钢筋混凝土梁高温后力学性能实验的学习体验

曹梦娇，贾 辰，刘栋栋

（北京建筑工程学院，北京 100044）

一、引 言

钢筋混凝土结构在高温下的性能复杂，在火灾中由于高温使钢筋和混凝土强度和变形性能严重劣化，但是高温后结构中各个部分的损伤程度各不相同，其冷却后的残余力学性能是评估结构能否继续使用和制定加固措施的主要依据。虽然国内外学者对钢筋混凝土结构的抗火性能做了大量的研究[1-4]，但是对于结构和构件在火灾作用后残余性能的评估尚有待于进一步完善[5]。本文通过对缩尺钢筋混凝土简支梁的高温反应及残余极限承载力和刚度进行实验研究和理论探讨，可为钢筋混凝土结构的火灾后修复加固提供设计依据。我们两位本科生在老师和研究生的指导下参加了实验研究和分析，对于混凝土结构设计原理课程中的基本概念有了深入的理解，对平截面假定、荷载-挠度曲线、弯矩-钢筋应变曲线及弯矩-曲率曲线也有了进一步的理解。掌握了很多实验的技术，如贴应变片、连接线路板等一些基本的实验技能，使得我们实验动手能力得到很大的提高。

二 实验现象及分析

截面的中间位置，距离梁的下表面25mm，因此只有一侧距离火源比较近，温度的升温速度和达到的最高温度仅次于测点3。测点3和测点4都处于简支梁保护层厚度处，由此可以得知，测点3和测点4的温度就是简支梁受力钢筋所达到的温度，A-2-02、A-3-03、A-3-04的测点3的最高温度分别达到328.3℃、501.6℃、570.6℃，A-2-02、A-3-03、A-3-04的测点4的最高温度分别达到261.7℃、327.2℃、258℃，即此时的梁的受力钢筋的最高温度。高温下，当钢筋的温度超过200℃，钢筋的强度随温度的降低程度会加快，当钢筋的温度超过400℃，钢筋的强度随温度降低的程度会大大的加快。高温后，钢筋的力学性能可以不同程度的恢复，主要影响因素是钢筋所经历的最高温度，当最高温度不大于600℃时，降低幅度在10%以内。因此可以判断，A组钢筋混凝土简支梁的受力钢筋的力学性能受到火灾引起的高温的损伤。

观察测点1-测点7的时间-温度曲线，可以看出温度差值比较大，具有明显的温度梯度，说明混凝土是一种热惰性的材料。在加热60分钟停止后，钢筋混凝土简支梁靠近表面的测点的温度就开始下降，而内部的测点的温度还在升高，说明梁的内部仍然在进行比较激烈的热传导，这是使得梁内部混凝土产生不可恢复的破坏的原因之一。

由图1-3-12-图1-3-14可知，B组钢筋混凝土简支梁的跨中截面的升温曲线的趋势是相同的，测点位置越靠近梁的表面，时间-温度曲线的拐点越靠前；测点越靠近梁的内部，时间-温度曲线的拐点越靠后。

B组简支梁测点3和测点4都处于简支梁保护层厚度处，测点3和测点4的温度就是钢筋混凝土简支梁受力钢筋所达到的温度。图1-3-12-图1-3-14得知，B-2-02、B-3-03、B-3-04的测点3的最高温度分别达到282.8℃、397.1℃、368.2℃，B-2-02、B-3-03、B-3-04的测点4的最高温度分别达到260.2℃、287.8℃、328.7℃，即此时的梁的受力钢筋的最高温度。高温下，当钢筋的温度超过200℃，钢筋的强度随温度的降低程度会加快。高温后，钢筋的力学性能可以不同程度的恢复，主要影响因素是钢筋所经历的最高温度，当最高温度不大于600℃时，降低幅度在10%以内。因此可以判断，B组钢筋混凝土简支梁的受力钢筋的力学性能受到火灾导致的高温损伤。

三、刚度与极限承载力

1.按实验方法计算所得刚度

按照实验方法计算，过火等级为二级的钢筋混凝土简支梁A-2-02截面刚度较梁A-0-01的截面刚度降低12.74%，过火等级为三级的梁A-3-03、A-3-03的截面刚度较梁A-0-01的截面刚度分别降低21.70%、19.81%，为了评估的可靠性，取较保守的值21.70%；过火等级为二级的梁B-2-02截面刚度较梁B-0-01的截面刚度降低4.72%，过火等级为三级的梁B-3-03、B-3-03的截面刚度较梁B-0-01的截面刚度分别降低11.70%、21.70%，为了评估的可靠性，取较保守的值21.70%。按照央视评估方法计算所得刚度见表1。

表1 按照实验方法计算所得刚度

2.极限承载力

实验所得的极限承载力见表2。从数据可以看出，在经历火灾后，混凝土简支梁的极限承载力降低不是很多，主要原因是钢筋混凝土简支梁是三面受火，其底部的混凝土和钢筋受到火灾的损伤最严重，但是梁底部的混凝土的抗拉强度在计算时是被忽略的，而钢筋的强度会在火灾结束后得到恢复，同时梁顶部受压混凝土经历的火灾温度并不高，受压混凝土的力学性能受到火灾造成的高温损伤非常轻微。

过火等级为二级的钢筋混凝土简支梁A-2-02极限荷载较梁A-0-01的极限荷载降低1.17%，过火等级为三级的梁A-3-03、A-3-03的极限荷载较梁A-0-01的极限荷载分别降低1.84%、1.05%，为了评估的可靠性，取较保守的值1.84%；过火等级为二级的钢筋混凝土简支梁B-2-02极限荷载较梁B-0-01的极限荷载降低3.60%，过火等级为三级的梁B-3-03、B-3-03的极限荷载较梁B-0-01的极限荷载分别降低9.65%、0.17%，为了评估的可靠性，取较保守的值9.65%。

表2 极限承载力

四、结 论

1.钢筋混凝土简支梁的截面尺寸越大，梁的表面吸收的热量越多，对梁表面造成的损伤就会更严重，但是向内部传递热量的路程较远，因此梁内部的温度会比较低，内部测点比保护层厚度处的测点低250℃以上，说明增加混凝土保护层厚度可以保护梁的内部结构，提高梁的耐火极限。

2.混凝土是热惰性材料。火灾发生时，钢筋混凝土简支梁表面升温速度非常快，但是梁内部的温度变化并不是很大，内外温差可达400℃以上。火灾结束后，梁内部依然存在不均匀温度场，梁内外温差可达200℃以上，梁内部在不停的进行热传导，造成二次损伤。

3.火灾发生时经历的温度越高，给钢筋混凝土简支梁造成的损伤也越大。

4.在经历火灾后，混凝土简支梁的极限承载力降低不是很多。过火等级为二级的A组钢筋混凝土简支梁的极限荷载降低1.17%，过火等级为三级的A组梁A-3-03、A-3-03的极限荷载分别降低1.84%、1.05%，为了评估的可靠性，取较保守的值1.84%；过火等级为二级的B组钢筋混凝土简支梁的极限荷载降低3.60%，过火等级为三级的B组梁的极限荷载分别降低9.65%、0.17%，为了评估的可靠性，取较保守的值9.65%。

5.按照实验方法，过火等级为二级的钢筋混凝土简支梁A-2-02截面刚度较梁A-0-01的截面刚度降低12.74%，过火等级为三级的梁A-3-03、A-3-03的截面刚度较梁A-0-01的截面刚度分别降低21.70%、19.81%，为了评估的可靠性，取较保守的值21.70%；过火等级为二级的B组梁的截面刚度降低4.72%，过火等级为三级的B组梁的截面刚度分别降低11.70%、21.70%，为了评估的可靠性，取较保守的值21.70%。

五、参加学生科技活动的体会以及对学习的建议

从实验中，我们巩固了许多课上学习的内容也掌握了很多实验必备的基础技巧。

简支梁的实验离不开精确的准备工作，我们在教师的指导下学习了粘结应变片的基本知识，在平时的上课中，我们只知道应变片的工作原理是基于应变效应制作的，而我们在实验准备中发现，由于应变片的位置和电阻线的位置过近，导致粘贴时电阻线经常使应变片翘起，而应变片一旦翘起，这个测量点就将作废，从而减少实验的数据。在随后加工应变片的过程中，掌握了正确的应变片和电阻线的间距，将应变片准确的粘贴在被测物体上就容易多了，而且也有利于高精度的测量。在课余时间，经常会有许多的比赛。但是单纯靠实际操作和动手能力的活动太少了。可以增加一些科技活动，学生会从这些比赛中受到大大的益处。

在混凝土结构原理课上我们学到结构在施工和使用期间能够满足各项功能要求，则称结构为“可靠”或“有效”，反之则称结构为“不可靠”或“失效”。区分结构可靠或失效的标志称为“极限状态”。当整个结构或结构的一部分超过某一特定状态（如达到极限承载力、失稳，或变形、裂缝宽度超过规定的限值等）就不能满足设计规定的某一功能的要求时，此特定状态就称为该功能的极限状态。极限状态可分为承载能力极限状态和正常使用极限状态，均规定有明确的标志或限值[6]。在实验过程中，我们更清楚的观察到了课堂上两个所讲的两个极限状态。裂缝在预加载和加载荷载较小时均不出现，随着荷载的增加，裂缝先在梁的三分之一处从梁的底部开始出现，这时的裂缝虽然可以观察的到，但是由于宽度太窄，无法用肉眼观测或用尺子测量出来，这样就要使用裂缝宽度观测仪，裂缝宽度观测仪十分精准，每个小格代表0.02mm，估读出每个裂缝所占小格数，就能计算出每条微笑裂缝的宽度。这些内容只在教材上一笔带过，但是在实际应用中所占比例却是最多的。希望老师能在上课时带一些做实验常用的仪器。让我们在平时就能熟悉仪器，不至于在实验室要现学。

因为实验对8根简支梁进行了实验研究，所以到在做过几根简支梁后我也掌握了一些实验的小窍门。因为要观察梁破坏时的荷载，所以在加载进行到尾声的时候要紧紧盯住受压区混凝土何时破碎。经过几次实验发现，当受压区混凝土即将破碎的时候，都会先在梁的上端冒出一缕混凝土烟灰，一旦出现灰的时候就意味着混凝土马上要剥落了，这样方便我们集中精力观察，而不会错过混凝土的被压碎的时刻。混凝土结构设计原理是一门综合性、实验性很强的课程，学生不好理解的科目，老师如果能在课堂中将枯燥的实验过程和现象用最贴切生活的词语描述出来会增加学生的学习兴趣以及提高接受率。

TVCC灾后结构结构评估实验是我们参加的密度最大，所需专业知识最多的一个实验，因为这个实验对我有着里程碑似的意义。在实验的初期，我只能跟着老师和研究生进行一些观摩，学习研究生是如何做实验的。但是到实验的后期，我也可以真正融入到整个实验当中了。从一开始的利用仪器观测裂缝、标出裂缝的位置。到后来利用软件进行数据记录。从一开始的半知半解，到后来也能发表一下自己的看法，这个过程让我真正锻炼了自己。通过此次实验，我更清楚认识到了以后自己需要面对的工作，也认清了即使是本科毕业在研究生阶段和工作阶段学习的内容也还有很多，不能因为有具有较好的考试成绩而认为也可以做好实验工作。我们在实验动手能力、分析能力和写作能力等方面仍需学习、锻炼。

通过参加了本文的实验研究，我们发现在考试中取得良好的成绩，并不一定能够很好地掌握基本概念。做实验须具备良好的动手能力和概念的掌握。所以我们希望在理论课程中，能够增加一定实验的比重，在实践中学习，这样可加深对概念的理解，记忆会更加牢固。此外，在科技活动中，我们明显的感觉到了与研究生的差距。组织一些本科生与研究生互动的活动，可以使我们减少自身懈怠，更好的了解未来的工作。总而言之，我们希望在以后的课程中，更加重视科研实验和研究生与本科生的交流。

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[1]朱伯龙.工程结构抗火性能研究报告[M].同济大学工程结构研究所，1990.

[2]钮宏，陆洲导，陈磊.高温下钢筋与混凝土的本构关系的实验研究[J].同济大学学报，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]过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京：清华大学出版社，2002.

[6]刘立新，叶燕华主编，混凝土结构原理[M].武汉理工大学出版，2011.