钢筋混凝土柱是建筑结构中重要的竖向承重构件。火灾作用下, 钢筋混凝土柱丧失承载力, 可能导致结构的整体倒塌。目前国内外学者针对钢筋混凝土柱的抗火性能开展了一系列研究^{[1,2,3,4,5,6,7,8]}, 取得了大量有价值的成果。但这些研究均未考虑混凝土爆裂对柱抗火性能的影响, 并且大多集中在轴心受压柱的抗火性能, 而对于偏心受压钢筋混凝土柱的火灾行为研究较少。

　　 本文对具有不同表面含水率的3根足尺轴心受压混凝土柱和3根足尺偏心受压混凝土柱进行了恒载-升温条件下的火灾试验, 研究了表面含水率对钢筋混凝土柱爆裂程度及耐火极限的影响, 对比分析了不同受压方式下钢筋混凝土柱火灾行为的异同。

　　 对3根养护周期分别为28, 180d和360d的轴心受压混凝土柱进行了火灾试验, 同时设计了3根相同养护条件下的偏心受压混凝土柱, 以进行对比研究。6根试验柱的柱高为2.4m, 截面为200×300, 混凝土采用C30混凝土, 水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥, 细骨料为河砂 (中砂) , 粗骨料为碎石, 粒径为5～31.5mm。混凝土配合比为水泥∶砂∶石子∶水∶掺合料 (粉煤灰) ∶外加剂 (减水剂) =0.78∶2.05∶2.26∶0.46∶0.22∶0.026。柱内纵筋和箍筋均为HRB400钢筋, 实测屈服强度为460MPa, 抗拉强度为585MPa, 混凝土保护层厚度为30mm, 柱的尺寸及配筋如图1, 2所示。

　　 由于混凝土爆裂主要发生在火灾前期, 并且发生的主要区域为混凝土构件表面, 因此, 混凝土构件表面含水率对爆裂的影响更加显著, 本文对各试件受火前的表面含水率进行了量测。试验当天, 试验柱混凝土的实测立方体抗压强度和表面含水率见表1。为使具有不同表面含水率试件的表面含水率差异更大, 试验结果对比更加明显, 28d龄期混凝土构件采取表面覆盖吸水棉毡的方法来提高其表面保水性, 同时在构件表面大量浇水, 以模拟潮湿使用环境, 因此测得的构件混凝土表面含水率较高。180d和360d龄期的混凝土试件由于未采取上述方法模拟潮湿使用环境, 试验前测得的混凝土表面含水率较低。

　　 所有试验均为对柱施加恒定荷载下按照ISO834标准升温曲线进行的火灾试验, 整个试验过程中, 试验炉炉温由铠装K形热电偶测量, 并通过数据线传至计算机进行处理。火灾中利用液压千斤顶对试验柱进行加载, 并配置稳压器以保证施加荷载的恒定。轴心受压混凝土柱的轴压比采用0.65, 竖向荷载为557kN, 为方便对比, 偏心受压柱施加与轴心受压混凝土柱大小相同的竖向荷载, 加载偏心距为150mm。布置好试验柱的加载装置如图3所示。

　　 火灾作用下, 6根试验柱均采用四面受火形式, 试验柱混凝土的温度由预先埋入柱内的铠装K形热电偶测量, 沿柱高度方向的1/2和1/4处分别设置了11个测点, 每两个相邻热电偶的间距为50mm, 如图4所示。柱内钢筋温度由预先绑扎在纵筋和箍筋的铠装K形热电偶测量。试验过程中, 柱的竖向位移由布置在柱顶的差动式位移传感器进行量测, 通过采集系统传至计算机保存。

　　 火灾作用下, 试验炉炉温随时间变化曲线如图5所示。清楚起见, 图中仅绘出偏心受压混凝土柱PC1的实测升温曲线, 其余柱的实测升温曲线与其较为接近, 不再画出, 由图可见, 试验炉炉温曲线与ISO834标准升温曲线差别不大, 可以满足试验要求。

　　 火灾作用下, 轴心受压混凝土柱ZC1～ZC3的破坏模式如图6所示。由图可知, 养护周期为28d的柱ZC1表面混凝土发生了大面积的爆裂, 爆裂区域遍布整个柱面, 最大爆裂深度达到22mm, 但未发现钢筋暴露情况。养护周期为180d的柱ZC2表面混凝土也出现了明显的爆裂现象, 但爆裂程度较柱ZC1轻微, 大面积的爆裂区域主要集中在柱中表面, 最大爆裂深度达到16mm。养护周期为360d的柱ZC3受火过程中表面混凝土并未发生明显爆裂。所有试验柱的表面均产生了密集裂缝, 裂缝分布以横向居多, 并未见明显的竖向通长裂缝产生。

　　 图7为火灾作用下, 偏心受压混凝土柱PC1～PC3的破坏模式。由图可知, 由于柱PC1养护时间较短, 表面含水率较高, 混凝土发生了严重的爆裂, 爆裂区域靠近柱底部, 最大爆裂深度达到35mm, 柱表面混凝土发生大面积的剥落, 导致柱内钢筋暴露。柱PC2表面混凝土也发生了明显爆裂, 但由于其养护周期与柱PC1相比较长, 表面含水率较低, 所以混凝土爆裂程度相对较轻, 爆裂面积较小, 最大爆裂深度达到20mm。柱PC3由于养护周期较长, 表面含水率较低, 因此在整个火灾过程中柱表面混凝土并未发生明显爆裂现象。火灾作用下, 试验柱表面均产生了大量密集裂缝, 沿柱高度方向产生了通长主裂缝, 柱PC1的最大裂缝宽度达到2.5mm, 柱PC2的最大裂缝宽度达到1.8mm, 柱PC3的最大裂缝宽度达到0.8mm。

　　 试验过程中轴心受压混凝土柱ZC1～ZC3和偏心受压混凝土柱PC1～PC3的柱中截面沿短边方向距柱表面50mm处 (距柱表面指距柱截面边缘) 的混凝土温度-时间曲线见图8。由试验结果可知, 由于柱混凝土养护周期及表面含水率不同, 火灾中爆裂程度深浅不一, 导致试验中柱混凝土达到的最高温度产生较大差异, 其中养护周期最短、表面含水率最大、爆裂程度最严重的柱PC1和柱ZC1混凝土温度最高;养护周期最长、表面含水率最小、爆裂程度最轻的柱PC3和柱ZC3混凝土温度最低。

　　 图9～14为各试验柱不同高度截面沿长边方向混凝土温度-时间关系曲线, 由于混凝土爆裂, 柱表面处温度测点热电偶发生损坏, 导致此处温度测量数据缺失。由于火灾试验过程中, 试验柱的受火比较均匀, 由图9给出的数据可以看出柱中截面和1/4截面处温度数据相差不大, 此外, 试验柱中截面处温度数据更接近柱的沿长度方向的整体平均温度, 因此图10和图11只给出柱PC2和柱PC3的中截面处温度数据, 1/4截面处温度数据不再给出。图13, 14中的柱ZC2和柱PC3同理。

　　 图9 柱PC1截面沿长边方向混凝土温度-时间曲线

　　  

　　 图11 柱PC3中截面沿长边方向混凝土温度-时间曲线

　　  

　　 图12 柱ZC1截面沿长边方向混凝土温度-时间曲线

　　  

　　 图13 柱ZC2中截面沿长边方向混凝土温度-时间曲线

　　  

　　 图14 柱ZC3中截面沿长边方向混凝土温度-时间曲线

　　  

　　 图15, 16分别为轴心受压混凝土柱与偏心受压混凝土柱的柱顶竖向位移随时间变化曲线。试验初期, 由于受热膨胀, 试验柱都产生了不同程度的向上竖向位移。随着火灾的进行, 高温下混凝土和钢筋的力学性能发生退化, 同时混凝土爆裂导致柱有效截面减小, 柱承载能力下降, 竖向位移开始向下发展。

　　 由图16可以看出, 试验后期, 偏心受压柱的柱顶竖向位移突然下降, 位移-时间曲线出现明显突变。

　　 图15 轴心受压混凝土柱的柱顶竖向位移-时间曲线

　　  

　　 图16 偏心受压混凝土柱的柱顶竖向位移-时间曲线

 

　　 《建筑构件耐火试验方法第1部分:通用要求》 (GB/T 9978.1—2008) 规定, 火灾作用下柱达到耐火极限的标准之一为柱失去稳定性, 即轴向变形超过H/100 (单位为mm) , 或轴向变形速率超过3H/1 000 (单位mm/min) 。其中H为柱的受火高度, mm。根据构件在火灾作用下失去稳定性的标准, 即柱顶竖向位移超过H/100, 得到相同竖向荷载作用下各试验柱最终的耐火极限, 见表2。

　　 由表可以看出, 随着养护时间增加, 表面含水率下降, 火灾作用下混凝土爆裂程度的减轻, 柱的耐火极限显著提高。相同条件下, 由于偏心距引起附加弯矩, 偏心受压混凝土柱的耐火极限小于轴心受压混凝土柱的耐火极限, 养护周期较短时, 轴心受压混凝土柱的耐火极限与偏心受压混凝土柱的耐火极限相差不大;养护周期较长时, 偏心受压混凝土柱的耐火极限显著低于轴心受压混凝土柱的耐火极限, 如养护周期为28d时, 偏心受压混凝土柱的耐火极限比轴心受压混凝土柱降低5min;养护周期为180d时, 偏心受压混凝土柱的耐火极限比轴心受压混凝土柱的耐火极限降低23min。由此可知, 柱养护周期较短, 表面含水率较高时, 高温作用下混凝土的爆裂程度对柱耐火极限的大小起决定作用。随着养护周期增长, 表面含水率提高, 混凝土爆裂程度减轻, 受压方式对钢筋混凝土柱的耐火极限影响显著。

　　 通过对具有不同养护周期的3根偏心受压混凝土柱及3根轴心受压混凝土柱进行足尺火灾试验, 得到以下主要结论:

　　 (1) 随着养护周期的增长, 表面含水率降低, 火灾作用下柱表面混凝土爆裂程度减轻, 钢筋混凝土柱耐火极限显著提高。相同竖向荷载作用下, 由于受到附加偏心弯矩的影响, 偏心受压混凝土柱的耐火极限低于轴心受压混凝土柱的耐火极限。

　　 (2) 火灾作用下, 钢筋混凝土柱表面均产生了大量不规则裂缝, 偏心受压混凝土柱沿柱高度方向出现明显的通长主裂缝, 轴心受压混凝土柱裂缝分布以横向居多, 并未出现竖向通长裂缝。

　　 (3) 试验初期, 柱由于受热产生向上的膨胀变形, 随着温度的升高, 混凝土和钢筋力学性能劣化, 混凝土爆裂引起柱有效受力截面减小, 柱开始产生向下位移。与轴心受压混凝土柱相比, 偏心受压混凝土柱试验后期产生突变的下降位移。

　　 (4) 养护周期较短, 柱表面含水率较高时, 受压方式对柱耐火极限影响不明显, 混凝土爆裂程度对柱抗火性能影响较大, 随着养护时间增长, 柱表面含水率下降, 混凝土爆裂程度减轻, 受压方式对柱耐火极限影响显著。

　　 (5) 对钢筋混凝土柱进行设计时, 应充分考虑高温混凝土爆裂对其抗火性能的影响, 在考虑结构使用环境等因素时, 不应盲目增大混凝土保护层厚度以提高其耐久性, 防止由于混凝土保护层厚度的增加导致混凝土爆裂程度加重, 降低结构耐火极限, 影响结构的火灾安全。研究结果可以为钢筋混凝土柱的抗火性能化设计提供理论依据, 进一步完善柱的抗火设计理论。