植筋连接混凝土梁耐火极限计算方法

陆洲导 苏诗雅 余江滔?

摘 要：为定量评估火灾情况下的耐火极限，提出了高温下植筋连接混凝土梁耐火极限预测方法. 采用等效截面法，考虑混凝土和钢筋强度在高温下的弱化，对截面进行强度折减，等效为阶梯形截面，结合常温下构件力学性能的简化计算理论及火灾中单根植筋的极限承载力计算公式，提出火灾中植筋混凝土梁耐火极限的计算方法，并与试验值进行对比分析. 结果表明，本文公式计算出的植筋构件耐火极限与试验结果能较好地吻合，计算值与试验值的误差都在15%左右，差值一般都在15 min以内，可以用该方法进行植筋连接混凝土梁的耐火极限计算.

关键词：耐火极限；植筋；高温；等效截面法

中图分类号：TU375 文献标志码：A

Prediction Method on the Fire Endurance of Post Installed Rebar Beams

Exposed to Fire

LU Zhoudao 1， SU Shiya 1， YU Jiangtao1，2?

（1.Research Institute of Structural Engineering and Disaster Reduction，Tongji University，Shanghai 200092，China；

2.Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure safety，Shanghai 200032，China）

Abstract： To assess the fire endurance， this paper presented the prediction method on the fire endurance of post installed rebar beams exposed to elevated temperature based on ultimate strength of single anchored rebar and concrete structure by equivalent section method， which regarded initial sections as ladder sections by strength reduction. The feasibility of the theoretical calculation was evaluated through a comparison between the results obtained by the prediction method and the experimental measurements. The comparison analysis showed that the method agreed well with the test data with the error of 15%， equivalent to about 15 mins.

Key words： fire endurance； bonded rebar； high temperature； equivalent section method

植筋连接（Post installed rebar connections，PIRC）技术在混凝土结构加固改造工程中应用广泛. 其力学性能受诸多因素影响，如混凝土强度、保护层厚度、鋼筋间距等. 近年来，国内外学者对常温条件下植筋胶黏结滑移、植筋构件承载力以及植筋构件疲劳性能等做了大量研究 [1-5]. 环氧树脂作为一种常用的植筋胶，广泛应用于植筋连接中. 当温度超过玻璃化转变温度Tg时，环氧树脂强度显著下降，转变为软和黏性材料，转变温度一般为50～80 ℃，远低于钢筋和混凝土的临界温度（其强度下降到其初始值的50%）. 一般来说，混凝土在400 ℃时强度会出现明显下降，约为常温的80%[6]. 钢材的弱化温度则在500 ℃左右[7]. 由此可知，植筋胶是火灾（高温）中植筋构件的主要薄弱环节. 理论上，即使植筋构件的内部温度远低于钢筋的软化温度，构件也可能因为植筋胶的力学性能劣化而失效. 然而，较少有学者研究温度对植筋连接性能的影响，关于高温中植筋试件的耐火极限的研究更是少之又少. 德国慧鱼集团研究了不同受火时间后，不同植筋深度下单根植筋的拉拔承载力的变化，以及不同保护层下，与受火面平行的植筋搭接连接的黏结力与受火时间的关系[8]. Kunz[9]研究了植筋胶黏结力随温度的变化，给出了平行搭接的黏结剂承载力计算公式. 郑文忠、侯晓萌等[10-11]凝炼了混凝土及预应力混凝土结构构件的抗火性能，介绍了火灾后混凝土结构加固修复技术，指出了混凝土及预应力混凝土结构抗火研究中存在的问题，展望了其发展趋势. 袁广林、闫玉红等[12-13]进行了高温后植筋边节点的受力性能研究及火灾后植筋锚固性能研究及焊接对植筋胶性能的影响研究. 刘长青、陆洲导等进行了高温下植筋构件抗火性能试验研究[14-16]，包括植筋黏结滑移性能研究、混凝土梁极限承载力、耐火极限研究等. 在耐火极限试验中，研究者分析了保护层厚度和植筋深度对植筋连接混凝土梁耐火极限的影响. 然而，迄今仍没有一套可用于预测高温下植筋连接混凝土梁耐火极限的简化方法. 鉴于上述原因，本文在前人研究的基础上，提出高温下植筋连接混凝土梁耐火极限的简化计算方法，并将计算值与试验值进行对比分析.

1. 植筋构件耐火极限的简化计算方法

1.1 高温中单根植筋的承载力

在之前的研究中，刘长青等[15]推导了单根植筋的极限承载力理论公式：

（1）

式中：

如已知构件的截面温度分布，可以通过以上公式计算极限承载力变化.

综上所述，植筋试件的耐火极限计算流程如下. 首先，根据式（1）计算出单根植筋极限承载力随温度的变化. 然后，根据单根植筋极限承载力和混凝土的温度分布计算构件关键截面的极限承载力随温度的变化，如式（2）～（13）所示. 当植筋梁的承载力无法承受设计荷载时，认为试件达到极限状态，对应的火灾持续时间为试件的耐火极限.

2. 试验验证

2.1 试验概况

为了对提出的算法进行验证，本研究进行了高温下植筋构件耐火极限试验. 试验共浇筑了6个植筋试件，即12个T形截面悬臂梁. 考虑了两种影响因素——保护层厚度和植筋深度，见表1. 为了方便加载，试件为双悬臂梁，尺寸如图6所示.

试件受火与加载装置如图7所示， 在每个试件基材的中线对称布置2只引伸式位移计，用于测量试验过程中基材位移的变化，如图7中的B1、B2和B3、B4.

对试件进行加载，加载点到悬臂梁根部的距离为840 mm，待加载到设定荷载46 kN后，维持荷载不变. 采用ISO834国际标准升温曲线对植筋构件进行火灾试验，记录梁截面内温度场、植筋试件基材位移、受火时间、以及钢筋和植筋胶温度等.

2.2 试验结果与对比分析

2.2.1 试验结果

试验中测量了植筋梁底部植筋胶的温度，变化曲线如图 8所示. 植筋胶温度随着受火时间的变化与钢筋温度相似. 刚开始時，温度增加缓慢，当受火时间超过10 min后，随着受火时间的增加，植筋温度开始非线性上升. 当受火时间到40 min时，升温曲线上出现一个恒温段. 经过恒温段后，温度继续上升，直至达到耐火极限.

测得的基材位移随受火时间的变化如图9所示. 当植筋试件基材的竖向位移达到跨度的1/20，即84 mm时[21]，认为试件达到了耐火极限. 可以看到，在刚开始的10 min内，基材位移基本不变. 随着热量向混凝土内部的传递，各个试件的基材位移开始出现分化. 6个试件的耐火极限见表2. 当试验进行到137 min时，60 mm 20d试件的基材位移仍然小于指定的84 mm，于是对该试件增加荷载至破坏.

2.2.2 耐火极限对比

如前文所述，根据式（1）可计算出单根植筋极限拉力随温度的变化. 图10中绘制了植筋深度分别为15d和20d的单根植筋极限拉力-温度曲线. 根据式（2）～（13），通过单根植筋极限拉力和混凝土的温度分布计算构件关键截面的极限承载力，图11给出了截面的极限承载力与植筋胶温度的关系.

计算表明，对于同一保护层厚度的植筋试件，在未受火的情况下，试件的极限承载力相同，但随着温度的升高，植筋胶性能开始弱化，不同植筋深度构件的极限承载力降幅不同，15d植筋试件的承载力小于20d植筋试件. 此外，对于相同植筋深度的植筋试件，虽然保护层的增加会减小钢筋的抗弯力臂，导致常温承载力的降低，但在高温环境下，较厚的保护层可以有效地降低植筋的升温速率，从而导致更高的耐火极限.

图11中，横虚线表示试验荷载对应的关键截面弯矩. 当截面的极限承载力低于该弯矩时，可认为试件达到耐火极限，见表1. 耐火极限对应的植筋胶温度见表2.

由表1可知，计算值与试验值吻合较好，除40 mm 20 d植筋试件外，其他试件的差值一般都在15 min以内，误差小于15%. 这说明，该方法可有效地进行植筋构件的耐火极限预测.

3. 结 论

通过理论分析和试验比较，探讨了高温下植筋连接构件的耐火极限预测方法，得出以下主要结论：

1）采用等效截面法结合单根植筋极限承载力计算公式提出的耐火极限预测方法，可定量计算高温下植筋连接构件的耐火极限.

2）植筋连接构件耐火极限试验表明，保护层厚度和植筋深度的增加均可提高构件的耐火极限. 当保护层不超过40 mm时，耐火极限受保护层的影响较大. 同种保护层情况下，植筋深度的增加可增加植筋构件的耐火极限，且当保护层大于40 mm后，增加植筋深度可显著增加植筋构件的耐火极限.

3）由本文计算得到的耐火极限与试验值能较好地吻合，其误差都在15%左右，差值一般都在15 min以内，可用该方法进行植筋构件的耐火极限计算.

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