曹夢嬌，賈 辰，劉棟棟

（北京建筑工程學(xué)院，北京 100044）

一、引 言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在高溫下的性能復(fù)雜，在火災(zāi)中由于高溫使鋼筋和混凝土強度和變形性能嚴重劣化，但是高溫后結(jié)構(gòu)中各個部分的損傷程度各不相同，其冷卻后的殘余力學(xué)性能是評估結(jié)構(gòu)能否繼續(xù)使用和制定加固措施的主要依據(jù)。雖然國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能做了大量的研究[1-4]，但是對于結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在火災(zāi)作用后殘余性能的評估尚有待于進一步完善[5]。本文通過對縮尺鋼筋混凝土簡支梁的高溫反應(yīng)及殘余極限承載力和剛度進行實驗研究和理論探討，可為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的火災(zāi)后修復(fù)加固提供設(shè)計依據(jù)。我們兩位本科生在老師和研究生的指導(dǎo)下參加了實驗研究和分析，對于混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程中的基本概念有了深入的理解，對平截面假定、荷載-撓度曲線、彎矩-鋼筋應(yīng)變曲線及彎矩-曲率曲線也有了進一步的理解。掌握了很多實驗的技術(shù)，如貼應(yīng)變片、連接線路板等一些基本的實驗技能，使得我們實驗動手能力得到很大的提高。

二 實驗現(xiàn)象及分析

截面的中間位置，距離梁的下表面25mm，因此只有一側(cè)距離火源比較近，溫度的升溫速度和達到的最高溫度僅次于測點3。測點3和測點4都處于簡支梁保護層厚度處，由此可以得知，測點3和測點4的溫度就是簡支梁受力鋼筋所達到的溫度，A-2-02、A-3-03、A-3-04的測點3的最高溫度分別達到328.3℃、501.6℃、570.6℃，A-2-02、A-3-03、A-3-04的測點4的最高溫度分別達到261.7℃、327.2℃、258℃，即此時的梁的受力鋼筋的最高溫度。高溫下，當鋼筋的溫度超過200℃，鋼筋的強度隨溫度的降低程度會加快，當鋼筋的溫度超過400℃，鋼筋的強度隨溫度降低的程度會大大的加快。高溫后，鋼筋的力學(xué)性能可以不同程度的恢復(fù)，主要影響因素是鋼筋所經(jīng)歷的最高溫度，當最高溫度不大于600℃時，降低幅度在10%以內(nèi)。因此可以判斷，A組鋼筋混凝土簡支梁的受力鋼筋的力學(xué)性能受到火災(zāi)引起的高溫的損傷。

觀察測點1-測點7的時間-溫度曲線，可以看出溫度差值比較大，具有明顯的溫度梯度，說明混凝土是一種熱惰性的材料。在加熱60分鐘停止后，鋼筋混凝土簡支梁靠近表面的測點的溫度就開始下降，而內(nèi)部的測點的溫度還在升高，說明梁的內(nèi)部仍然在進行比較激烈的熱傳導(dǎo)，這是使得梁內(nèi)部混凝土產(chǎn)生不可恢復(fù)的破壞的原因之一。

由圖1-3-12-圖1-3-14可知，B組鋼筋混凝土簡支梁的跨中截面的升溫曲線的趨勢是相同的，測點位置越靠近梁的表面，時間-溫度曲線的拐點越靠前；測點越靠近梁的內(nèi)部，時間-溫度曲線的拐點越靠后。

B組簡支梁測點3和測點4都處于簡支梁保護層厚度處，測點3和測點4的溫度就是鋼筋混凝土簡支梁受力鋼筋所達到的溫度。圖1-3-12-圖1-3-14得知，B-2-02、B-3-03、B-3-04的測點3的最高溫度分別達到282.8℃、397.1℃、368.2℃，B-2-02、B-3-03、B-3-04的測點4的最高溫度分別達到260.2℃、287.8℃、328.7℃，即此時的梁的受力鋼筋的最高溫度。高溫下，當鋼筋的溫度超過200℃，鋼筋的強度隨溫度的降低程度會加快。高溫后，鋼筋的力學(xué)性能可以不同程度的恢復(fù)，主要影響因素是鋼筋所經(jīng)歷的最高溫度，當最高溫度不大于600℃時，降低幅度在10%以內(nèi)。因此可以判斷，B組鋼筋混凝土簡支梁的受力鋼筋的力學(xué)性能受到火災(zāi)導(dǎo)致的高溫損傷。

三、剛度與極限承載力

1.按實驗方法計算所得剛度

按照實驗方法計算，過火等級為二級的鋼筋混凝土簡支梁A-2-02截面剛度較梁A-0-01的截面剛度降低12.74%，過火等級為三級的梁A-3-03、A-3-03的截面剛度較梁A-0-01的截面剛度分別降低21.70%、19.81%，為了評估的可靠性，取較保守的值21.70%；過火等級為二級的梁B-2-02截面剛度較梁B-0-01的截面剛度降低4.72%，過火等級為三級的梁B-3-03、B-3-03的截面剛度較梁B-0-01的截面剛度分別降低11.70%、21.70%，為了評估的可靠性，取較保守的值21.70%。按照央視評估方法計算所得剛度見表1。

表1 按照實驗方法計算所得剛度

2.極限承載力

實驗所得的極限承載力見表2。從數(shù)據(jù)可以看出，在經(jīng)歷火災(zāi)后，混凝土簡支梁的極限承載力降低不是很多，主要原因是鋼筋混凝土簡支梁是三面受火，其底部的混凝土和鋼筋受到火災(zāi)的損傷最嚴重，但是梁底部的混凝土的抗拉強度在計算時是被忽略的，而鋼筋的強度會在火災(zāi)結(jié)束后得到恢復(fù)，同時梁頂部受壓混凝土經(jīng)歷的火災(zāi)溫度并不高，受壓混凝土的力學(xué)性能受到火災(zāi)造成的高溫損傷非常輕微。

過火等級為二級的鋼筋混凝土簡支梁A-2-02極限荷載較梁A-0-01的極限荷載降低1.17%，過火等級為三級的梁A-3-03、A-3-03的極限荷載較梁A-0-01的極限荷載分別降低1.84%、1.05%，為了評估的可靠性，取較保守的值1.84%；過火等級為二級的鋼筋混凝土簡支梁B-2-02極限荷載較梁B-0-01的極限荷載降低3.60%，過火等級為三級的梁B-3-03、B-3-03的極限荷載較梁B-0-01的極限荷載分別降低9.65%、0.17%，為了評估的可靠性，取較保守的值9.65%。

表2 極限承載力

四、結(jié) 論

1.鋼筋混凝土簡支梁的截面尺寸越大，梁的表面吸收的熱量越多，對梁表面造成的損傷就會更嚴重，但是向內(nèi)部傳遞熱量的路程較遠，因此梁內(nèi)部的溫度會比較低，內(nèi)部測點比保護層厚度處的測點低250℃以上，說明增加混凝土保護層厚度可以保護梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高梁的耐火極限。

2.混凝土是熱惰性材料?；馂?zāi)發(fā)生時，鋼筋混凝土簡支梁表面升溫速度非?？欤橇簝?nèi)部的溫度變化并不是很大，內(nèi)外溫差可達400℃以上。火災(zāi)結(jié)束后，梁內(nèi)部依然存在不均勻溫度場，梁內(nèi)外溫差可達200℃以上，梁內(nèi)部在不停的進行熱傳導(dǎo)，造成二次損傷。

3.火災(zāi)發(fā)生時經(jīng)歷的溫度越高，給鋼筋混凝土簡支梁造成的損傷也越大。

4.在經(jīng)歷火災(zāi)后，混凝土簡支梁的極限承載力降低不是很多。過火等級為二級的A組鋼筋混凝土簡支梁的極限荷載降低1.17%，過火等級為三級的A組梁A-3-03、A-3-03的極限荷載分別降低1.84%、1.05%，為了評估的可靠性，取較保守的值1.84%；過火等級為二級的B組鋼筋混凝土簡支梁的極限荷載降低3.60%，過火等級為三級的B組梁的極限荷載分別降低9.65%、0.17%，為了評估的可靠性，取較保守的值9.65%。

5.按照實驗方法，過火等級為二級的鋼筋混凝土簡支梁A-2-02截面剛度較梁A-0-01的截面剛度降低12.74%，過火等級為三級的梁A-3-03、A-3-03的截面剛度較梁A-0-01的截面剛度分別降低21.70%、19.81%，為了評估的可靠性，取較保守的值21.70%；過火等級為二級的B組梁的截面剛度降低4.72%，過火等級為三級的B組梁的截面剛度分別降低11.70%、21.70%，為了評估的可靠性，取較保守的值21.70%。

五、參加學(xué)生科技活動的體會以及對學(xué)習(xí)的建議

從實驗中，我們鞏固了許多課上學(xué)習(xí)的內(nèi)容也掌握了很多實驗必備的基礎(chǔ)技巧。

簡支梁的實驗離不開精確的準備工作，我們在教師的指導(dǎo)下學(xué)習(xí)了粘結(jié)應(yīng)變片的基本知識，在平時的上課中，我們只知道應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)制作的，而我們在實驗準備中發(fā)現(xiàn)，由于應(yīng)變片的位置和電阻線的位置過近，導(dǎo)致粘貼時電阻線經(jīng)常使應(yīng)變片翹起，而應(yīng)變片一旦翹起，這個測量點就將作廢，從而減少實驗的數(shù)據(jù)。在隨后加工應(yīng)變片的過程中，掌握了正確的應(yīng)變片和電阻線的間距，將應(yīng)變片準確的粘貼在被測物體上就容易多了，而且也有利于高精度的測量。在課余時間，經(jīng)常會有許多的比賽。但是單純靠實際操作和動手能力的活動太少了?？梢栽黾右恍┛萍蓟顒?，學(xué)生會從這些比賽中受到大大的益處。

在混凝土結(jié)構(gòu)原理課上我們學(xué)到結(jié)構(gòu)在施工和使用期間能夠滿足各項功能要求，則稱結(jié)構(gòu)為“可靠”或“有效”，反之則稱結(jié)構(gòu)為“不可靠”或“失效”。區(qū)分結(jié)構(gòu)可靠或失效的標志稱為“極限狀態(tài)”。當整個結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過某一特定狀態(tài)（如達到極限承載力、失穩(wěn)，或變形、裂縫寬度超過規(guī)定的限值等）就不能滿足設(shè)計規(guī)定的某一功能的要求時，此特定狀態(tài)就稱為該功能的極限狀態(tài)。極限狀態(tài)可分為承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)，均規(guī)定有明確的標志或限值[6]。在實驗過程中，我們更清楚的觀察到了課堂上兩個所講的兩個極限狀態(tài)。裂縫在預(yù)加載和加載荷載較小時均不出現(xiàn)，隨著荷載的增加，裂縫先在梁的三分之一處從梁的底部開始出現(xiàn)，這時的裂縫雖然可以觀察的到，但是由于寬度太窄，無法用肉眼觀測或用尺子測量出來，這樣就要使用裂縫寬度觀測儀，裂縫寬度觀測儀十分精準，每個小格代表0.02mm，估讀出每個裂縫所占小格數(shù)，就能計算出每條微笑裂縫的寬度。這些內(nèi)容只在教材上一筆帶過，但是在實際應(yīng)用中所占比例卻是最多的。希望老師能在上課時帶一些做實驗常用的儀器。讓我們在平時就能熟悉儀器，不至于在實驗室要現(xiàn)學(xué)。

因為實驗對8根簡支梁進行了實驗研究，所以到在做過幾根簡支梁后我也掌握了一些實驗的小竅門。因為要觀察梁破壞時的荷載，所以在加載進行到尾聲的時候要緊緊盯住受壓區(qū)混凝土何時破碎。經(jīng)過幾次實驗發(fā)現(xiàn)，當受壓區(qū)混凝土即將破碎的時候，都會先在梁的上端冒出一縷混凝土煙灰，一旦出現(xiàn)灰的時候就意味著混凝土馬上要剝落了，這樣方便我們集中精力觀察，而不會錯過混凝土的被壓碎的時刻?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理是一門綜合性、實驗性很強的課程，學(xué)生不好理解的科目，老師如果能在課堂中將枯燥的實驗過程和現(xiàn)象用最貼切生活的詞語描述出來會增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及提高接受率。

TVCC災(zāi)后結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)評估實驗是我們參加的密度最大，所需專業(yè)知識最多的一個實驗，因為這個實驗對我有著里程碑似的意義。在實驗的初期，我只能跟著老師和研究生進行一些觀摩，學(xué)習(xí)研究生是如何做實驗的。但是到實驗的后期，我也可以真正融入到整個實驗當中了。從一開始的利用儀器觀測裂縫、標出裂縫的位置。到后來利用軟件進行數(shù)據(jù)記錄。從一開始的半知半解，到后來也能發(fā)表一下自己的看法，這個過程讓我真正鍛煉了自己。通過此次實驗，我更清楚認識到了以后自己需要面對的工作，也認清了即使是本科畢業(yè)在研究生階段和工作階段學(xué)習(xí)的內(nèi)容也還有很多，不能因為有具有較好的考試成績而認為也可以做好實驗工作。我們在實驗動手能力、分析能力和寫作能力等方面仍需學(xué)習(xí)、鍛煉。

通過參加了本文的實驗研究，我們發(fā)現(xiàn)在考試中取得良好的成績，并不一定能夠很好地掌握基本概念。做實驗須具備良好的動手能力和概念的掌握。所以我們希望在理論課程中，能夠增加一定實驗的比重，在實踐中學(xué)習(xí)，這樣可加深對概念的理解，記憶會更加牢固。此外，在科技活動中，我們明顯的感覺到了與研究生的差距。組織一些本科生與研究生互動的活動，可以使我們減少自身懈怠，更好的了解未來的工作?？偠灾?，我們希望在以后的課程中，更加重視科研實驗和研究生與本科生的交流。

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[1]朱伯龍.工程結(jié)構(gòu)抗火性能研究報告[M].同濟大學(xué)工程結(jié)構(gòu)研究所，1990.

[2]鈕宏，陸洲導(dǎo)，陳磊.高溫下鋼筋與混凝土的本構(gòu)關(guān)系的實驗研究[J].同濟大學(xué)學(xué)報，VOL.18.NO.

[3]A.H.Gustaferro：Design implementation-concrete structures，Design of Structures Against Fire[M].Elsevier Applied Science Publishers Ltd，1986.

[4]T.M.Becker and Bresler：reinforced concrete frame in fire environments[J].ASCE，Journal of Structural Division，Jan.，1977.

[5]過鎮(zhèn)海，時旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計算[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[6]劉立新，葉燕華主編，混凝土結(jié)構(gòu)原理[M].武漢理工大學(xué)出版，2011.