement of reinforcement of the column

表1 柱混凝土的實(shí)測(cè)強(qiáng)度及含水率Table 1 Measured strength and moisture content of concrete of the columns

圖2 柱火災(zāi)試驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Fire test equipment of the columns

柱混凝土及鋼筋的本構(gòu)關(guān)系分別采用軟件中的塑性損傷模型及塑性分析模型，力學(xué)性能參數(shù)由試驗(yàn)實(shí)測(cè)值以及歐洲規(guī)范計(jì)算確定。力學(xué)計(jì)算采用與溫度場(chǎng)分析一致的單元網(wǎng)格劃分，以保證柱受力計(jì)算時(shí)，與其耦合溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確性。本模型暫不考慮鋼筋與混凝土之間的相對(duì)滑移，通過在溫度場(chǎng)分析中采用Tie 約束和結(jié)構(gòu)計(jì)算中采用Embedded 約束，實(shí)現(xiàn)鋼筋與混凝土相同幾何位置的節(jié)點(diǎn)變形一致。不同養(yǎng)護(hù)齡期下，鋼筋混凝土柱具有不同含水率，含水率對(duì)高溫下混凝土爆裂、溫度場(chǎng)分布及構(gòu)件耐火性能有較大影響，本文按照歐洲規(guī)范建議的方法，即考慮水分蒸發(fā)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，對(duì)100 ℃～200 ℃之間的混凝土比熱容進(jìn)行修正，在此溫度區(qū)間下，假設(shè)混凝土的比熱容按三角形分布，在130 ℃時(shí)取峰值。低于100 ℃和高于200 ℃時(shí)對(duì)混凝土比熱容不作修正。

表2 各柱試驗(yàn)中的爆裂參數(shù)Table 2 Spalling parameters of the columns in the test

圖3 鋼筋混凝土柱有限元模型Fig.3 Finite element model of reinforced concrete column

由試驗(yàn)結(jié)果可知，普通混凝土柱C1 和C2 混凝土發(fā)生爆裂的初始時(shí)間分別為7 min和12 min，持續(xù)時(shí)間分別為31 min 和18 min；高強(qiáng)混凝土柱C4和C5混凝土發(fā)生爆裂的初始時(shí)間分別為4 min和8 min，持續(xù)時(shí)間分別為29 min 和20 min。表中“—”表示整個(gè)試驗(yàn)過程中未聽見明顯的爆裂聲響，無(wú)法確定混凝土發(fā)生爆裂的初始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間。吳波等［8］研究表明：高強(qiáng)混凝土發(fā)生爆裂的初始時(shí)刻主要集中在8～23 min，平均約為15 min；持續(xù)時(shí)間則主要集中在8～25 min，平均約為20 min。試驗(yàn)中，各柱混凝土的爆裂區(qū)域主要集中在柱中附近，沿柱四個(gè)側(cè)面不均勻分布。由于真實(shí)火災(zāi)中，構(gòu)件混凝土發(fā)生爆裂的時(shí)間、爆裂區(qū)域面積及爆裂的深度都有很大的離散和隨機(jī)性，因此，本文結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果及其他文獻(xiàn)研究成果［1，9-10］，對(duì)柱混凝土爆裂的模擬做出以下假定：

（1）整個(gè)受火過程中，柱混凝土發(fā)生兩次爆裂，第一次爆裂發(fā)生時(shí)間對(duì)應(yīng)試驗(yàn)柱爆裂發(fā)生的初始時(shí)刻，爆裂深度取為試驗(yàn)柱最終平均爆裂深度的1/2；第二次爆裂發(fā)生在試驗(yàn)柱爆裂經(jīng)歷持續(xù)時(shí)間后的結(jié)束時(shí)刻，經(jīng)歷第二次爆裂后，柱混凝土的爆裂深度達(dá)到最終平均爆裂深度。

（2）爆裂區(qū)域主要發(fā)生在柱中附近，爆裂最嚴(yán)重柱側(cè)面爆裂面積為總爆裂面積的1/2，剩余1/2爆裂總面積平均分布在其他三個(gè)側(cè)面。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)值分析

3.1 爐溫

本文中火災(zāi)試驗(yàn)利用火災(zāi)燃?xì)鉅t按照ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫，試驗(yàn)中爐內(nèi)溫度與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的對(duì)比如圖4 所示。由于各柱試驗(yàn)中的爐溫曲線相差不大，圖4只繪出了柱C1 的爐溫曲線。由圖可見，試驗(yàn)實(shí)測(cè)爐溫與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線相差不大。

圖4 試驗(yàn)爐溫-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Temperature-time curve in the furnace

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)象

C30混凝土柱受火后表面的爆裂情況見圖5和圖6。柱C1由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短，含水率較高，高溫下混凝土內(nèi)部水分產(chǎn)生的壓力作用下，柱表面混凝土發(fā)生了劇烈的爆裂現(xiàn)象，火災(zāi)中柱截面混凝土削弱嚴(yán)重。柱C2、C3 由于養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，含水率較低，受火過程中柱表面混凝土爆裂程度較為輕微。

圖7 和圖8 為C50 混凝土柱受火后表面的爆裂情況。同樣，柱C4 由于養(yǎng)護(hù)齡期較短，高溫下發(fā)生了劇烈爆裂，柱表面混凝土發(fā)生大范圍的脫落，柱中鋼筋完全外露，火災(zāi)下鋼筋失去混凝土的保護(hù)，溫度迅速升高，鋼筋發(fā)生明顯屈服，構(gòu)件破壞，見圖7（a）。柱C4和C5由于養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)，火災(zāi)下爆裂現(xiàn)象與C3 相比程度較輕，圖8 為柱C4-C6高溫下發(fā)生爆裂的位置和面積示意圖。

3.3 柱內(nèi)溫度

圖5 柱C1-C3表面爆裂情況Fig.5 Spalling of columns C1-C3

圖6 C1-C3爆裂區(qū)域示意圖Fig.6 Spalling area of C1-C3

圖7 柱C4-C6表面爆裂情況Fig.7 Spalling of columns C4-C6

圖8 C4-C6爆裂區(qū)域示意圖Fig.8 Spalling area of C4-C6

圖9 為鋼筋混凝土柱內(nèi)距表面50 mm 處混凝土溫度隨時(shí)間變化曲線。由圖可知，對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)的混凝土柱，升溫早期，由于柱內(nèi)混凝土水分蒸發(fā)，吸收熱量，曲線在100 ℃左右形成一個(gè)水平臺(tái)階。養(yǎng)護(hù)齡期較短的混凝土柱，由于含水量較大，受火后柱表面混凝土爆裂較為嚴(yán)重，曲線并未出現(xiàn)明顯水平臺(tái)階。升溫后期，由于各柱爆裂程度不一，導(dǎo)致各柱混凝土達(dá)到的最高溫度不同，養(yǎng)護(hù)齡期較短的柱，含水率較大，混凝土爆裂較嚴(yán)重，混凝土內(nèi)部測(cè)點(diǎn)達(dá)到的最高溫度較高，養(yǎng)護(hù)齡期較長(zhǎng)的柱，爆裂現(xiàn)象較為輕微，混凝土內(nèi)部達(dá)到的最高溫度較低。受火過程中，C50 混凝土柱由于爆裂更加嚴(yán)重，混凝土達(dá)到的最高溫度明顯高于C30混凝土柱。

1.2.2 循證問題 根據(jù)循證護(hù)理的要求，結(jié)合患者的實(shí)際情況和肛裂手術(shù)的情況來(lái)提出幾個(gè)主要問題：（1）影響患者術(shù)后便秘的因素具體是哪些？（2）采取怎樣的措施才能防止肛裂術(shù)后發(fā)生便秘？（3）如何處理患者發(fā)生肛裂術(shù)后便秘。提出以上三個(gè)問題后，小組應(yīng)該對(duì)以往的臨床相關(guān)資料進(jìn)行總結(jié)分析[3]，了解到相關(guān)的信息。

柱內(nèi)鋼筋溫度隨時(shí)間變化曲線見圖10，由圖可知，隨著鋼筋混凝土柱養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，柱含水率下降，爆裂程度更輕微，鋼筋溫度增長(zhǎng)較慢，達(dá)到的最高溫度較低。與普通混凝土柱相比，高強(qiáng)混凝土柱由于混凝土內(nèi)部密實(shí)度較高，火災(zāi)時(shí)發(fā)生爆裂的損傷更嚴(yán)重，混凝土保護(hù)層迅速失效，導(dǎo)致柱內(nèi)部鋼筋溫度明顯高于普通混凝土柱。?；饡r(shí)，養(yǎng)護(hù)齡期為18 d的高強(qiáng)混凝土柱C4的中截面處縱筋最高溫度達(dá)到915 ℃。受火初期，由于混凝土中水分在蒸發(fā)過程中吸收熱量，導(dǎo)致鋼筋升溫相對(duì)較緩，在100 ℃左右形成水平臺(tái)階，但水分子運(yùn)動(dòng)過程復(fù)雜，數(shù)值模擬中，通過單一修改100 ℃～200 ℃之間混凝土材料的比熱容描述含水率大小具有一定誤差，導(dǎo)致柱內(nèi)鋼筋溫度計(jì)算值稍高于試驗(yàn)值。升溫中后期，隨著柱內(nèi)水分蒸發(fā)結(jié)束，鋼筋溫度繼續(xù)上升，鋼筋溫度的計(jì)算值與試驗(yàn)值逐漸趨于一致。

圖9 柱內(nèi)混凝土溫度-時(shí)間關(guān)系曲線Fig.9 Temperature-time curves of the concrete of the columns

3.4 柱的變形

圖11 和圖12 分別為普通混凝土柱C1-C3 和高強(qiáng)混凝土柱C4-C5 的軸向位移隨時(shí)間的變化曲線，由圖可以看出，各混凝土柱軸向變形的計(jì)算值與試驗(yàn)值相比吻合較好。受火早期，由于受熱膨脹，所有柱均產(chǎn)生了向上的豎向位移，隨著火災(zāi)的進(jìn)行，柱內(nèi)鋼筋和混凝土的溫度逐漸升高，高溫下材料力學(xué)性能下降，同時(shí)混凝土發(fā)生爆裂后導(dǎo)致柱的有效截面面積減小，導(dǎo)致柱在受火中后期產(chǎn)生向下的軸向變形。高溫下，軸心受壓混凝土柱破壞時(shí)豎向位移發(fā)生突變，脆性破壞特征明顯。

3.5 柱的耐火極限

圖10 柱內(nèi)鋼筋溫度-時(shí)間曲線Fig.10 Temperatures of bars of the columns

由建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法，火災(zāi)下柱達(dá)到耐火極限的標(biāo)準(zhǔn)為柱的豎向位移超過其受火高度的1/100。表3 為軸心受壓荷載作用下各鋼筋混凝土柱的耐火極限。由表可知，養(yǎng)護(hù)初期，齡期對(duì)鋼筋混凝土柱耐火極限影響顯著，養(yǎng)護(hù)齡期越短，混凝土含水率越高，火災(zāi)時(shí)柱的爆裂越嚴(yán)重，最終柱的耐火極限越短。隨著養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)，柱內(nèi)混凝土含水率變化趨緩，火災(zāi)中混凝土爆裂對(duì)柱耐火極限的影響逐漸變小。相同條件下，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)高強(qiáng)混凝土柱的影響大于普通混凝土柱。由于高強(qiáng)混凝土柱混凝土孔隙率更小，內(nèi)部更加密實(shí)，導(dǎo)致火災(zāi)中柱的爆裂現(xiàn)象更加嚴(yán)重，柱截面的削弱程度更深，柱內(nèi)鋼筋溫度上升更快，耐火極限小于普通混凝土柱。相同軸壓比下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的普通混凝土柱C1 耐火極限比相同養(yǎng)護(hù)齡期下的高強(qiáng)混凝土柱C4 大約提高30%。由表可以看出，各鋼筋混凝土柱耐火極限的試驗(yàn)值與計(jì)算值相對(duì)誤差均小于5%，吻合較好。

特定荷載水平及混凝土保護(hù)層厚度下（軸壓比為0.7，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm），鋼筋混凝土柱火災(zāi)下的耐火極限與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線見圖13，相同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，擬合出的鋼筋混凝土柱耐火極限與養(yǎng)護(hù)齡期之間的關(guān)系如下：

C30混凝土柱：

C50混凝土柱：

式中：Rl為柱的耐火極限，單位為min；T為柱的養(yǎng)護(hù)齡期，單位為d。

可以看出，相同條件下，鋼筋混凝土柱的耐火極限隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增加，養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，其對(duì)柱耐火極限的影響較為顯著，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期增長(zhǎng)到一定值時(shí)，曲線逐漸接近水平，其對(duì)柱耐火極限的影響變得不夠明顯。

火災(zāi)下鋼筋混凝土柱耐火極限的試驗(yàn)值、有限元模擬值與根據(jù)簡(jiǎn)化公式計(jì)算得到的計(jì)算值對(duì)比如圖14 所示。由圖可知，利用簡(jiǎn)化公式得到的柱耐火極限計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好。

圖12 高強(qiáng)混凝土柱軸向位移-時(shí)間曲線Fig.12 Vertical displacement-time curves of high strength concrete columns

表3 鋼筋混凝土柱的耐火極限Table 3 Fire resistance of the reinforced concrete columns

圖13 柱耐火極限-養(yǎng)護(hù)齡期關(guān)系曲線Fig.13 Fire resistance-curing period curves of the columns

圖14 試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Fig.14 Comparison of the test results and numerical calculation results

特定荷載水平及混凝土保護(hù)層厚度下（軸壓比為0.7，混凝土保護(hù)層厚度為30 mm），鋼筋混凝土柱火災(zāi)下的耐火極限與含水率的關(guān)系曲線見圖15，相同混凝土強(qiáng)度等級(jí)下，擬合出的鋼筋混凝土柱耐火極限與含水率之間的關(guān)系如下：

C30混凝土柱：

C50混凝土柱：

式中：Rl為柱的耐火極限，單位為min；ω為柱的含水率。

4 結(jié) 論

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下的鋼筋混凝土柱進(jìn)行耐火性能研究，得到以下主要結(jié)論：

圖15 柱耐火極限-含水率關(guān)系曲線Fig.15 Fire resistance-moisture content of the columns

（1）建立的有限元計(jì)算模型，能夠較好地模擬鋼筋混凝土柱火災(zāi)下的耐火性能，模擬結(jié)果經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，吻合較好。

（2）養(yǎng)護(hù)初期，齡期對(duì)鋼筋混凝土柱的耐火性能影響顯著，養(yǎng)護(hù)時(shí)間越短，柱含水率越高，火災(zāi)中混凝土爆裂越嚴(yán)重，柱的耐火極限越低。相同條件下，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 的普通混凝土柱耐火極限比養(yǎng)護(hù)齡期為180 d 和360 d 的柱分別降低34%和38%；養(yǎng)護(hù)齡期為28 d 的高強(qiáng)混凝土柱耐火極限比養(yǎng)護(hù)齡期為180 d和360 d的柱分別降低49%和51%。

（3）隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，柱內(nèi)混凝土含水率逐漸下降并趨于穩(wěn)定，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)柱耐火極限的影響變小。

（4）與普通混凝土相比，由于高強(qiáng)混凝土內(nèi)部較為密實(shí)，高溫下發(fā)生爆裂更加劇烈，導(dǎo)致柱截面混凝土削弱較多，內(nèi)部鋼筋升溫過快，火災(zāi)發(fā)生后迅速失去承載能力。

（5）與常溫條件不同，鋼筋混凝土柱，尤其是高強(qiáng)混凝土柱進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮混凝土發(fā)生爆裂后保護(hù)層損失的問題，以免火災(zāi)中柱截面削弱過多，鋼筋溫度升高過快，柱的承載能力突然喪失。