火灾后钢管RPC柱抗爆性能试验研究

邹慧辉， 陈万祥， 郭志昆， 姜　猛， 相恒波

( 解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京　210007)

火灾后钢管RPC柱抗爆性能试验研究

邹慧辉， 陈万祥， 郭志昆， 姜猛， 相恒波

( 解放军理工大学 爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京210007)

为研究钢管活性粉末混凝土(钢管RPC)柱火灾后的抗爆性能。通过4根大比例钢管RPC柱试件的野外抗爆试验，得到了冲击波反射压力和钢管RPC柱的位移、应变时程曲线，分析了不同受火时间和比例距离对火灾后钢管RPC柱抗爆性能的影响。结果表明：钢管RPC柱具有良好的抗爆性能，受火后的钢管RPC柱在爆炸荷载作用下钢管仍能有效约束RPC，但随着受火时间的增加钢管RPC柱的抗爆能力减弱。未受火的钢管RPC柱在比例距离为0.58 m/kg1/3的爆炸荷载作用下基本处于弹性状态；受火60 min的钢管RPC柱仍具有较好的变形性能和抗剪能力，但当比例距离由0.58 m/kg1/3减小到0.48 m/kg1/3时，试件出现由弯曲破坏过渡到弯剪破坏的趋势；受火105 min的钢管RPC柱变形性能显著下降，在比例距离为0.58 m/kg1/3的爆炸荷载作用下跨中处出现明显的塑性铰，跨中最大位移和残余位移分别比受火60 min的工况增加0.4倍和1.6倍，说明受火时间对火灾后钢管RPC柱的抗爆性能有较大影响。

钢管RPC柱；抗爆试验；火灾后；受火时间；比例距离

近年来，恐怖分子活动日益猖獗，火灾和爆炸事故频发，火灾后结构受冲击爆炸作用而发生倒塌的案例屡见不鲜。大跨、高耸、重载结构和重要防护结构的抗火和抗冲击爆炸性能成为人们关注的焦点[1-7]。分析表明[8]：结构受火(高温)后性能劣化，在冲击、爆炸荷载作用下局部重要支撑失效，是造成倒塌破坏的重要原因。

为提高工程结构抗火、抗冲击爆炸性能，许多国家正致力于开发各种新材料、新结构。钢管混凝土具有承载力高、刚度大、塑性和韧性好、且施工方便等优点，常用于重大工程的承重结构[9]，并且研究表明：钢管混凝土具有良好的耐火性能[10-11]和抗爆性能[12-14]。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)是一种高强度、高韧性、低孔隙率的超高性能混凝土，已被用于制造抗爆炸、冲击装置[15]。钢管活性粉末混凝土(钢管RPC)能够更好的发挥新型组合结构和新材料的优良特性[16-18]，是一种钢管混凝土中极具开发潜质和应用前景的新型抗火抗爆组合结构。国内外学者对钢筋混凝土构件在冲击爆炸荷载作用下的力学性能进行了一系列的报道，对钢管RPC的研究主要集中在钢管RPC短柱和长柱的静力性能方面，而对钢管RPC的动态力学性能报道较少。Ju等[19]利用SHPB冲击试验研究了10×100～1.1×102s-1应变率范围内不同钢纤维掺量下RPC的动态力学性能，提出了不同应变率和钢纤维掺量条件下RPC动态响应的基本模式和本构模型。冯建文[15]用SHPB冲击试验研究了钢管RPC短柱的抗冲击性能，结果表明钢管约束可以改善RPC抗冲击性能。田志敏等[20-21]利用SHPB冲击试验和数值模拟方法分析了钢管RPC柱的动力响应和承载能力，获得了这种构件的承载力提高系数及构件中钢管与RPC芯柱对冲击动荷载的分配比例关系。

在高温后力学性能研究方面，吴波等[22]对轴向约束钢筋混凝土柱火灾后的剩余轴压性能进行了试验研究，认为受火时间增加会导致钢筋混凝土柱的剩余轴压刚度减小，并讨论了轴压比、柱截面形式对钢筋混凝土柱剩余轴压刚度的影响。霍静思等[23]采用落锤冲击试验机进行ISO-834标准火灾作用下钢管混凝土短柱抗冲击性能试验研究，试验结果表明受火时间、冲击速度、冲击能量和含钢率均对高温下钢管混凝土动力学性能有明显影响。由于火灾引起结构承载力和构件延性降低，因此，对火灾后钢管RPC在爆炸荷载作用下的动力特性以及破坏过程和形态都有待进一步研究。然而，目前国内外还很少有关于火灾(高温)后钢管RPC构件在冲击、爆炸等荷载作用下的性能研究，试验研究更鲜有报道。

本文通过对4根大比例钢管RPC柱试件的野外抗爆试验，研究了不同受火时间、比例距离等因素对火灾后钢管RPC柱抗爆性能的影响。

1　试验概况

1.1试件设计及制作

本次试验采用的RPC材料在江苏博特高性能混凝土国家重点实验室配制，共浇筑6根钢管RPC柱和其它试件，RPC配合比见表1。钢管RPC柱试件的尺寸为t×Ø×L=6 mm×194 mm×2 500 mm。钢管和RPC性能参数见表2。RPC自然养护28 d后，用钢盖板将钢管两端焊接严实以确保试验过程中钢管和RPC能共同受力。

图1　钢管RPC柱Fig.1 Reactive powder concrete filled steel tubular column

水胶比胶体组成水泥硅灰粗石英砂细石英砂石英粉减水剂0.191.00.280.750.370.392.2%

表2　钢管和RPC性能参数

抗爆试验采用其中4根钢管RPC柱，共设计4种工况(见表3)，其中试件RPC-FSTC1、RPC-FSTC3、RPC-FSTC5用于考察受火时间的影响(即工况1、2、4)，RPC-FSTC3、RPC-FSTC4用于考察比例距离的影响(即工况2、3)。4种工况施加的轴力大小均为754 kN，轴压比为0.24。

表3　试验工况

注：试件RPC-FSTC2、RPC-FSTC6用作残余承载力对比试验，不进行抗爆试验。试验采用的炸药为2号岩石乳化炸药，等效TNT系数范围为0.618～0.72。

钢管RPC柱在室外自然养护28 d后，在东南大学火灾试验炉进行升温时间为60 min和105 min两种工况的ISO-834标准火灾试验。试件受火后，钢管外表面锈蚀层出现轻微脱皮、剥落现象。

图2　受火后钢管外表面Fig.2 RPC-FSTC after exposure to fire

1.2加载方案

抗爆试验在野外梁柱构件抗爆试验坑进行。试验坑包括钢-混凝土基座、钢结构自平衡反力系统、轴力加载气缸及位移计支架等(图3(a))。钢管RPC柱两端的支承方式为在试件下部垫方形厚钢板，上部通过固定螺栓进行约束。试验加载方案如图3(b)所示。爆炸荷载采取乳化炸药直接爆炸的方式施加，炸药悬吊至设定高度后，采用电子雷管远距离引爆，炸药爆炸后产生的爆炸冲击波作用在钢管RPC柱上表面。通过高压氮气罐对加载气缸充压，气缸与试验柱相互作用的轴向力作用到自平衡反力架上，最大可提供1 500 kN轴力。由于试件轴向变形较小，可以认为施加的轴力FN在爆炸荷载作用期间恒定不变。

图3　试验装置(m)Fig.3 Blast-resistant experiment set-up(m)

1.3量测内容及测点布置

试验测量的信号为爆炸冲击波反射压力、试件位移和钢管下表面应变。由于荷载、结构均对称，测点只布置在试件一侧，如图3所示。其中3个压力测点布置在试件一侧的钢-混凝土基座上(图3(c))，高度与试件上表面平齐；3个位移测点布置在试件下表面；3个应变测点布置在对应位移测点处邻近的钢管下表面。试验所用主要仪器及其性能见表4。

表4　试验主要测量设备

2　试验结果及其分析

2.1爆炸荷载分析

本次试验共设计24 kg、48 kg两种炸药重量的爆炸荷载，爆炸距离均为1.5 m。为便于分析，乳化炸药的TNT等效系数统一取为0.72，对应的比例距离分别为0.58 m/kg1/3、0.48 m/kg1/3，表5给出了压力峰值测量结果。由于比例距离小，冲击波阵面到达试件表面时还未脱离爆炸气体，导致跨中测点的压力峰值超出了压力传感器的量程。从表中P1测点压力峰值数据可知，相同炸药量爆炸测得的压力峰值具有较大离散性，这主要是由于采用的2号岩石乳化炸药性能不稳定，且比例距离小等原因造成的。

表5　爆炸冲击波反射超压峰值

注：表中部分数据缺失是由于试验过程中压力传感器损坏而没有测量到有效压力数据。

图4为工况4测得的爆炸冲击波反射压力时程曲线。从图中可以看出，爆炸冲击波反射压力具有典型的爆炸冲击波特征，反射压力在瞬时达到峰值，并出现多个峰值的特点，且第二个峰值大于第一个峰值；P3测点位于爆心正下方，测量的反射压力为正反射压力，压力到达峰值后迅速衰减，具有典型脉冲荷载的特征；P1、P2测点测量的反射压力为斜反射压力，由于P3测点反射波的影响，越靠近端部的测点超压作用时间越长；P1测点的压力峰值为14.65 MPa，P2测点的压力峰值为34.51 MPa，P3测点第一个压力峰值达67.12 MPa，第二个压力峰值超出了传感器的量程，大于69 MPa。爆炸荷载沿柱长非均匀分布，跨中最大，沿两端逐渐减小如图5所示。

图4　爆炸冲击波反射压力时程曲线Fig.4 Time-history curve of reflected overpressure

图5　荷载分布示意图Fig.5 Distribution of blast load

2.2试件变形形态及位移数据分析

4种工况下的试件受爆炸作用后残余变形形态如图6所示。

图6　试件受爆炸作用后残余变形图Fig.6 Residual deformation of RPC-FSTC specimens

图6(a)中未受火的试件RPC-FSTC1在爆炸荷载作用后上表面仍与爆坑平齐，试件外观没有明显变化；图6(c)～图6(d)中受火后的试件RPC-FSTC3、RPC-FSTC4、RPC-FSTC5在跨中处出现不同程度的弯曲变形，但试件表面并未出现裂纹和外鼓现象，表明受火后的钢管RPC柱在爆炸荷载作用下的钢管仍能有效约束内填RPC。

表6给出了试件各测点的最大位移和残余位移值，4种工况均为跨中测点D3的位移值最大。文献[9]中以试件侧向位移达到柱长的1/50时的荷载值作为构件在静载作用下的横向极限承载力。未受火的工况1最大位移小于柱长的2%；而受火后的工况2、工况3、工况4最大位移均大于柱长的2%，超过了静载作用下的极限状态。

表6　最大位移和残余位移测量值

图7给出了4种工况下试件的位移时程曲线。

图8为试件最大位移和残余位移沿柱长分布。

图7(a)中，试件RPC-FSTC1的D1、D2点位移时程曲线出现了5 mm的反向位移，表明在爆炸荷载作用下试件出现反弹现象；D1、D2点的最终残余位移趋于零，D3点的残余位移也仅为4.68 mm，表明未受火的钢管RPC柱试件在比例距离为0.58 kg/m1/3时，基本处于弹性阶段；其最大位移和残余位移沿柱长分布如图8(a)所示。

图7(b)为受火60 min后试件RPC-FSTC3在比例距离为0.58 kg/m1/3时的位移时程曲线，三个测点均未出现反向位移，而位移变化最大幅值与工况1相差不大；3个测点均存在残余位移，表明试件已经进入塑性阶段；从图8(b)中试件残余位移曲线可以看出，试件曲率由跨中向两端逐渐减小，并在端部趋于零，说明试件表现出典型的弯曲破坏模式。

图7(d)中，受火105 min后试件RPC-FSTC5的最大位移明显增大，而位移变化最大幅值却较未受火试件RPC-FSTC1和受火60 min后试件RPC-FSTC3的明显减小；从图8(d)中看出，试件表现出弯曲破坏模式，试件变形恢复很小，残余变形主要集中在跨中，并在跨中处形成明显的塑性铰。

图7(c)为比例距离在0.48 kg/m1/3时，试件RPC-FSTC4的位移时程曲线，其位移响应时间较工况2减短；从图8(c)中可以看出，试件在最大位移时刻出现明显的弯剪变形，表现出弯剪破坏趋势，这与文献[6]中在荷载峰值大、作用时间短的爆炸荷载作用下，钢筋混凝土柱易于发生剪切破坏的结论类似。但其残余位移时的变形曲线仍表现出弯曲破坏模式，表明受火60 min后的钢管RPC柱仍有较好的抗剪能力。

图7　试件的位移时程曲线Fig.7 Time-history curves of displacement

2.3应变分析

图9给出了试件RPC-FSTC1的测点纵向应变时程曲线，S1测点的最大应变为2 524×10-6，其残余应变最终归于零，表明试件端部下表面受拉区钢管仍处于弹性阶段；S2测点的应变片由于在爆炸冲击波作用下损坏，其应变时程曲线在后期数据出现异常；S3测点的最大应变为5 870×10-6，残余应变为920×10-6，表明试件RPC-FSTC1下表面部分受拉区的钢管已进入屈服阶段。

由于应变片贴于试件底部的钢管外表面，试验中大部分应变片在爆炸冲击波作用下剥离损坏，未获得有效数据。

图8　试件最大位移和残余位移沿柱长分布Fig.8 Maximum and residual displacement along column axis

图9　试件RPC-FSTC1 应变时程曲线Fig.9 Time-history curves of strain for RPC-FSTC1

3　火灾后钢管RPC柱抗爆性能分析

3.1受火时间的影响

为研究受火时间对火灾后钢管RPC柱抗爆性能的影响，选择未受火的工况1作为对比试验，工况2、4中仅改变受火时间，其它因素保持不变进行试验研究。图10给出了工况1、2、4中试件在跨中达到最大位移时刻和最终残余位移时的变形形态对比。从图中可知，未受火的试件和受火时间为60 min、105 min的试件在达到最大位移时刻的变形形态均为弯曲变形；从最终残余位移时的变形对比图中可以看出，受火后的试件在爆炸荷载作用下表现出弯曲破坏模式，残余变形主要集中在跨中，相比之下，受火60 min的试件变形恢复较大，而受火105 min的试件变形恢复较小，并在跨中形成明显的塑性铰。

由图11可以看出，受火60 min的试件跨中最大位移为54.17 mm，残余位移为20.56 mm，分别比未受火的试件增加0.42倍和3.4倍；受火105 min的试件跨中最大位移为75.9 mm，残余位移为53.76 mm，分别比受火60 min的试件增加0.4倍和1.6倍。

表明受火60 min后的钢管RPC柱仍具有较好的抗爆性能，但随着受火时间增加钢管RPC柱的抗爆性能减弱；受火105 min后的钢管RPC柱变形性能出现明显下降，抗爆性能变差。

图10　受火时间对试件变形形态的影响Fig.10 Effects of fire duration time on deflections

图11　受火时间对试件跨中位移影响曲线Fig.11 Effects of fire duration time on specimen’s mid-span displacements

3.2比例距离的影响

为了研究比例距离对火灾后钢管RPC抗爆性能的影响，工况2、3中受火时间均为60 min，仅改变比例距离，其它因素保持不变进行试验研究。图12给出了工况2、3中试件在跨中达到最大位移时刻和最终残余位移时的变形形态对比。从图中可知，比例距离为0.58 m/kg1/3时试件在跨中达到最大位移时刻的变形形态为弯曲变形，当比例距离减小为0.48 m/kg1/3时试件的变形形态转变为明显的弯剪变形，呈现出弯剪破坏趋势，但其残余变形形态仍表现出弯曲破坏模式。表明受火60 min后的钢管RPC柱仍具有较好的变形性能和抗剪能力，当比例距离减小时，试件将出现由弯曲破坏过渡到弯剪破坏的趋势。

图12　比例距离对试件变形形态的影响Fig.12 Effects of scale distance on deflections

4　结　论

通过4根大比例钢管RPC柱试件的野外爆炸试验，主要分析了受火时间和比例距离对火灾后钢管RPC柱抗爆性能的影响，得出以下结论：

(1) 在比例距离较小的情况下，爆炸荷载沿柱长非均匀分布，跨中最大，沿两端逐渐减小。

(2) 钢管RPC柱具有良好的抗爆性能，未受火的钢管RPC柱在比例距离为0.58 m/kg1/3的爆炸荷载作用下基本处于弹性状态。受火后钢管RPC柱在爆炸荷载作用下，钢管仍能有效约束内填RPC，具有较好的变形性能；受火60 min的钢管RPC柱仍具有较好的变形性能和抗剪能力，当比例距离由0.58 m/kg1/3减小到0.48 m/kg1/3时，试件出现由弯曲破坏过渡到弯剪破坏的趋势，但最终仍表现出弯曲破坏模式。表明受火后的钢管RPC柱仍具有较好的抗爆性能，适于用作抗火抗爆结构。

(3) 受火时间对火灾后钢管RPC柱的抗爆性能影响较大。同一比例距离下，随着受火时间的增加，钢管RPC柱变形性能变差，钢管RPC柱跨中最大挠度和残余挠度增大，受火105 min后的钢管RPC柱抗爆性能明显减弱。

(4) 影响火灾后钢管RPC柱抗爆性能的因素较多，包括受火时间、爆炸峰值压力、正压作用时间、比冲量以及构件长细比、套箍系数、材料性能。系统地研究这些因素对其抗爆性能的影响规律，还需要开展进一步的试验和数值模拟工作。

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Tests for blast-resistant capacities of RPC filled steel tubular columns after exposure to fire

ZOU Hui-hui, CHEN Wan-xiang, GUO Zhi-kun, JIANG Meng, XIANG Heng-bo

(State Key Laboratory of Disaster Prevention & Mitigation of Explosion & Impact, PLA University of Science and Technology, Nanjing 210007, China)

To investigate blast-resistant capacities of RPC filled steel tubular columns (RPC-FSTCs) after exposure to fire, time history curves of reflected overpressure of blast load and displacements and strains of specimens were obtained with field explosion tests of 4 large scale RPC-FSTC specimens. The influences of fire duration time and scale distance of charge on behaviors of RPC-FSTCs were also analyzed. It was shown that the RPC-FSTCs keep an excellent blast-resistant capacity after exposure to fire; RPC core column can be effectively constrained by steel tube under explosion load after the RPC-FSTCs are exposed to fire; the blast-resistant capacity of RPC-FSTCs decreases with increase in fire duration time; the RPC-FSTCs without fire exposure keep elastic state with a scale distance of 0.58 m/kg1/3. RPC-FSTCs with fire duration time of 60 min keep better deformable and shear resistance capabilities, but the flexure failure of specimens tends to the flexure-shear failure when the scale distance of 0.58 m/kg1/3decreases to the scale distance of 0.48 m/kg1/3; the deformable capacity of RPC-FSTCs with the fire duration time of 105 min decreases greatly, obvious plastic hinge are observed at the mid-span of RPC-FSTCs with the scale distance of 0.58 m/kg1/3; the maximum displacement and residual displacement of the mid-span increase by 0.4 times and 1.6 times, respectively compared with those of RPC-FSTCs with the fire duration time of 60 min; so, the fire duration time has a great influence on the blast-resistant capacity of RPC filled steel tubular columns after exposure to fire.

RPC filled steel tubular column; blast-resistant test; after fire; fire duration time; scale distance

10.13465/j.cnki.jvs.2016.13.001

国家自然科学基金(51378498;51578541;51321064);江苏省自然科学基金(BK20141066)

2015-03-26修改稿收到日期：2015-06-01

邹慧辉 男，硕士生，1993年生

陈万祥 男，博士，副教授，硕士生导师，1977年生

TU317.2

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