火灾后钢管RPC柱力学性能试验研究

潘 建 军

(陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏 南京 210007)

人类文明之所以发展至今天的程度，有赖于人类对于火的使用。虽然人类对于火的利用，已经达到了前所未有的高度，但是当利用火这种自然力量为人类造福时，于火在时间和空间上的失控燃烧，也就造成了火灾的发生。而火灾作为一种为人们所熟知的最常见的，对社会稳定与人民生命财产安全的主要威胁之一，不论是对普通民用建筑或是对安全等级较高的重要设施而言，如何控制减少可能造成的危害，都是目前需要研究的重要课题。

本文通过钢管RPC标准火灾试验研究了高温作用后钢管RPC的残余力学性能，并总结了火灾后钢管混RPC柱残余承载力计算方法。

1 试验概况

1.1 火灾试验及力学性能试验

为研究火灾后钢管与RPC力学性能，根据GB/T 31387—2015活性粉末混凝土标准规范要求制作试件如下：

1)100 mm×100 mm×100 mm立方体试块6块。

2)100 mm×100 mm×300 mm棱柱体试块6块。

3)100 mm×100 mm×400 mm棱柱体试块6块。

4)D×L=194 mm×2 500 mm钢管RPC柱2根。

钢管采用20号热轧无缝钢管，尺寸为D×t×L=194 mm×6 mm×2 500 mm，屈服强度为fy=345 MPa。以上试件分别用于测定立方体抗压强度、弹性模量、轴心抗压强度、火灾后残余承载力。配合比见表1。

表1 RPC材料配合比(每立方米)

浇筑成型后，20 ℃±3 ℃自然养护28 d。所有试件采用均匀受火方式在同一天安排火灾试验。火灾试验在东南大学水平抗火试验炉中进行，采用ISO 834标准升温曲线，两根钢管RPC柱受火时间分别为0 min,105 min。由于高温作用，使得RPC试块水分蒸发，试件全部爆裂，无法继续使用，如图1所示。

故最终在常温条件根据GB/T 50081—2002普通混凝土力学性能试验方法标准在电液伺服压力试验机上进行材料性能试验，如图2所示。

实验测得各平均力学性能指标见表2。

表2 RPC力学性能指标

1.2 残余承载力试验

火灾使钢管RPC柱材料性能劣化，承载力降低。为测其残余承载力，在东南大学结构实验室进行了残余承载力试验，如图3所示。实验过程中为保证安全，在加载过程中若荷载不再随位移增加或试件由于变形过大而抵住抱箍装置时，即停止加载并认为达到其极限承载力。测得最大位移及残余承载力见表3。

2 理论分析

2.1 火灾后材料力学性能

表3 最大位移及残余承载力

试件编号残余承载力/kN最大位移/mm13 1416821 21767

2.1.1高温后钢材力学性能

研究表明[1]高温后钢材屈服强度与弹性模量均有所降低，且降低幅度与最高过火温度有关,随炉温冷却的方式对其影响较小，本文所用Q345热加工无缝钢管高温后的力学性能采用吴波[1]经过大量试验研究所得表达式计算：

20 ℃

fy=(100.19-0.015 86T)×10-2fy

(1)

600 ℃

fy=(121.395-0.051 2T)×10-2fy

(2)

其中，fy为钢材常温条件下屈服强度。

20 ℃

ES(T)=(100.53-0.026 5T)×10-2ES

(3)

其中，ES为钢材常温下弹性模量。

2.1.2高温后RPC力学性能

为研究RPC这种高强、高性能、高耐久的新型混凝土材料高温后力学性能，李海艳[2]与吴波[1]通过大量试验研究分别得到高温后RPC抗压强度表达式和弹性模量表达式如下：

20 ℃

(4)

400 ℃

(5)

800 ℃

(6)

其中，fc为RPC常温条件下轴心抗压强度。

20 ℃

Ec(T)=(1.028-0.000 39T)Ec

(7)

200 ℃

Ec(T)=(1.31-0.001 8T)Ec

(8)

600 ℃

Ec(T)=(0.438-0.000 33T)Ec

(9)

其中，Ec为RPC常温条件下弹性模量。

2.2 火灾后残余承载力

利用“极限平衡理论”求解钢管混凝土极限承载力的方法，最早在1934年由Gvozdev教授提出，之后蔡绍怀[3]完善了其工作。极限平衡法避免了结构的弹塑性动力分析过程，直接以极限状态时钢管与混凝土的相互作用及变形协调条件求得极限承载力。

蔡绍怀[3]最终得出钢管混凝土轴心受压短柱极限承载力计算公式，可以看出极限承载力与套箍指标有关：

当ξ≤1.235时:

N0=Acfc(T)(1+2ξ)

(10)

当ξ>1.235时:

(11)

计算钢管混凝土长柱的极限承载力均需考虑长细比与偏心率的影响：

(12)

其中，φl与φe分别为考虑长细比和偏心率对极限承载力影响的折减系数，具体计算方法如下：

(13)

当e0/rc≤1.55时:

(14)

当e0/rc>1.55时:

(15)

其中，L0为钢管混凝土计算长度;e0为轴力偏心距;rc为核心混凝土横截面半径;D为钢管外直径。

理论计算结果与试验结果对比见表4。

表4 试验与理论对比

3 结语

火灾作用后构件工作性能出现明显的劣化，且劣化程度与最高温度有关。火灾后钢管RPC仍具有较强承载力，试验数据与理论计算结果对比发现，误差均在10%左右，验证了公式计算的有效性。