钢筋混凝土材料及结构的抗火试验方法_许名鑫 (1)

钢筋混凝土材料及结构的抗火试验方法

许名鑫,　郑文忠

(哈尔滨工业大学土木工程学院,　哈尔滨　150090)

【摘　要】　要考察钢筋混凝土材料及结构的火灾反映和验证理论分析的正确性均须进行高温试验,高温(抗火)试验需要测定和控制试件及其所处环境的温度,其具有一定特点和难度。本文介绍了高温下、高温后钢筋混凝土材料以及钢筋混凝土构件、结构的力学性能试验方法,包括试验设备、试验条件、量测手段、结构构件的失效判别等方面内容,供有关人员参考。

【关键词】　抗火试验方法;钢筋;混凝土;材料;结构

【中图分类号】　TU317 【文献标识码】　B 【文章编号】　1001-6864(2003)06-0046-02

结构抗火是整个建筑工程抗火的重要组成部分,国内对钢筋混凝土结构的抗火性能研究虽然起步较晚,但已引起足够重视。结构抗火仿真分析要以材料火灾下(高温)的力学性能为依据,而材料的高温下力学性能参数又必须通过高温试验才能得到,观察结构在火灾中的真实反映和验证理论分析的正确性也需要通过高温试验。

高温试验应以常温试验为基础,应充分利用常温试验经验和设备。高温试验同时又有其自身的特点和难点,表现在以下三个方面:①加热时加载困难,欲令结构受热均匀就要将结构密封在燃烧炉或电炉中,这就会带来与加载的矛盾。②高温下量测困难,一些常规传感器如电阻应变片、位移计、压力传感器等不能使用或不能和试件直接接触。③还有一个突出的问题就是大型试验炉的制作和使用费用昂贵。1　钢筋和混凝土的高温力学性能试验方法1.1　钢筋[1]1.1.1　试验设备

高温下钢筋的拉伸试验一般采用加热炉与试验机配套使用装置。(a )加热炉,模拟钢筋在受火环境中的情况,采用电炉即可,炉内温度均匀区段长度不应小于原始标距,原始标距为室温下加热和施力前试样的标距,比例试样的原始标距值参见图1;(b )试验机,各类型的拉伸试验机均可使用。试验机和夹具对试样应能准确的轴向加载,加载时,最大弯曲应变不超过平均轴向应变的15%。

钢筋用高温夹具一般是用带螺纹夹头,将试样拧入,与加载装置相连。

炉内温度用热电偶测定,由温度仪记录,热电偶的测量端与试样表面应有良好的热接触,并应避免炉壁直接辐射的影响。

试样变化由高温用的引伸计测定,引伸计是测定试样伸长的装置,它包括变形传感器和记录或指示装置。1.1.2　试样

用图1(a )所示试样,引伸计标距可以不同于原始标距。欲测塑性差的钢丝等小直径试样的变形,引伸计容易松脱,引伸计刀口也会削弱试样,需要用类似图1(b )所示带凸台的试样,以保证引伸计夹持,试样凸台部分的形状和尺寸,可根

据引伸计结构自行设计。

图1　图形比例试样

在只测强度或对变形的量测精度要求不高的情况下,也可采用穿过炉膛的非比例试样。常温夹具在炉外夹持,量测也在炉外进行,即用位移计在炉体的外部测定试样两端的总变形,试样两侧的变形在加载初期可能不对称,用两个相同的位移计串联组成全桥电路,以增加量测的精度。加热炉端部的温度场不能保证均匀,需要对试验数据进行修正。1.1.3　试验条件与性能测定

试样装入炉后,一般应在1h 内加热至规定的试验温度,至少保持10min 方能开始试验。加载速度应用应变速率控制,金属在超过屈服点后的变形行为类似粘滞性物体,应力与应变呈幂函数的关系,高温下这种趋势尤为明显,所以在高温试验中更要严格限定应变速率。测定规定非比例伸长应力(如σp0.2)、屈服点、(包括上屈服点和下屈服点),试样平行长度的应变速率在0.001 min 和0.005 min 之间,并尽可能保持恒定的速率;屈服过后阶段或只测抗拉强度的情况下,加载速度可以适当加快,应变速率应在0.02 min 和0.20 min 之间,并尽可能保持恒定的速率。

性能测定如规定非比例伸长应力、屈服点、抗拉强度测定的方法与常温试验相同,有图解法或者自动装置(如微处理机)测定等。

试验结果数值修约的要求与常温试验相同,修约的方法按照GB1870-87«数值修约规则»执行。

对于高温后的力学性能试验,如果加热时加载,试验方法与高温下试验相同,待冷却后做常温试验,如果加热时允许不加载,则试验相对简单一些,加热过程结束,将试样取出后做常温试验即可。混凝土材料以及钢筋混凝土构件、结构的高温后试验也均如此。

冷却方式有炉内冷却、自然冷却和喷水冷却三种,分别

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用以模拟钢筋包裹在混凝土内、暴露在空气中、灭火时受到水喷淋的情况。1.2　混凝土

[2,3]

采用电炉升温,设备相对简单也较易控制炉体内部温度,但若要观测混凝土试块的真实火灾反映,还需用明火,例如燃气试验炉升温。

高温下混凝土的力学性能试验与钢筋的试验类似,其试验装置如图2所示

。

(a )试验装置1 (b )试验装置2

图2　试验装置

试件温度由埋于试件中心的热电偶测定。试件的变形需间接量测。图2所示装置的变形修正值事先标定,在计算试件应变时予以扣除。

混凝土试件的高温试验仍是立足于常温试验,用立方体试件测强度,棱柱体试件测变形。标准养护的试件需在室温下气干2d 以上,以降低含水量,防止高温下爆裂。2　构件和结构的抗火试验方法[4-7]2.1　试验条件

模拟实际受火情况,横梁两侧和下面受火;楼板和水平屋面下面受火,内柱四面受火,边柱三面受火;墙壁和隔板一面受火。

试验时炉内温度的上升随时间而变化,我国规定按ISO834标准所给的下列函数关系式控制:

T =345lg (8t +1)+20

(1)

式中:t —试验所经历的时间,(min );

T —升温到t 时间的炉温,(℃)。

构件的耐火性能试验可采用大型的燃烧炉,杆系结构或构件也可采用拼装燃烧炉或电炉,在相应位置可设置装有耐高温石英玻璃的观察石,以便观察炉内状况。

如果构件大于试验炉所能容纳的尺寸,则该试件在炉内暴露部分的尺寸不小于:梁跨度4m ;楼板与屋顶,四边支承长乘宽为4m ×3m ;柱高3m ;墙与隔墙为3m ×3m 。变形量测:梁测量其跨度中间的变形值,板测量其中心点垂直方向的变形值,柱测量其轴向变形值,墙测量其中心点水平方向的变形值。2.2　简支梁

应采用四点加载,其耐火性能试验装置如图3所示。炉温通过安置在炉中不同位置的热电偶测定,构件迎火面的表面温度通过离构件表面约3～5mm 混凝土内预埋的热电偶测定,用移动热电偶和温度仪检查试验过程中出现的全部热点的温升。

为避免量测仪表受高温和从试件混凝土内逸出水分的

影响,测点用热膨胀效应小的钼丝或合金棒引到炉膛外量测。

图3　试验装置

2.3　柱、连续梁、框架试验装置图

柱的耐火性能试验装置如图4所示。采用拼装式加热炉时的连续梁和框架的耐火性能试验装置如图5、6所示。

图4　柱的试验装置示意图

图5　连续梁的试验装置示意图图6　框架的试验装置示意图2.4　其它

煤气在加热炉内燃烧,会改变炉内压力。通过控制烟道排烟应使得试验开始10min 后炉内压力达到:水平构件,试件底面以下100mm 处的水平面保持10±5Pa 的压强;垂直构件,在试件三分之二高度以上范围内应保持正压,在炉内3m 高度,距试件表面100mm 处,应有20±5Pa 的压强。

对于梁和板,在试验过程中垮坍或试件的最大挠度超过L 20,表明试件达到耐火极限,柱子在试验过程中垮坍或轴向收缩引起的变形速度超过3×H (mm min ),H 为试件在炉内的受火高度,单位m ,表明达到耐火极限,墙在试验过程中垮坍表明达到耐火极限。当承重构件同时起分隔作用时,构件失去完整性或绝热性也表明试件达到耐火极限。

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许名鑫等:钢筋混凝土材料及结构的抗火试验方法