钢筋混凝土连续梁火灾下抗剪性能的试验研究

杨志年 韩 旭 舒 升 王兴国，* 祝焕然

（1.华北理工大学建筑工程学院，唐山063210；2.河北省地震工程研究中心，唐山063210）

0 引 言

钢筋混凝土连续梁是建筑结构中应用最广泛的梁构件形式，其火灾下的力学性能对建筑结构的整体抗火性能影响显著。目前国内外学者对钢筋混凝土梁的抗火性能进行了大量相关研究［1-8］，但研究主要针对独立梁的高温下抗弯性能，而对于钢筋混凝土连续梁火灾下的抗剪性能研究较少。

温度对钢筋混凝土梁抗剪承载力的影响主要体现在材料性能和抗剪传力机理两方面。火灾下随着温度的升高，梁内混凝土和钢筋的力学性能下降，导致梁斜裂缝上部剪压区混凝土截面承受的剪力下降。火灾下梁的裂缝数量增多，裂缝宽度增大，造成混凝土骨料咬合力下降。火灾引起的高温还会降低混凝土与钢筋的黏结性能，从而削弱了纵筋的销栓作用。高温下箍筋和弯起钢筋等抗剪腹筋的力学性能下降，也降低了钢筋混凝土梁的抗剪性能。与简支梁相比，连续梁由于具有正负两个方向的弯矩，受力更复杂，剪力传递机理明显不同于简支梁，尤其火灾下，受高温的影响，连续梁的内力分布将变得更为复杂。连续梁高温下产生的塑性内力重分布不仅可以改变梁弯矩内力的分布，还会对梁的剪力内力分布及抗剪性能产生重要影响。

本文对8根足尺钢筋混凝土连续梁以及4根足尺钢筋混凝土简支梁进行了恒载-升温条件下的标准火灾试验，研究了荷载比、剪跨比、混凝土保护层厚度、配箍率及受火工况等对钢筋连续梁火灾下抗剪性能的影响，对比分析了连续梁与简支梁高温下抗剪性能的异同，为钢筋混凝土梁的抗火设计提供参考。

1 试验梁设计

为研究钢筋混凝土连续梁火灾下的抗剪性能，共设计制作了8根足尺钢筋混凝土连续梁，为对比连续梁与简支梁高温下的抗剪性能，同时设计制作了4根钢筋混凝土简支梁。连续梁与简支梁的长度分别为4.5 m和2.5 m，计算跨度分别为4 m和2 m，各梁的截面尺寸均为300 mm×150 mm。试验梁混凝土均采用C30商品混凝土，混凝土实测抗压强度为33.5 MPa，含水率为3.4%。梁内纵筋均采用直径为22 mm的HRB400级钢筋，实测屈服强度为430 MPa，抗拉强度为570 MPa，弹性模量为2.0×105N/mm2。梁内箍筋均采用直径为6 mm的HPB300级钢筋，实测屈服强度为383 MPa、抗拉强度460 MPa。试验梁的截面尺寸及配筋见图1。

图1 试验梁截面尺寸及配筋（单位：mm）Fig.1 Section size and reinforcement arrangement of the beam（Unit：mm）

考虑不同荷载比、剪跨比、混凝土保护层厚度、箍筋间距以及受火工况对钢筋混凝土连续梁火灾下抗剪性能的影响，共进行了8根足尺钢筋混凝土连续梁的标准火灾试验，梁编号分别为L1-L8。其中连续梁L2的荷载比为0.7，其他各连续梁荷载比均为0.6；连续梁L3的剪跨比为2.5，其他各梁的剪跨比均为2.0；连续梁L6和L7的混凝土保护层厚度分别为30 mm和40 mm，其他各梁的混凝土保护层厚度均为20 mm；连续梁L4和L5的箍筋间距分别为100 mm和300 mm，其他各梁的箍筋间距均为200 mm；连续梁L8的受火工况为单跨受火，其他各梁的受火工况均为两跨同时受火。为对比钢筋混凝土连续梁与简支梁火灾下抗剪性能的异同，同时进行了4根钢筋混凝土简支梁的标准火灾试验，梁编号分别为J1、J3、J5和J7。各试验梁的参数设计如表1所示。

表1 试验梁的参数设计Table 1 Parameter design of test beam

2 试验方法

所有试验均为钢筋混凝土梁在恒载-升温条件下的标准火灾试验，火灾升温曲线采用ISO834标准升温曲线，加载方式为在梁跨内施加对称的两点集中荷载，试验中利用油压千斤顶、荷载分配梁及钢辊轴将恒定荷载施加至试验梁的顶部。集中荷载的施加位置，可以根据试验梁剪跨比的不同而进行调整。根据欧洲规范［9］，进行抗火设计的钢筋混凝土梁最大容许荷载为

式中：Ed为常温设计下梁所能承担的最大荷载值；ηft为火灾下荷载效应的折减系数（通常情况下，仓库取为0.7，其余情况取为0.6）。

本文火灾试验中，钢筋混凝土梁施加的恒定荷载根据式（1）计算，连续梁L2的火灾折减系数取为0.7，其他试验梁均取为0.6。为保证试验梁靠近支座处的受剪区域均匀受热，火灾下，将专门设计制作的耐火钢支座布置在试验炉膛内部，为了防止支座受热变形，在支座外部包裹硅酸铝耐火岩棉进行保护。梁的试验装置见图2和图3。

图2 梁试验装置示意图Fig.2 Schematic diagram of test setup

图3 梁试验装置全景图Fig.3 Photo of test setup

火灾下，各试验梁均采用三面受火，受火过程中，梁内混凝土与钢筋的温度均由预先埋设在梁内的K形热电偶进行量测，混凝土温度沿截面水平和竖直方向分别等间距布置7个测点，见图4。试验前，每根试验梁均在梁底部专门布置热电偶，

图4 梁内热电偶布置（单位：mm）Fig.4 Thermocouple arrangment in the beam（Unit：mm）

试验过程中，梁的竖向挠度由布置在梁顶的位移传感器测量，位移测点分别布置在梁的加载点及跨中处，为了修正梁的中间挠度，在梁的各支座处也布置了位移传感器，见图5。梁的轴向变形由布置在梁端的专门设计的轴向位移测量装置量测，见图6。

图5 梁的位移传感器布置（单位：mm）Fig.5 Arrangment of displacement transducers（Unit：mm）

图6 梁端轴向变形测量装置Fig.6 Measuring device for axied deformation of beam end

3 试验结果

3.1 炉温

图7 为连续梁L1火灾试验中炉温随时间的变化曲线。由图可以看出，火灾试验炉炉温与标准升温曲线吻合较好。其余各梁的火灾试验炉温曲线均与标准升温曲线差别不大，不再一一绘出。

图7 试验炉温随时间变化曲线Fig.7 Furnace temperature-time curve

3.2 破坏形态

图8 为各连续梁在火灾下的裂缝开展形态及破坏模式，可以看出，受火过程中各试验梁均产生了受剪斜裂缝，破坏形态均为剪切破坏，所有连续梁的主斜裂缝均出现在靠近梁中间支座处。剪跨比较小的梁斜裂缝延伸长度较短，沿梁侧表面走向陡峭，裂缝宽度较大；剪跨比较大的梁斜裂缝延伸长度较长，沿梁侧表面走向平缓，裂缝宽度较小。个别试验梁在火灾下发生轻微爆裂，观察梁受火表面，部分区域出现混凝土脱落现象。

图8 试验梁的破坏形态Fig.8 Failure mode of test beams

3.3 混凝土和钢筋温度

图9为火灾下连续梁内混凝土温度-时间关系曲线，由图可见，试验过程中，受梁内水分蒸发的影响，混凝土温度曲线在100℃左右出现明显水平段。由于混凝土的热惰性，受火过程中混凝土温度沿梁截面表现出显著的非线性分布。至试验结束时，三面受火的试验梁，梁底与梁顶的混凝土最大温差超过700℃。

图9 混凝土温度随时间变化曲线Fig.9 Temperature-time curves of concrete

图10 为试验过程中，梁内纵筋和箍筋温度随时间变化曲线，由图可见，三面受火的连续梁梁内箍筋温度沿周长分布并不均匀，箍筋顶部由于远离受火面靠近背火面，温度明显低于箍筋中部和底部。同样，受梁内混凝土水分蒸发影响，钢筋升温曲线在100℃时均出现水平台阶，越靠近受火面，钢筋温度曲线中水平台阶的持续时间越短。

图10 钢筋温度随时间变化曲线Fig.10 Temperature-time curves of bars

3.4 变形

火灾下连续梁的竖向挠度随时间变化曲线如图11所示，由图可知，在恒定荷载作用下，随着温度的升高，各连续梁产生的竖向位移较小，挠度变化不大。火灾后期，由于梁内混凝土和钢筋在高温下的材料力学性能显著下降，梁发生剪切破坏，竖向挠度突然显著增长，表现出典型的脆性破坏特征。火灾下，各梁产生的轴向变形均较小，可以忽略不计。

图11 梁的竖向挠度随时间变化曲线Fig.11 Vertical displacement-time curves

3.5 梁的耐火极限

由于火灾下无法清楚观测试验梁表面裂缝开展情况，因此以梁竖向挠度突然增大、无法继续承担竖向荷载作为破坏条件，得到各试验梁的最终耐火极限，见表2。由表可知，荷载比对钢筋混凝土连续梁的耐火极限影响显著，相同条件下，荷载比为0.7的梁L2耐火极限比荷载比为0.6的梁L1降低了67.14%。随着剪跨比的增大，连续梁的耐火极限降低，剪跨比为2.5的梁L3耐火极限比剪跨比为2.0的梁L1下降21.43%。随着箍筋间距的减小，连续梁的耐火极限提高，相同条件下，箍筋间距为100 mm的梁L4耐火极限与箍筋间距为200 mm的L1和箍筋间距为300 mm的L5相比，分别提高34%和51.9%。与常温下不同，随着混凝土保护层厚度的增加，钢筋混凝土连续梁高温下的抗剪性能显著提高，相同条件下，混凝土保护层厚度为40 mm的梁L7耐火极限比保护层厚度为30 mm的梁L6和保护层厚度为20 mm的梁L1分别提高28%和49.64%。相同条件下，钢筋混凝土两跨连续梁双跨同时受火时的耐火极限比单跨受火情况下降低22%。由于火灾下发生了复杂的内力重分布，与简支梁相比，钢筋混凝土连续梁高温下的抗剪性能提高，连续梁L1、L3、L5和L7的耐火极限分别比相同条件下的简支梁J1、J3、J5和J7提高8.6%、14.5%、11.8%和35.3%。

表2 梁的耐火极限Table 2 Fire resistance of beams

4 结 论

对8根足尺钢筋混凝土两跨连续梁和4根足尺钢筋混凝土简支梁进行了标准火灾试验，研究了荷载比、剪跨比、箍筋间距、混凝土保护层厚度以及受火工况等对钢筋混凝土连续梁高温下抗剪性能的影响，得到以下结论：

（1）火灾下钢筋混凝土连续梁截面温度呈非线性分布。连续梁高温下发生剪切破坏时，主斜裂缝一般出现在靠近梁中间支座处。

（2）荷载比对钢筋混凝土连续梁高温下的抗剪性能影响显著，荷载比越大，恒定荷载下梁内产生的初始微裂缝越多，宽度越大，导致热量从梁表面向梁内部传导更充分，混凝土和钢筋的温度更高，材料力学性能下降更多，梁发生抗剪破坏时的耐火极限显著降低。

（3）火灾下随着剪跨比和箍筋间距的增加，连续梁的抗剪性能下降。提高混凝土保护层厚度能显著提高连续梁高温下的抗剪性能，相同条件下，混凝土保护层厚度为40 mm的梁耐火极限比保护层厚度为30 mm和20 mm的梁分别提高28%和49.64%。

（4）双跨同时受火时，钢筋混凝土两跨连续梁的抗剪性能与单跨受火时相比显著下降。由于火灾下发生了复杂的内力重分布，钢筋混凝土连续梁在高温下的抗剪性能优于简支梁。