火灾后装配式钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究.pdf

20第 49 卷 第 4 期2023 年8月四川建筑科学研究Sichuan Building Science火灾后装配式钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究秦海亮，傅传国，王运兴，匡华硕，许腾飞（山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101）摘 要：火灾后装配式钢筋混凝土结构的疲劳性能研究具有重要理论研究和实践意义，为模拟钢筋混凝土梁装配式连接节点的性能，设计了 4 根足尺装配式钢筋混凝土简支梁试件。通过火灾升降温作用及循环荷载加载试验，观察分析了装配式钢筋混凝土梁经历火灾升温作用后的抗疲劳性能劣化规律以及装配后浇部位的整体工作性能。火灾后的疲劳性能试验结果表明：后浇连接部位没有出现明显的异常破坏现象，装配连接的整体工作性能良好；火灾升温作用时间对装配式钢筋混凝土梁的疲劳寿命有明显不利影响，与常温对比试验梁相比，经历火灾升温作用 60、120 min 后的装配式钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别缩短了 41.27、97.63。关键词：火灾后；装配式钢筋混凝土梁；疲劳性能；疲劳寿命DOI：10.19794 ki.1008-1933.2023.0042中图分类号：TU366.3 文献标志码：A 文章编号：1008-1933（2023）04-0020-10ExperimentalstudyonfatiguebehaviorofprefabricatedreinforcedconcretebeamsafterfireQIN Hailiang，FU Chuanguo，WANG Yunxing，KUANG Huashuo，XU Tengfei（School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）Abstract：The research on fatigue resistance of prefabricated reinforced concrete structures after fire has important theoretical and practical significance.In order to simulate the performance of prefabricated reinforced concrete beam joints，four full-scale prefabricated reinforced concrete simple beam specimens were designed.Through the fire temperature rise and fall action and cyclic load test，the deterioration rule of fatigue resistance of prefabricated reinforced concrete beams subjected to fire and high temperature action and the overall working performance of the assembled post cast parts were observed and analyzed.The results of fatigue behavior test after fire show that there is no obvious abnormal damage in the post cast joint，and the overall working performance of the assembly connection is good.The fire action time has a significant adverse effect on the fatigue life of the prefabricated reinforced concrete beam.Compared with the normal temperature contrast specimen，the fatigue life of the prefabricated reinforced concrete test beams after 60，120 min of high temperature exposure to fire decreases by 41.27 and 97.63 respectively.Keywords：after fire；prefabricated reinforced concrete beam；fatigue behavior；fatigue life收稿日期：2022-11-16基金项目：上海市工程结构安全重点实验室开放课题（2021-KF03）第一作者：秦海亮（1997），男，在读硕士，研究方向：建筑结构抗火。通讯作者：傅传国（1963），男，博士，教授，主要从事建筑结构抗火、抗震等方面的研究。E-mail：fcguo E-mail：1711033650 212023 第 4 期秦海亮，等：火灾后装配式钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究0 引 言装配式建筑在土木建筑领域的应用越来越广泛。火灾高温在结构构件内部形成的不均匀温度场会大大削弱混凝土、钢筋等材料的性能，使建筑结构的承载性能严重退化。在实际的工程中，建筑结构不仅要承受静力荷载作用，还要承受循环荷载作用，如铁路站房、工业厂房等。随着装配式钢筋混凝土建筑结构的不断应用，火灾及循环荷载耦合作用对其结构承载性能不利影响的问题日益严重。目前，国内外针对装配式钢筋混凝土结构的研究主要集中在高温后的力学性能和常温状态的疲劳性能，而针对火灾后装配式钢筋混凝土结构的疲劳性能研究仍然偏少。钱慧1通过 ABAQUS有限元软件进行了高温后预制装配式型钢混凝土梁与整浇型钢混凝土梁受力性能对比分析。何 超2对钢筋套筒灌浆连接件在高温下及高温后的力学性能展开了试验研究。李光辉3研究了火灾后纤维增强复合材料筋混凝土梁静力与疲劳性能。蒋丽忠等4对 6 根大比例空心梁进行了疲劳性能试验研究，得到了混凝土梁在不同疲劳荷载作用下的 S-N 曲线。刘芳平5进行了普通钢筋混凝土梁的等幅疲劳试验，试验结果表明，梁的受压区混凝土应变、最大裂缝宽度、底部纵筋应变、跨中挠度均随着循环次数的增加而增大。本文开展火灾后装配式钢筋混凝土梁的疲劳性能试验研究，主要是通过火灾升温与循环荷载加载试验，比较后浇段连接装配式钢筋混凝土梁在不同受火作用时间后的破坏形态，探明其疲劳性能、疲劳寿命等变化规律。1 试件设计与制作1.1 试件设计本次试件编号采用如下格式：H 表示采用后浇段装配连接方式的试件；3 表示经历火灾作用，0 表示未经历火灾作用；60、120 分别表示试件经历的标准火灾升温时间为 60、120 min；S 表示静载试验；P1 表示疲劳试验，疲劳上、下限分别为0.6Pu、0.1Pu，其中 Pu为疲劳荷载极限值。表 1列出了试件主要参数。表 1 试件主要参数Table1 Mainparametersofspecimens试件编号火灾升温作用时间 min加热机制加载方式H-0-S静载H-0-P1疲劳荷载H-3-60-P1 60标准升温H-3-120-P1120本次设计制作 4 根足尺装配式钢筋混凝土简支梁试件，其几何尺寸、材料及配筋情况均相同。按照 混凝土结构设计规范（GB 500102010）6进行试件设计，为模拟实际工程中常用的结构装配连接方式和灌浆套筒钢筋连接方式，试件设计为 2 段预制部分，在梁的跨中位置设置装配拼接段，拼接段钢筋采用灌浆套筒连接并后浇混凝土，对预制部分与后浇部分的接合面进行凿毛处理。试件尺寸及配筋如图 1 所示，试件制作现场如 图 2 所示。图 1 试件尺寸及配筋 mmFig.1 Specimensizeandreinforcement22第 49 卷四川建筑科学研究图 2 试件制作现场Fig.2 Specimenfabricationsite1.2 材料实测性能指标混凝土、钢筋、灌浆料的实测力学性能指标分别见表 2 4。灌浆套筒连接件拉伸试验结果见表 5。灌浆套筒主要技术参数见表 6。表 2 混凝土力学性能指标Table2 MechanicalperformanceindexesofconcreteMPa试块编号立方体 抗压强度抗压 强度抗拉 强度试块 133.3421.962.01试块 230.5020.102.38试块 331.6222.392.60平均值31.8221.482.33表 3 钢筋力学性能指标Table3 Mechanicalperformanceindexesofsteel钢筋直径 mm屈服强度 MPa极限强度 MPa 83804901643057522545690表 4 灌浆料力学性能指标Table4 Mechanicalperformanceindexesofgroutingmaterial项目流动度 mm抗压强度 MPa初始值 30 min 保留值1 d3 d28 d性能指标300260356085检验结果312275 39.1 60.6 88.1表 5 灌浆套筒连接件拉伸试验结果Table5 Tensiletestresultsofgroutsleeveconnector接头连接钢筋直径 mm屈服强度 MPa 极限强度 MPa16482.5604.122468.7596.3表 6 灌浆套筒主要技术参数Table6 Maintechnicalparametersofgroutingsleeve套筒型号长度 mm外径 mm锚固长度 mm屈服强度 MPa极限强度 MPaGTZQ4-1631048145 440 610GTZQ4-2241054195 440 6102 火灾升温试验2.1 试验设计火灾升温试验采用三面受火方式，即仅在梁的底部和 2 个侧面受火，顶面不受火，受火过程中没有施加恒定荷载，按照 ISO-834 标准升温曲线控制升温，2 根火灾升温试验梁（H-3-60-P1 和H-3-120-P1）的升温时间分别设定为 60、120 min。2.2 试件内部温度测量为测得试件内部测温截面上各测点的温度变化情况，在 H-3-60-P1 和 H-3-120-P1 浇筑时预先埋设热电偶，如图 3 所示，其中测温截面（截面1-1）选在距梁端 1 400 mm 处。图 3 热电偶布置 mmFig.3 Thermocouplelayout2.3 火灾升温试验装置在山东建筑大学结构工程实验室的抗火试验专区进行火灾升温试验，现场如图 4 所示。对于火灾升温试验的 2 根试件，均采用三面受火工况，按照ISO-834标准升温曲线，分2批进行试验。232023 第 4 期秦海亮，等：火灾后装配式钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究H-3-60-P1 为第 1 批，H-3-120-P1 为第 2 批，分别进行受火时间为 60、120 min 的火灾升温试验，并采取自然降温方式冷却。图 4 火灾升温试验现场Fig.4 Firetemperaturerisetestsite2.4 受火作用试验现象火灾升温试验开始至 5 min 时，炉顶冒出白色水蒸气，且随着炉内温度的升高，水蒸气逐渐增多。试验进行至 40 min 时，炉顶水蒸气开始逐渐减少，说明试件内部水分已全部蒸发完毕。在75、90 min 时炉内发出过短暂的混凝土爆裂声，80 min 时观察到梁端部有水析出。在试验进行到115 120 min 时，炉内持续不断地发出爆裂声。2.5 试件降温后外观表象火灾升温试验结束，2 根试件自然冷却至室温后外观如图 5 所示。图 5 试件降温后外观Fig.5 AppearanceofspecimensaftercoolingH-3-60-P1 梁侧小部分区域混凝土表层剥落，在梁底跨中区域长达近 1 m 的范围内出现了较为严重的混凝土表层剥落、石子暴露的现象，保护层混凝土部分碳化。H-3-120-P1 受火部分的两侧和底部都出现了严重的混凝土剥落、石子暴露现象，试件跨中侧面一大块表层混凝土脱落，暴露出顶部套筒。2 根试件装配连接部位及后浇段未出现明显的开裂现象，整体性良好。2.6 试件截面升降温曲线试验炉实测炉温平均值曲线与 ISO-834 标准升温曲线对比如图 6 所示。试件截面内不同测点的实测升降温曲线如图 7、8 所示。图 6 实测炉温平均值曲线与ISO-834 标准升温曲线Fig.6 MeasuredfurnacetemperaturecurveandISO-834standardtemperaturerisecurve由图 6 8 可知：在火灾升温过程中，实测炉温平均值曲线和 ISO-834 标准升温曲线吻合度较高；受火时间一定时，试件截面内各测点的温度不同，梁截面温度分布不均匀，截面内测点的温度和升温速率随与受火面的距离增大而逐渐变小。由于混凝土的热惰性，试件经历升降温过程后，梁截面各点的升温峰值温度与达到峰值温度的时间均不同，距离受火面越远越滞后7。进入降温阶段后，截面内热量还会维持一段时间，截面内部可能还处于升温阶段。24第 49 卷四川建筑科学研究3 静载试验和疲劳性能试验3.1 加载方式及测点布置静载试验和疲劳性能试验均在山东建筑大学结构力学实验室进行，试件加载方式及测点布置如图 9 所示。3.2 静载试验在进行疲劳性能试验前，首先进行 H-0-S 的静载试验，通过其极限荷载来确定相关疲劳性能试验加载参数。静载试件的破坏形态为正截面受弯破坏，其跨中受压区混凝土破坏形态如图 10 所示。静力加载时试件跨中荷载-挠度曲线如图 11所示，实测静载试件的开裂荷载为 40 kN，极限荷载为 275 kN。图 8 H-3-120-P1 各测点升降温曲线Fig.8 TemperatureriseandfallcurvesofH-3-120-P1measuringpoints图 9 试件加载方式及测点布置 mmFig.9 Loadingmethodandmeasuringpointarrangementofspecimens图 7 H-3-60-P1 各测点升降温曲线Fig.7 TemperatureriseandfallcurvesofH-3-60-P1measuringpoints3.3 疲劳性能试验3.3.1 疲劳性能试验加载方案试验以等幅疲劳的方式、采用正弦波进行加252023 第 4 期秦海亮，等：火灾后装配式钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究载，加载频率为 3 Hz。疲劳性能试验过程中，循环荷载达到预定次数（如 1、1 000、2 000、5 000、1 万、2 万、5 万、10 万、20 万、30 万、40 万、50 万、100 万、200 万次）时停止，进行 1 次静力分级加载至疲劳荷载上限、卸载至 0 kN 的试验工作，并记录各级荷载加载时钢筋与混凝土的应变、裂缝及挠度等发展情况。当完成200万次疲劳加载后，对未发生破坏的试件进行静力加载至其破坏。疲劳性能试验加载现场如图 12 所示。图 10 受压区混凝土破坏Fig.10 Concretefailureincompressionzone图 11 荷载-挠度曲线Fig.11 Load-deflectioncurve图 12 疲劳性能试验加载现场Fig.12 Fatiguebehaviortestloadingsite3.3.2 试件破坏形态试验结果表明，钢筋混凝土试件疲劳破坏包括受拉钢筋断裂和受压区混凝土压碎。1）H-0-P1 的破坏形态如图 13（a）所示。裂缝大致沿跨中对称分布，纯弯区段裂缝垂直向上发展，弯剪区段裂缝呈 45 斜向上发展。观察不同循环次数后，荷载加至疲劳荷载上限时的裂缝发展情况：当循环次数达到 1 万次时，裂缝宽度、高度发展迅速；当循环次数超过 1 万次后，试件的工作状态趋于稳定，裂缝发展缓慢；当循环次数为58.18 万次左右时，随着“砰”的一声，因位移短时间超限，疲劳试验机自动终止。观察发现，试件纯弯曲段底部裂缝处纵筋发生疲劳断裂，导致试件疲劳破坏，此时试件主裂缝宽度、挠度明显增大，跨中主裂缝最大宽度约 3 mm。整体来看，灌浆套筒处未发生钢筋拉断或拔出现象，预制部分与后浇连接部位的结合没有出现明显的薄弱迹象，整体工作良好。2）H-3-60-P1 的破坏形态如图 13（b）所示。当循环次数达到 34.17 万次时，跨中受压区混凝土出现脱落、破碎，导致试件发生疲劳破坏。此时跨中顶部横向裂缝长度约 125 mm，梁底裂缝宽度约 2.32 mm。3）H-3-120-P1 的破坏形态如图 13（c）所示。高温已使混凝土梁表面破损、脱落比较严重，跨中区域顶部已暴露出套筒，且底部有明显横向裂缝，随着疲劳循环的进行，表面“酥化”的混凝土因振动持续性脱落。当循环次数达到 1.38 万次时，跨中顶部混凝土大面积脱落，且肉眼可见梁挠度剧增，纵筋屈服，试件发生疲劳破坏。3.3.3 破坏机理H-0-P1 发生疲劳破坏时，纯弯曲段底部纵筋在裂缝最宽处截面发生断裂。受拉纵筋截面裂纹26第 49 卷四川建筑科学研究图 13 试件破坏形态 mmFig.13 Failuremodesofspecimens向总应变达到峰值应力作用下混凝土的应变，内部裂缝产生失稳扩展，混凝土最终疲劳破坏11-12。4 试验结果与分析4.1 疲劳寿命图 14 为试件火灾升温作用时间与疲劳寿命的关系，其他条件相同，火灾升温作用时间依次为 0、60、120 min，但其疲劳寿命依次为 58.18 万、34.17 万、1.38 万次。这说明火灾升温作用时间对其疲劳寿命具有显著影响，火灾升温作用时间的增长，加速了混凝土的损伤累积，致使其疲劳寿命明显降低，而且其关系不是线性的。由于火灾升温作用增加了试件的初始缺陷，从而增大了试件疲劳破坏的风险，严重影响了其疲劳寿命，与常温对比试验梁相比，经历火灾升温作用 60、120 min 后的装配式钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别降低了 41.27和 97.63，因火灾升温作用时间 120 min 的试件距离喷火口较近，受火灾损伤较大，故而疲劳寿命降低较为严重。图 14 火灾升温作用时间与疲劳寿命关系曲线Fig.14 Relationcurvebetweenfireactiontimeandfatiguelife4.2 挠 度图 15 为试件循环次数-跨中挠度关系曲线。可以看出：试件跨中挠度值及其增长速率与火灾升温作用时间成正比，试件跨中挠度随循环次数的增加而增大，并呈现出明显的三阶段发展趋势：在循环荷载作用下不断扩展，其有效承载面积不断下降，而此处的钢筋应力也不断增大，当受拉纵筋承受接近于其自身疲劳寿命的循环次数作用时，钢筋将发生脆性断裂8-10。混凝土材料为热惰性材料，受热时导热慢，吸热能力强；钢筋由于混凝土保护层的保护，其温度增长较为缓慢。火灾高温作用严重劣化了混凝土的材料性能，尤其在火灾作用时间 120 min 下的混凝土出现严重爆裂、剥落现象。H-3-60-P1、H-3-120-P1 在循环荷载作用前，混凝土已经产生了初始疲劳损伤；而在循环荷载作用下，混凝土内部损伤不断累积、有效承载面积下降、承载能力降低，混凝土达到临界疲劳损伤时，相对应的混凝土纵272023 第 4 期秦海亮，等：火灾后装配式钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究在疲劳发展初期，挠度增大较快；当循环进行一定次数后，其挠度的变化趋于稳定；随着循环次数不断增加，临近破坏时，挠度剧增。图 15 试件循环次数-跨中挠度关系曲线Fig.15 Relationcurvesofcycletime-midspandeflectionofspecimens图 16 为不同循环次数后试件跨中荷载-挠度关系曲线。由图可知，试件在疲劳破坏前刚度变化缓慢，这是在循环荷载作用下钢筋混凝土梁内部损伤累积造成的。对比 H-0-P1 的挠度曲线，在相同荷载作用下，H-3-60-P1 与 H-3-120-P1 的挠度比 H-0-P1 平均增大约 44与 153，这说明火灾高温作用可以增大试件的变形和其剩余强度衰减速率，间接降低了梁的抗变形能力。4.3 混凝土应变结果火灾高温损伤以及循环荷载作用过程对试件混凝土应变的增大也产生了一定的影响。在疲劳初始阶段，循环次数少，各试件应变增加较快；当循环次数超过 2 万次后，混凝土应变变化趋于稳定；临近疲劳破坏时，其应变迅速扩展。试件受压区混凝土应变的变化表明，试件的损伤经历 3 个阶段：初期损伤增加迅速，中期损伤增加缓慢，后期损伤剧增。不同循环次数后试件不同混凝土受压区荷载-应变关系曲线如图 17 所示。4.4 受拉钢筋应变结果在循环荷载作用下，试件钢筋应变变化规律（图 18）与混凝土类似：试件受拉钢筋的应变在初期增长较快，变化明显；随着循环荷载作用次数的不断增多，钢筋应变增量下降，当循环荷载作用次数达到 1 万次时，受拉钢筋应变进入相对稳定增长阶段；临近疲劳破坏时，钢筋应变迅速扩展。5 结 语1）经历 60、120 min 升温时间的试验结果显示，试件截面内各测点的温度分布不均匀，存在明图 16 不同循环次数后试件跨中荷载-挠度关系曲线Fig.16 Relationcurvesofmidspanload-deflectionofspecimensafterdifferentcycles28第 49 卷四川建筑科学研究显的温度梯度；当炉温曲线出现峰值时，试件截面内测点温度出现峰值的时间会相对滞后。2）试件均发生了受拉钢筋屈服、梁顶受压区混凝土被压碎的正截面受弯破坏，后浇段接缝处有裂缝出现但并未贯通，受拉区灌浆套筒连接处并未发生钢筋拉断或拔出破坏的现象，表明火灾升温作用后装配式钢筋混凝土梁的后浇连接部位图 18 不同循环次数后试件受拉钢筋荷载-应变关系曲线Fig.18 Load-strainrelationcurvesoftensilesteelofspecimensafterdifferentcycles与预制部分的结合没有出现明显的薄弱迹象，整体工作性能良好。3）疲劳性能试验破坏形态与静载试验破坏形态相差很大，疲劳破坏以梁内纵筋突然疲劳破坏为标志，破坏前没有任何征兆，属于脆性破坏；疲劳破坏后装配式钢筋混凝土梁纵筋的断面比较平滑，并不会出现静载破坏梁内纵筋的缩颈现象。图 17 不同循环次数后试件受压区混凝土荷载-应变关系曲线Fig.17 Load-strainrelationcurvesofcompressionconcreteofspecimensafterdifferentcycles292023 第 4 期秦海亮，等：火灾后装配式钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究4）火灾升温作用时间对装配式钢筋混凝土梁的疲劳寿命具有明显不利影响，随着火灾升温作用时间的增长，装配式钢筋混凝土梁的疲劳寿命明显缩短。与常温对比试验梁相比，经历火灾升温作用 60、120 min 后的装配式钢筋混凝土梁的疲劳寿命分别缩短了 41.27和 97.63。经历的火灾升温作用时间过长势必会对建筑结构的适用性及耐久性造成较大的不利影响。5）疲劳性能试验过程中，各试件的挠度、混凝土与钢筋应变等的发展均是随着循环次数的增加而呈现出“三阶段”变化规律。参 考 文 献：1 钱慧.高温后预制装配式型钢混凝土梁受力性能研究D.苏州：苏州科技大学，2018.2 何超.高温对钢筋套筒灌浆连接拉伸性能影响的研究D.长沙：湖南大学，2019.3 李光辉.高温后 FRP 筋混凝土梁静力与疲劳受弯性能试验研究 D.郑州：郑州大学，2019.4 蒋丽忠，伍振宇，吴忠河，等.钢筋混凝土空心梁疲劳性能试验研究 J.铁道科学与工程学报，2010，7（3）：6-10.5 刘芳平.疲劳荷载作用后钢筋混凝土梁剩余承载力研究 D.重庆：重庆交通大学，2016.6 混凝土结构设计规范：GB 500102010 S.2015 年版.北京：中国建筑工业出版社，2015.7 傅传国，刘玮，孔唯一，等.基于升降温全曲线的钢筋混凝土梁温度场分析 J.山东建筑大学学报，2015，30（4）：307-317.8 ZHANG B，PHILLIPS D V，WU KEffects of loading frequency and stress reversal on fatigue life of plain concreteJ.Magazine of Concrete Research，1996，48（177）：361-375.9 孟宪宏.混凝土疲劳剩余强度试验及理论研究 D 大连：大连理工大学，2006.10 王仁智，吴培远.疲劳失效分析 M 北京：机械工业出版社，198711 王瑞敏，宋玉普，赵国藩.混凝土疲劳累积损伤准则J.水利学报，1992（5）：72-76.12 张滨生，吴科如.水泥混凝土疲劳破坏的损伤力学分析 J.同济大学学报，1989（1）：59-70.