受火后钢混凝土组合梁材料性能试验研究
姚伟发，黄侨，张娟秀
（东南大学交通学院桥梁工程系，南京 210096）
关键词：桥梁；火灾；钢混凝土组合梁；材料性能；试验
Key words：bridges； fire； steelconcrete girder； material characters； experiments
随着中国国民经济持续稳定增长和综合国力的增强，交通基础建设得到迅猛发展。然而，由于车辆的超载、超速、司机的疲劳驾驶等原因造成的交通事故越来越多。由事故及其他缘由所引发的桥梁火灾往往给桥梁带来了较大的损坏，严重时甚至引起桥梁垮塌，给人们生命及财产安全带来了巨大的损失[13]。
对于中国跨线桥广泛使用的钢C混凝土组合梁桥来说，其结构具有良好的静动力性能和疲劳性能[4]。但在火灾高温作用下，由于钢材抗火的能力较之混凝土更差，与普通混凝土梁桥相比将会受到更大的损坏[5]，甚至引起桥梁的坍塌破坏。具体来说，钢材在高温下强度和弹性模量降低，造成截面破坏和变形过大而失效、倒塌。钢筋虽有混凝土的保护，但在高温作用下强度降低，以致在外荷载引起的应力下提前屈服而引起截面破坏；混凝土强度和弹性模量随温度升高而降低[6]；由于构件内部温度梯度的作用，可能造成构件开裂，弯曲变形；由于构件热膨胀，可能使相邻构件产生过大的位移和变形[78]。
为研究火灾高温后组合梁桥的基本材料力学性能与特征，制作了3片具有代表性的缩尺梁模型进行局部火灾试验，通过对受火后取样试件与未受火试件的材料试验结果进行对比，取得的一些有益的结论可为组合梁桥防火灾设计时材料基本特性取值提供基础试验积累与理论依据。
1试验准备工作 1.1试验样本
钢梁均采用Q235钢板在钢构件制作公司加工制作，混凝土板在试验室人工拌制，并进行浇筑和养护。
试验在东南大学火灾试验室进行，涉及的设备主要包括火灾试验炉、钢材拉伸试验机。火灾试验炉为大型水平试验炉（图1），以天然气为燃料。组合梁的静力集中荷载采用千斤顶施加。
炉体内尺寸：长×宽×高=4.0 m×3.0 m×15 m。
单跨梁最大受火尺寸：4 m×0.4 m×0.4 m。
炉内可增设分隔墙，分隔后的两部分炉体可单独使用也可同时使用；炉顶垂直加载系统可沿轨道移动。
2受火试验[913]
2.1试验布置
2.1.1SCB1梁
1）火灾场景设计
2）温度测点布置
钢梁跨中截面为温度场测试主截面（截面II），共布置7个测点。钢梁沿梁肋共设置3个温度测点（W1～W3）；混凝土板共设置4个测点（T1～T4），具体位置见图4。
为确保主截面测点温度数据正确性，在距主截面0.5 m处（截面ⅡⅡ）与主截面相同高度位置处布置同数量的温度测点，钢梁沿梁肋设置3个测点（W1′～W3′），混凝土板内设置4个测点（T1′～T4′），见图4中括号内编号。
1）火灾场景设计
2）温度测点布置
为确保主截面测点温度数据的正确性，在距主截面0.5 m处截面（截面ⅡⅡ）上与主截面测点相同高度处布置温度场测点，箱梁腹板内侧布置3个测点（W1′～W3′），混凝土板内布置4个测点（T1′～T4′）。
测试截面与温度测点布置及编号见图6（立面布置图与SCB1梁相同，见图4）。
2.1.3SCB3梁
1）火灾场景设计
按连续梁布置，设定单跨失火时，中支点负弯矩处长约1/3跨径（0.9m）部分箱形梁段处于“三面”受火（梁顶面、翼缘板侧面不受火），以模拟桥面局部受火，采用隔热棉对未受热部位进行严实包裹隔热，火灾场景模拟方案见图7和图8。
2）温度测点布置
SCB3梁截面形式与SCB2梁相同，仅立面布置略有不同，见图9，其余均与SCB2梁一致。
截面温度测点布置及编号同于SCB2梁，见图6。
2.2温度荷载
桥梁发生火灾时，火场温度决定构件内部温度，从而决定了构件及结构的耐火时间。本试验采用国际标准化组织（ISO）制定的ISO834标准升温曲线[11]（图10），并恒定荷载（升温期间作用于梁上荷载不变）升温。
在点火前，首先对各试验梁常温加载，使其达到各自设计试验荷载。加载稳定后对试验梁做外观检查，三片试验梁外观检查均未见肉眼可见裂缝，测得试件变形较小。此外，亦未见试件其他异常情况，在再次确认测试仪器正常工作情况下，开始点火试验。
2.3温度试验结果
2.3.1水平试验炉
水平试验炉共分8个区，每区都设置了控温热电偶，热电偶采集的温度数据经计算机运算后与设定值进行比较，根据实际温度与目标温度的偏离情况由计算机发出信号给燃烧控制系统，自动调节炉温大小。
图11所示为SCB1～SCB3梁试验时实测炉温与前述ISO834标准升温曲线的对比情况。在开始升温期间炉温与标准升温曲线相差较大，但历时较短（5 min），对构件受火试验影响不大。此后，炉内实测温度与标准升温曲线吻合较好。
2.3.2试验梁
1）SCB1梁
图12给出SCB1试验梁顶板的温度实测值。图中可以看出，试件混凝土顶板存在较大的温度梯度，靠近钢腹板的测点温度最高，受火半小时后接近360 ℃；而混凝土顶板顶部测点的测试温度较低，受火半小时不到60 ℃；越靠近钢腹板，其温度越高，反之亦然。
3受火后材料性能试验
3.1材料试件取样
试验均从受火后的试件中截取材料性能试验样本，从被检测的结构或构件上直接截取材料试件进行试验，能反映被试材料实际的状态，尤其对于无论混凝土还是钢材，由于在受火过程中其内部温度场分布不均匀，直接截取的材料试件实际上是一个非均匀层状试样，依此材料试件的测试结果更具代表性，且由于是实物分析，更加全面系统，因而，具有更高的可信度。从工程上看，这种直观简便且可靠的取样方法，无论从现场的适应性还是经济性、安全性考虑，都有极大的发展前途和实用价值。 3.2试验现象
3.3钢材材性试验
3.3.1试件取样
火灾高温对钢材的影响主要来自于以下3个方面：
1）高温下原子的原有热振动加剧并且扩散，钢材产生软化，达到一定程度后抵消硬化的影响；
2）高温下原子间的结合力降低，增大其滑移变形，减小了抗滑能力；
3）在1 400 ℃以上时，钢材进入液态相，失去了抵抗荷载的能力。因此火灾高温对冷加工钢筋的影响大于热轧钢筋。同时，火灾高温的影响还与钢材种类和生产加工工艺有关。
针对本次试验梁，在其制作构件时，选用与其相同批次的钢材试样留待材性对比试验；并在构件受火试验完成后，采用机械切割的方式从试件中割取钢板试样用作受火后材性试验（图20）。
3.3.2试样尺寸
3.3.3材性试验
钢板的材性试验均在常温下进行，且试样以火灾试件自然冷却后割取的钢板制成，以确保试验所测材性为高温后材料的性能，钢材材性试验均在东南大学材料试验室试验机上按标准试验方法进行（图23）。
3.3.4试验结果
依据试件上粘贴的钢筋应变计测得的数据经综合分析后可以绘制出未受火及经历不同高温自然冷却后钢材的应力应变曲线图，见图24。由图可知钢材的弹性模量和屈服强度的变化前述一致，此处不再赘述。
3.4混凝土材性试验
3.4.1试件取样
一般来说，高温造成混凝土强度损失和变形性能退化的主要原因有：
1）水分蒸发后形成的内部空隙和裂缝；
2）粗骨料和其周围水泥砂浆体的热工性能不协调，产生变形差和内应力；
3）骨料本身受热膨胀破裂，这些内部损伤的发展和积累随温度升高而更加严重；
4）当温度达到某一数值时，水泥石中的氢氧化钙开始分解导致水泥石结构破坏；
5）混凝土内部温度梯度引起的内应力将导致裂缝产生与发展。
在受火试件混凝土板浇筑时，以同批次混凝土制作两组共6块150 mm×150 mm×150 mm标准尺寸混凝土立方体试块（试件编号1～6）。该组混凝土试样与试件以相同条件进行养护，在常温下测试其强度，以确定试件混凝土的立方体强度。
由于混凝土板底部直接受火，混凝土受损较严重，取芯时，板底部混凝土发生了破损现象，见图25（b），后期混凝土强度试验用芯样试件均以去除这部分破损混凝土后并用磨光机进行端面处理后加工而成。
3.4.2材性试验与数据
为使试验结果比较更具合理性，受火前后混凝土强度试件试验时间均安排在同一天进行。试验在东南大学材料试验室液压式压力试验机上进行，表6给出了常温与受火烧后混凝土立方体强度测试值。
针对火灾高温后钢混凝土组合梁的材料性能进行试验研究，共制作3片钢混凝土组合梁试验构件，分别为简支T形梁、简支箱形梁及连续箱形梁。通过受火后取样试件与未受火试件的材性试验结果对比，得到以下结论：
2） 受火（最高温度在700～900 ℃）环境下钢板材料弹性模量随温度升高略有变化，但变化值不大，故对于钢腹板火灾高温后弹性模量可不予折减。
3） 标准升温曲线下受火时间小于30 min，可忽略不计火灾对混凝土强度材性的影响。
4） 标准升温曲线下受火时间大于60 min，火灾对其冷却后的材料强度有一定影响，相对于常温混凝土其强度会降低5%左右。
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