混杂纤维自密实混凝土简支梁高温后剩余承载力试验与计算.pdf

文章编号: ( ) 混杂纤维自密实混凝土简支梁高温后剩余承载力试验与计算 张 聪, 丁一宁, 曹明莉 ( 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 ; 大连理工大学 建筑材料研究所, 辽宁 大连 ) 摘 要: 近年来建筑火灾频发, 而随着自密实混凝土 在建筑工程中的广泛应用, 开展自密实混凝土以及纤 维自密实混凝土抗火性能的研究已变得尤为重要.针 对自密实混凝土的抗火功能, 研究了钢纤维、 结构性 P P纤维以及细P P纤维对高温作用后自密实混凝土 简支梁剩余承载力的影响, 并推导了一种考虑混杂纤 维作用的简支梁高温后抗弯承载力计算模型, 以期通 过对纤维自密实混凝土构件高温后剩余承载力的量化 与预测, 为火灾后结构的维修和加固提供参考与依据. 关键词: 抗火功能; 纤维自密实混凝土; 高温作用; 抗 弯承载力 中图分类号: TU 文献标识码:A D O I: / j i s s n 引 言 火灾是建筑结构所面临的最为严重的灾害之一, 火灾一旦发生往往造成严重的人员伤亡、 巨大的社会 影响和经济损失.大量的建筑火灾实例表明, 火灾通 常会导致建筑结构混凝土的爆裂和力学性能劣化, 从 而对建筑结构产生严重的损坏, 并降低结构的承载力、 安全性和耐久性 .随着纤维自密实混凝土在建筑结 构中越来越为广泛的应用, 对纤维自密实混凝土构件 的高温承载力劣化程度进行量化, 将对火灾后结构的 维修和加固具有重要意义 . 目前, 对于普通钢筋混凝土构件高温下以及高温 后极限承载力的计算一般采用以下基本假定: 截面温 度场已知; 截面应变依然符合平截面假定; 钢筋与混凝 土之间无相对滑移; 不考虑混凝土的高温抗拉作用. 李引擎等较早得给出了钢筋混凝土构件高温承载力的 计算方法, 通过对截面温度分布进行网格划分并考虑 各网格内材料强度的折减来进行构件高温承载力的计 算 .屈立军等则通过截面宽度折减的方式来计算钢 筋混凝土构件的高温承载力, 将矩形截面等效为阶梯 形截面, 使计算结果与实验结果更为接近 .王学谦 等通过对梁截面的离散化而求得梁截面温度场, 并以 此对混凝土和钢筋的高温性能进行折减, 最后由内力 平衡关系得到梁的高温极限承载力 .过镇海等参考 欧洲抗火规范给出的T 法 , 给出了混凝土强度 折减的二折线方法, 该承载力计算方法较为简便 . 熊学玉等通过将高温截面转化为一个等效匀质截面对 钢筋 混 凝 土 构 件 高 温 下 的 挠 度 进 行 了 计 算 . D o t r e p p e等对钢筋混凝土柱的高温性能进行了分析, 并给出了混凝土和钢筋在四面受火情况下强度的折减 系数 . 目前对于纤维混凝土构件高温承载力的计算方法 研究相对较少, 且普通钢筋混凝土构件高温下以及高 温后极限承载力计算过程中所采用的基本假定并不完 全适用于纤维混凝土构件, 由于纤维( 尤其是结构型钢 纤维) 的存在, 并不能简单地忽略其高温抗拉作用, 因 为纤维依然可以通过桥联裂缝而产生影响, 这也是纤 维混凝土构件高温承载力计算过程中需要特别注意的 问题. 本文针对自密实混凝土的抗火功能, 研究了钢纤 维、 结构性P P纤维以及细P P纤维对高温作用后自密 实混凝土简支梁剩余承载力的影响, 并推导了一种考 虑混杂纤维作用的简支梁高温后抗弯承载力计算模 型, 本文研究成果可以为火灾后结构的维修和加固提 供参考与依据. 实 验 原材料 实验原材料包括PO R普通硅酸盐水泥; 优质石英砂, mm, 细度模数为, 属于中砂; 碎 石粗骨料, mm; 一级袋装粉煤灰, mm方 孔筛筛余 ;S i k a聚羧酸类高效减水剂(S P) ;纤 维采用R C / B N型钢纤维, 纤维长度 mm, 长 径比 、WK 结构型P P纤维, 长度 mm, 长径比 以及WK 细P P纤维, 长度mm, 长径比 , 纤 维形貌, 如图所示.梁底受拉钢筋为HR B 级螺 纹钢, 其中 螺纹钢筋实测屈服强度为 MP a、 抗拉强度为 MP a, 螺纹钢筋实测屈服强度为 MP a、 抗拉强度为 MP a; 架立筋和箍筋为 H P B 级光圆钢筋, 箍筋间距为 mm. 张 聪 等: 混杂纤维自密实混凝土简支梁高温后剩余承载力试验与计算 基金项目: 国家自然科学基金面上资助项目( , ) 收到初稿日期: 收到修改稿日期: 通讯作者: 曹明莉,E m a i l:c a o m i n g l i c o m 作者简介: 张 聪 ( ) , 男, 博士研究生, 主要从事纤维混凝土材料与结构的高温研究. 图 实验中所使用的纤维 F i gI m a g e so f f i b e r su s e d i nt h i ss t u d y 实验所采用自密实混凝土的强度等级为C , 基 准配合比为水泥 k g/m 、 粉煤灰 k g /m 、 砂子 k g/m 、 石子 k g /m ; 其中, 水灰比 , 水 胶比 , 减水剂基准掺量为胶凝材料用量的, 各组配比中减水剂掺量根据新拌混凝土工作性进行微 调.共设计了 组简支梁, 各梁的配筋情况和纤维掺 量如表所示. 表 高温简支梁配筋情况与纤维掺量 T a b l eR e i n f o r c e m e n t r a t i oa n df i b e rc o n t e n to f s i m p l es u p p o r t e db e a me x p o s e dt of i r e 梁编号配筋率/配箍率/细P P纤维/ k g m钢纤维/ k g m结构型P P纤维/ k g m S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H ( 间距 mm) S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H ( 间距 mm) S S B H 构件设计 简支梁截面几何尺寸为 mm mm, 计算 跨度 mm, 混凝土保护层厚度为 mm, 剪跨比 为 , 简支梁配筋如图所示. 图 简支梁配筋图 F i gR e i n f o r c e m e n t i ns i m p l es u p p o r t e db e a m 实验设备与方案 简支梁浇筑成型 d后拆模, 养护至 d后放入 火灾高温试验台进行高温实验.采用高温试验炉进行 简支梁的明火实验, 如图(a) 所示.参照德国标准 D I N , 火灾升温曲线如图(b) 所示. 实验中通过荷载传感器测量荷载的大小; 在梁跨中 和加载点处采用位移传感器( L V D T) 测量梁的挠度, 如 图所示.加载前, 先施加k N荷载进行预压, 之后分 等级力加载, 加载速率为 k N/s, 荷载等级以 k N为 间隔; 每级加载结束持载约 m i n, 观测试验梁裂缝分 布和扩展情况.加载至约 倍的极限承载力时, 将加 载方式切换至位移加载, 加载速率为 mm/m i n, 直至 实验结束. 结果与讨论 荷载挠度曲线 图给出了各组简支梁高温后的弯曲荷载挠度 曲线. 年第期( ) 卷 图 火灾实验炉与火灾实验用温度时间曲线 F i gF u r n a c ea n dt e m p e r a t u r e t i m ec u r v e su s e d i nt h e f i r e t e s t 图 简支梁测点布置图 F i gM e a s u r ep o i n t so f s i m p l es u p p o r t e db e a m s 通过对比可以发现: ()高温后简支梁并没有明 显的初裂点, 至梁屈服前, 梁荷载挠度曲线基本呈线 性变化; 在配筋率为 时, 相比于无纤维简支梁 S S B H, 掺加 k g/m 钢纤维以及混掺k g/m 细 P P纤维 k g/m 钢纤维对高温后简支梁屈服前的 抗弯刚度影响并不明显; 掺加 k g/m 钢纤维以及混 掺k g/m 细P P纤维 k g/m 钢纤维对高温后简 支梁的屈服荷载影响不大, 但使梁的峰值荷载分别提高 了 和 ; 相比于掺加 k g/m 钢纤维简支梁 S S B H以及混掺k g/m 细P P纤维 k g/m 钢 纤维简支梁S S B H的荷载挠度曲线可以发现, 梁 S S B H的峰值荷载低于梁S S B H, 说明高温后简支 梁的承载力主要受钢纤维影响, 细P P纤维的影响不 大. 图 各组简支梁高温后的荷载挠度曲线 F i gL o a d d e f l e c t i o nc u r v e so f s i m p l ys u p p o r t e db e a m sa f t e rh i g ht e m p e r a t u r e 张 聪 等: 混杂纤维自密实混凝土简支梁高温后剩余承载力试验与计算 但是同时也应看到, 相比于单掺 k g/m 钢纤维 简支梁S S B H, 混掺k g/m 细P P纤维 k g/m 钢纤维简支梁S S B H高温后的承载能力并没有明显 降低, 同时也依然高于无纤维简支梁S S B H; 相比于 S S B H, 纤维的掺入使高温后简支梁梁峰值荷载所对 应的挠度减小, 在配筋率为 时, 掺加 k g/m 钢纤维以及混掺k g/m 细P P纤维 k g/m 钢纤 维使高温后简支梁的峰值挠度分别减小了 和 . ( )在配筋率为 时, 混掺k g/m 结构型 P P纤维 k g/m 钢纤维以及三掺 k g /m 细P P 纤维 k g/m 钢纤维k g/m 结构型P P纤维对 高温后简支梁的屈服荷载以及梁屈服前刚度的影响同 样不明显, 但是使高温后简支梁的峰值荷载分别提高 了 和; 对比掺加 k g/m 钢纤维简支梁 S S B H, 可以发现混掺k g/m 结构型P P纤维 k g /m 钢纤维使梁高温后的峰值荷载降低了 ; 相比于S S B H, 单掺 k g/m 钢纤维使梁高温后的 屈服荷载和峰值荷载分别提高了 和 , 均 明显高于S S B H、S S B H、S S B H以及S S B H, 说 明相比于细P P纤维和结构型P P纤维, 钢纤维对于梁 高温后力学性能的改善效果更明显; 相比于S S B H, 在配筋率为 时, 混掺k g/m 结构型P P纤维 k g /m 钢 纤、 三 掺 k g/m 细P P纤 维 k g /m 钢纤维k g /m 结构型P P纤维以及单掺 k g /m 钢纤维使简支梁高温后的峰值挠度分别减 小了 , 和 , 说明提高钢纤维掺量将 进一步降低梁高温后的峰值挠度. ( )在配筋率为 时, 混掺k g/m 细P P纤 维 k g/m 钢 纤 维、 混 掺 k g/m 钢 纤 维 k g /m 结构型P P纤维以及三掺 k g /m 细P P纤 维 k g/m 钢纤维k g/m 结构型P P纤维对高 温后简支梁的屈服荷载以及梁屈服前刚度的影响并不 明显, 但是使高温后简支梁的峰值荷载分别提高了 , 和 ; 对比于S S B H, 可以发现不 论是混掺k g/m 细P P纤维 k g/m 钢纤维的简 支梁S S B H、 混掺 k g/m 钢纤维k g/m 结构 型P P纤维的简支梁S S B H还是三掺 k g /m 细 P P纤维 k g/m 钢纤维k g/m 结构型P P纤 维的简支梁S S B H, 其高温后的极限承载力均低于 S S B H, 同样说明相比于细P P纤维和结构型P P纤 维, 钢纤维对于梁高温后力学性能的改善效果更明显; 相比于S S B H, 在配筋率为 时, 混掺k g/m 细P P纤维 k g/m 钢纤维、 混掺 k g/m 钢纤维 k g /m 结构型 P P纤维以及三掺k g/m 细P P 纤维 k g/m 钢纤维k g/m 结构型P P纤维使 简支梁高温后的峰值挠度分别减小了 , 和 ; 对比于S S B H、S S B H和S S B H, 可以 发现提高钢纤维掺量将进一步降低梁高温后的峰值挠 度. ( )在配筋率为 时, 相比于无纤维简支梁 S S B H, 掺加 k g/m 钢纤维以及混掺k g/m 细 P P纤维 k g/m 钢纤维对高温后简支梁屈服前的 抗弯刚度影响并不明显; 而掺加 k g/m 钢纤维以及 混掺k g/m 细P P纤维 k g/m 钢纤维对高温后 简支梁峰值荷载 并无显著影 响; 对比于S S B H及 S S B H, 可以发现当配筋率增大时, 纤维对于梁高温 后力学性能的改善效果相对减弱; 相比于S S B H, 纤维的掺入使梁高温后峰值荷载所对应的挠度减小, 在配筋率为 时, 掺加 k g/m 钢纤维以及混掺 k g /m 结构型P P纤维 k g/m 钢纤维使简支梁 高温后的峰值挠度分别减小了 和 . 承载力计算方法 参考欧洲规范B SE N , 以 等温线为混凝土强度折减计算的标准, 即假定温度低 于 的混凝土区域其强度同常温强度而不进行折 减, 因此将保留截面的全部面积; 假定温度高于 的混凝土区域其强度为零, 因此将忽略该部分截面面 积.在本文忽略细P P纤维对高温后R C梁承载力的贡 献, 而仅考虑钢纤维和结构型P P纤维的影响, 可得到无 纤维R C梁等效截面为h T mm,bT mm; 相 应地, 钢纤维R C梁与混杂纤维R C梁的等效截面分别 为 mm mm和 mm mm. 承载力计算时的基本假定 ( )截面温度场为已知.本文通过结合实验数据 和数值模拟结果来确定各类型R C梁的截面温度场; ( )平截面假定依然适用; ()钢筋与混凝土之间粘结 良好、 无滑移, 变形协调; ( )受拉区混凝土采用纤维 混凝土的受拉本构模型, 应力应变关系采用式() c t Ecc t c tc r f c rst u ( ) 式中,c r为纤维混凝土开裂应变, 取 ;f为 纤维混凝土开裂后纤维通过桥联作用所承担的拉应 力,MP a; t u为纤维混凝土极限拉应变, 取 . ( )受压区混凝土采用式() 所示受压本构关系, 高温后可按下式计算混凝土极限压应变 T c u T c u T为等效截面受压区最外边缘混凝土所经历的最 高温度 c fc fc c u ( ) 式中,fc为轴心抗压强度,MP a;为与fc对应 的混凝土压应变, 取 ;c u为混凝土极限压应变, 取 . ( )高温后可按下式计算钢筋的屈服强度fT y 和 弹性模量 年第期( ) 卷 f T y( T) fy T ( ) f T y( T) fy T ( ) ETs( T) E s T ( ) 高温后极限承载力计算 在承载力极限状态时, 高温后钢筋纤维混凝土梁 正截面受弯应力与应变分布如图所示.根据传统钢 筋混凝土梁正截面抗弯承载力理论的平截面假定、 力 平衡以及弯矩平衡关系, 并考虑纤维对受拉区混凝土 的影响, 高温后极限抗弯承载力MT u可按下式计算 MTuAsfT yhx T T f bT hT c T () hT c T x T T f bT (hh T)h h T c T ( ) 其中,As为受拉钢筋面积,mm ; f T y 为高温后钢 筋的屈服强度,MP a; h为梁截面有效高度,mm;xT 高温后梁受压区等效应力矩形高度,mm; bT 为高温后 梁等效截面的宽度,mm; h为梁高,mm;c T 为高温后 梁中和轴高度,mm.梁高温后中和轴高度cT以及等 效应力矩形高度xT可分别按下式计算 f T yAs T f bT (hT c T) T f bT (hh T) fcbT x T ( ) xTc T ( ) 对于单掺钢纤维的简支梁, 高温后 T f 按下式计算, 即 T f f,s ts tVf,s tFb e,s t(f) (f)T ( ) T f f,s ts tVf,s tFb e,s t(f) (f)T ( ) 其中,f,s t为钢纤维与混凝土间的界面剪切应力, MP a, 对于端部弯钩钢纤维可取为混凝土基体抗拉强 度的 倍 ; s t为钢纤维的长径比;Vf,s t为钢纤维的 体积掺量; Fb e,s t为钢纤维的形状特征系数, 对于端部弯 钩型钢纤维取 . 对于钢纤维混杂结构型P P纤维的简支梁, 高温 后 T f的取值按下式计算, 即 T f ( f) (f) ( f,s ts tVf,s tFb e,s tf, s y s y Vf, s y Fb e, s y ) T ( ) T f f,s ts tVf,s tFb e,s t(f) (f)T ( ) 其中,f, s y 为结构型P P纤维与混凝土间的界面剪 切应力,MP a, 对于D o u b l ed u o f o r m结构型P P纤维可 取为 MP a; s y 为结构型P P纤维的长径比; Vf, s y 为 结构型P P纤维的体积掺量;Fb e, s y 为结构型P P纤维的 形状特征系数, 对于D o u b l ed u o f o r m结构型P P纤维 可取为 .此外, 在本文中, 由于细P P纤维无法用 作结构型纤维, 因此其对简支梁高温后极限抗弯承载 力的影响不予考虑. 图 高温后钢筋纤维混凝土梁破坏阶段应力应变分布 F i gS t r e s sa n ds t r a i nd i s t r i b u t i o no f f i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a mc o n t a i n i n gc o n v e n t i o n a ls t e e lr e b a ra f t e r h i g ht e m p e r a t u r e 高温后简支梁极限承载力的计算值与试验值的对 比如表和图所示, 可以看到, 采用本文给出的承载 力模型的计算结果与实验结果符合程度较高, 说明本 文的承载力计算方法可以用于混杂纤维自密实混凝土 简支梁高温后极限承载力的预测. 张 聪 等: 混杂纤维自密实混凝土简支梁高温后剩余承载力试验与计算 表 高温后简支梁极限承载力计算结果与试验结果对比 T a b l eC o m p a r i s o nb e t w e e nc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l r e s u l t s f o ru l t i m a t e l o a dc a p a c i t yo f s i m p l ys u p p o r t e d b e a m sa f t e r f i r ee x p o s u r e 编号 钢纤维 Vf/ 结构型P P纤维 Vf/ fc /MP a b T /mm hT /mm 钢筋温度 / f y T /MP a Mu,c a l /k Nm Mu,e x p /k Nm Mu,c a l /Mu, e x p S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H S S B H 图 高温后简支梁极限承载力试验结果与计算结果 对比 F i gC o m p a r i s o no f t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa n dt h e p r e d i c t e dr e s u l t sf o ru l t i m a t el o a dc a p a c i t yo f s i m p l ys u p p o r t e db e a m sa f t e rh i g ht e m p e r a t u r e 结 论 通过研究, 可以得到以下结论: ( ) 纤维的引入提高了自密实混凝土梁高温后 的承载力, 峰值荷载所对应的挠度随之变小, 刚度随之 增大. ( ) 相比于结构型P P纤维和细P P纤维, 钢纤 维对承载力的提高作用更为明显; 纤维对于梁承载力 和变形的影响随着配筋率的提高而减小. ( ) 参考欧洲规范, 通过二台阶法对纤维的贡献 进行了折减, 推导了一种考虑混杂纤维作用的自密实 混凝土简支梁高温后抗弯承载力计算模型, 计算结果 与试验测试结果符合程度较好. 参考文献: G u oX i n j u n E x p e r i m e n t a l s t u d ya n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o n a n a l y s i so f f i r e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c eo f c o n c r e t e s e g m e n t c o m p o n e n to f s h i e l dt u n n e lD C h a n g s h a:C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y, 郭信君盾构隧道混凝土管片构件抗火性能试验及模拟分 析研究 D长沙: 中南大学, R u s t i nF i k e,V e n k a t e s hK o d u r E n h a n c i n gt h ef i r er e s i s t a n c eo f c o m p o s i t e f l o o r a s s e m b l i e s t h r o u g h t h eu s eo f s t e e l f i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t eJE n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s, , : L iY i n q i n g,M aD a o z h e n,X uJ i a n D e s i g nc a l c u l a t i o na n d c o n s t r u c t i o n p r o c e s s i n g o ff i r e p r o t e c t i o n f o r b u i l d i n g s t r u c t u r e sM B e i j i n g:C h i n aB u i l d i n gI n d u s t r yP r e s s, 李引擎,马道贞,徐 坚建筑结构防火设计计算和构造 处理 M北京:中国建筑工业出版社, Q u L i j u n B e a r i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o no fR Cf l e x u r a l m e m b e rd u r i n gf i r eh a z a r dJ A r c h i t e c t u r eT e c h n o l o g y, , ( ) : 屈立军火灾时钢筋混凝土受弯构件承载力计算 J建 筑技术, , ( ) : W a n gX u e q i a n C a l c u l a t i o nf o rt h eu l t i m a t eb e n d i n gm o m e n t o fR Cb e a m ss e c t i o nu n d e r f i r eJ B u i l d i n gS t r u c t u r e, ,() : 王学谦火灾高温下钢筋混凝土梁截面极限弯矩的计算 J建筑结构, ,() : E NB S : E u r o c o d e D e s i g no fc o n c r e t es t r u c t u r e sS G e n e r a lR u l e sa n dR u l e s f o rB u i l d i n g s, Y a n gJ i a n p i n g,S h iX u d o n g,G u oZ h e n h a i S i m p l i f i e dc a l c u l a t i o no fu l t i m a t el o a db e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e d c o n c r e t eb e a m su n d e rh i g ht e m p e r a t u r eJ I n d u s t r i a l C o n s t r u c t i o n, , () : 杨建平,时旭东,过镇海高温下钢筋混凝土梁极限承载 力的简化计算 J工业建筑, , () : Y a n gJ i a n p i n g,S h iX u d o n g,G u oZ h e n h a i S i m p l i f i e dc a l c u l a t i o no fu l t i m a t el o a db e a r i n gc a p a c i t yo fr e i n f o r c e d c o n c r e t ec o m p r e s s i o n b e n d i n g m e m b e r su n d e rh i g ht e m p e r a t u r eJ B u i l d i n gS t r u c t u r e, , ( ) : 杨建平,时旭东,过镇海高温下钢筋混凝土压弯构件极 限承载力简化计算 J建筑结构, , () : X i o n gX u e y u,S h e nS h i f u,C a iY u e S i m p l i f i e dc a l c u l a t i o n o fd e f l e c t i o no f c o mm o nc o n c r e t e s t r u c t u r e su n d e r f i r eJ J o u r n a l o fN a t u r a lD i s a s t e r s, , () : 熊学玉,沈士富,蔡 跃火灾下普通混凝土结构的挠度 年第期( ) 卷 计算简化方法 J自然灾害学报, , () : D o t r e p p eJ C a l c u l a t i o nm e t h o df o rd e s i g no fr e i n f o r c e d c o n c r e t ec o l u m n su n d e rf i r ec o n d i t i o n sJ A C IS t r u c t u r a l J o u r n a l, , () : W u B o M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr e i n f o r c e dc o n c r e t e s t r u c t u r e sa f t e r f i r eM B e i j i n g:S c i e n c eP r e s s, 吴 波火灾后钢筋混凝土结构的力学性能 M北京: 科学出版社, V o oJ,F o s t e rS V a r i a b l e e n g a g e m e n tm o d e l f o r f i b r e r e i n f o r c e dc o n c r e t e i nt e n s i o nR UN I C I VR e p o r tN o R ,T h eU n i v e r s i t yo fN e wS o u t hW a l e s,S y d n e y,A u s t r a l i a, : E x p e r i m e n t a n dc a l c u l a t i o no f r e s i d u a l l o a db e a r i n gc a p a c i t yo f h y b r i df i b e r r e i n f o r c e ds e l f c o n s