高温下钢筋混凝土梁的受力性能研究

周培龙 李 扬 张江昆 方昊天

（湖北工业大学 土木建筑与环境学院,武汉 430068）

随着我国核电站、化工车间等高温项目的建设,越来越多的钢筋混凝土结构面临高温的考验.本研究的主要目的是为了探究并充分发挥高温下钢筋混凝土的力学性能,以期达到优化设计及节约材料的目的.例如:核电站的一些密闭容器,局部温度可以达到120℃以上;核反应堆进出口冷却水的温度在230～290℃左右;一些冶金和化工高温车间,其高温烟囱外壳温度达到200℃左右.已有的针对高温下钢筋混凝土性能的研究表明:混凝土是一种热惰性材料[1],但是在高温条件下,力学性能显著退化,将导致结构承载能力降低.随着温度的升高,混凝土的抗压和抗拉强度会有所下降,应力-应变关系也会出现较为明显的变化[2-6].混凝土的导热性能较差,但在持续高温下混凝土内部的温度将会不断升高,钢筋将会暴露于高温中,导致钢筋的延性、应力和抗拉强度显著降低[7].钢筋混凝土构件的损伤程度与高温时间有关[8].Abdullah Huzeyfe Akca对高温后的梁试件进行了四点弯曲试验,在经历高温之后,钢筋混凝土梁的抗弯刚度更容易恶化[9].通过对梁构件在高温下进行拉拔实验发现,钢筋混凝土结构强度与钢筋和混凝土之间的粘结强度有关,因为两者的导热系数不同,构件内部可能出现不同的温度梯度,从而使粘结强度下降[10-11].

此外,已有研究表明:钢筋和混凝土线膨胀系数的差异导致其内部出现热应力[12-15].南洋理工大学团队[16]对钢筋混凝土短梁分别进行了高温和常温试验,分析了热诱导应变（如热应变、瞬态应变和蠕变应变）和热诱导轴向约束对梁力学行为的影响.变温环境下对梁构件进行热应力分析,并导出了一般性计算公式[17].为了掌握温度与外荷载同时作用条件下,受弯构件的力学性能变化情况,利用自主研发的高温设备,对梁构件进行温度、荷载同步施加,并实时监测升温过程中构件应变数据的变化,据此研究钢筋混凝土构件在高温下的受力性能及内部热应力,为钢筋混凝土构件在更高温度下的性能研究和安全优化设计提供理论支撑.

1 实 验

1.1 设备介绍及试件制作

试验设备如图1 所示,试验采用自主研发的升温-加载一体试验箱,为了避免温度变化过程中导致的加载系统不稳定,采用钢配重加载方式.加热方式为电热管加热,通过TDS-530 数据采集仪采集应变和温度变化数据.试验箱具有20～550℃的温度测试区间,温度控制精度在0.1℃以内,在试验过程中,通过温度控制台对箱内温度进行设定.试验采用3根相同的梁构件,依次为B1、B2、B3,如图2所示,构件截面长、宽、高分别为1000、100、200 mm.依据现行混凝土构件设计规范,采用强度等级42.5的普通硅酸盐水泥,粗骨料为碎石,具体配合比为水泥∶水∶砂∶石子为1∶0.45∶2.45∶3.25.同时期制作尺寸为150 mm 的混凝土立方体,进行标准养护28 d后,测出其抗压强度fcu为33.20 MPa.构件配筋及温度测点布置如图3所示,受拉钢筋、腰筋和架立筋均采用直径为12 mm 的HRB335级钢筋（配筋率为1.3%）,保护层厚度为25 mm.跨中截面的钢筋上布置10个测点,混凝土表面布置6个测点.在粘贴应变片前先用砂纸对测点位置进行打磨,使应变片和试件更好地接合,选用ZFLA-6-11高温应变片和PT100型热电偶,测点连接处选用NP-50（聚酯胶）胶粘剂.同时,为确保试件在高温作用下完全达到指定温度,将高温热电偶同步浇筑于钢混构件形心位置（如图3所示）.

图1 高温试验设备

图2 试件加载示意图

图3 梁构件配筋及测点布置（mm）

1.2 试验方法

在升温过程中对梁构件开展四点弯曲试验.将梁构件置于高温试验箱内,并对构件预压2～3次,连接好数据采集仪与应变片,每组数据采集间隔为10 s.梁构件采用分级加载的方式,荷载等级依次为4.98、9.8、14.08、18.58 kN.拟对构件进行非破坏性试验,以30℃起为第一轮加载,此后每轮的温度间隔为20℃,直至300℃,共计15 轮试验.试件内部的温度数据通过各测点布置的热电偶实时监测得出,在试件加载前保证试件内外温差小于1℃,且保持稳定.

2 数据分析

2.1 梁热应力分析

由于应变数据是在升温和加载耦合作用下得到的,考虑到箱体内不同位置处的高温环境存在或多或少的误差,传统采用温度补偿试件的做法,不能完全满足测试的精度需要,据此,本文研究团队提出了原位补偿法对试验数据进行处理[18].

依据原位补偿法对试验数据进行处理,通过混凝土自由膨胀应变与温度应变的差值,求得混凝土测点位置的轴向热应力:

式中:σt为t温度下测点位置的轴向热应力,N/mm2;εb为温度应变;εth为自由膨胀应变;Et为t温度下的弹性模量,N/mm2.

由文献[16],假设钢筋混凝土梁试件在温度与荷载耦合作用下不出现钢筋及界面滑移等理想的情况下,通过钢筋混凝土梁截面平衡方程及变形协调方程可得:

钢筋的轴向应力为

由梁试件钢筋总截面面积与混凝土面积的比值:

得到混凝土轴向应力

式中:Δα为混凝土和钢筋线膨胀系数的差值;r为钢筋半径,mm;N为分布钢筋数量;A为梁试件截面面积,mm2;n为材料性能常数;Ets为在温度t下钢筋的弹性模量,N/mm2;Etc为在温度t下混凝土的弹性模量,N/mm2.

由公式（1）～（4）对应变数据处理及理论计算可得出梁表面混凝土热应力及钢筋热应力（如图4 所示）,梁构件B1、B2、B3在温度与荷载的耦合作用下具有相似的变化趋势,且与计算值较为一致,3根试件梁足以确保试验的可靠性.在30～100℃区间内混凝土的热应力随着温度上升呈线性增长趋势,并在100℃达到抗拉强度极限值,在170℃左右混凝土的热应力逐渐降至0 MPa.如图4（b）所示,梁试件内部钢筋的热应力在30～100℃区间内随着温度的升高呈增长趋势,且在100℃左右达到极值,之后随温度的增大而减小,最终呈波动变化.通过对比理论计算值和试验值,在梁构件温度小于100℃时,两者变化趋势基本相似,从而验证了试验数据的合理性.在100～300℃区间内有较大差异,分析其主要原因是随着梁构件温度的升高,混凝土开始出现裂缝,混凝土的开裂对试验结果造成一定的影响,同时处于一种理想状态下的理论计算,并没有完全考虑到试验过程中其它因素的影响.

图4 梁试件内部热应力

2.2 梁跨中截面应变分析

通过对梁构件测点数据的处理分析,得到了8个温度梯度下钢筋混凝土梁顶面20 mm、底面20 mm处和截面中部的应变值（如图5所示）.

图5 受弯梁跨中截面应变分布随温度变化图

通过对应变数据的分析,得到了中性轴随温度变化曲线,如图6所示.随着温度的升高,钢筋混凝土梁截面中性轴的位置开始向上偏移,这与热应力的聚集有关,在100℃左右混凝土热应力达到最大值,随着混凝土内部裂缝的出现使应力重新分布.随着温度的继续升高,导致混凝土进一步开裂,钢筋承担了大部分荷载,使中性轴又向初始位置靠近.梁构件采用对称配筋的方式,使得中性轴与截面形心接近.

图6 中性轴位置与温度之间的关系

2.3 试验值与计算值的对比

根据截面等效原则计算梁跨中截面受压钢筋的应变,截面等效就是把钢筋截面等效为混凝土截面,当钢筋截面放大Re倍时就可以等效为混凝土截面,可以求出等效后的截面惯性矩.

式中:B和H分别为梁试件的宽度和高度,mm;Re为放大系数;N为钢筋数量;ri为钢筋半径,mm;yi为梁构件第i根钢筋的中性轴到形心的距离,mm.

温度的变化会使梁构件的力学性能发生改变,通过材料力学公式得到梁跨中截面受压钢筋截面高度处的应变,并对实测值与计算结果进行对比.

式中:M为纯弯曲段的弯矩,N·mm2;σ为截面上距离中性轴y处的分布应力,N/mm2;y为梁中性轴与测点之间的距离,mm.

结合式（5）～（7）可得出各温度梯度下受弯构件内部受压钢筋应变试验值与计算值,如图7所示.可以看出,随着梁构件温度的上升,受弯构件内部受压钢筋应变逐渐增大;同时通过试验和理论计算得到的应变数据整体的趋势基本相似,说明此次试验结果具有可靠性,但两者仍有一定差异,可能是由于混凝土材料的离散性造成的.

图7 受弯构件受压钢筋应变试验值与计算值比较

2.4 梁抗弯刚度分析

由各温度梯度下梁构件的弯矩-曲率关系,通过材料力学公式（8）、（9）计算高温下钢筋混凝土梁的抗弯刚度（Ei）,为该阶段梁构件的受力变形分析提供参考.

式中:ε为受压区跨中钢筋应变值;ρ为中性层的曲率半径,mm.

同时考虑到在高温作用下材料性能发生的变化,给出高温下钢筋混凝土的刚度退化试验均值与理论计算值比较图,如图8～9所示.

图8 钢筋混凝土高温下受压区钢筋应变值随温度变化图

图9 钢筋混凝土梁高温下刚度退化图

理论计算值与试验值的趋势变化较为相似,梁中性轴的位置会受到热应力的影响,但与梁刚度的计算无关.在30～75℃范围内梁的抗弯刚度无明显变化;在90～110℃范围内梁的抗弯刚度随温度的升高而增大;135℃后梁的抗弯刚度呈现出稳定下降的趋势.90～110℃混凝土刚度的变化可能与混凝土弹性模量的增加有关,由于水蒸气对混凝土起到了蒸汽养护的作用,使弹性模量增加,这与课题组对混凝土在升温中测试其弹性模量所得到的趋势相似,而在135℃后,水泥水化产物由于温度的上升发生相变和脱水,会破坏水泥石的组织结构,从而使砂浆的弹性模量降低,最终导致梁的抗弯刚度下降[19].

3 结论

通过对30～300℃范围内梁构件力学性能的研究,可以得到以下结论:

1）梁构件内部的热应力会随温度的升高而发生明显的变化.

2）在30～300℃之间钢筋混凝土梁的中性轴的位置会随着温度的变化而发生改变.

3）虽然梁构件存在热应力,但是对于梁刚度计算的影响较小,可以忽略.在30～75℃范围内梁的抗弯刚度无明显变化;在90～110℃范围内梁的抗弯刚度随温度的升高而增大;135℃后梁的抗弯刚度呈现出稳定下降的趋势.