2023年12月12日发(作者:台电p10hd参数)
桥梁建设
2021年第51卷第2期(总第270期)Bridge Construction,
Vol.
51
#
No.
2
#
2021
(Totally
No.
270)91文章编号!003
—4722(2021)02
—0091
—08预应力混凝土空心板梁火灾损伤特性研究罗文林】,刘其伟2,储智峰3(1.南京博瑞吉工程技术有限公司,江苏南京211102; 2.东南大学交通学院,江苏南京211102;3.江苏省宜兴市铁路办公室,江苏宜兴214200)摘
要:为探究火灾对预应力混凝土空心板梁受力性能的影响机理,制作10片跨径13
m的
预应力混凝土空心板梁进行火灾模拟试验和火灾后的静力加载试验,分析火灾过程中及火灾后的
试件状态、梁体内部温度及火灾后的剩余承载能力。结果表明:火灾初期梁体受火面混凝土会随机
性爆裂,爆裂削减了钢绞线的混凝土保护层厚度,导致钢绞线火灾中温度显著升高;随着火灾时间
增长,梁体腹板中部出现竖向裂缝,梁体逐渐下挠,内部温度逐渐升高,但高温影响区主要集中在距
受火面10
cm以内。火灾后梁体剩余承载能力跟火灾持续时间有一定的关联性,但关键取决于火
灾中钢绞线经历的最高温度;钢绞线的混凝土保护层爆裂越严重,保护层厚度越薄,钢绞线经历的
温度越高,火灾后梁体承载能力损失越严重。关键词:桥梁工程;空心板梁;预应力混凝土结构;火灾;爆裂;温度;承载力;模拟试验中图分类号:U44
&212;U441.5
文献标志码:AStudyofFireDamageCharateristicsofPrestressedConcrete
Hollow
Slab BeamLUO
Wen-lin1
,
LIU
Qi-wei2
,
CHUZhi-feng3(1.
Nanjing
Brgtec
Engineering
Technology
Co.
Ltd.,
Nanjing
211102,
China;
2.
School
of
Transportation,
SoutheastUniversity,
Nanjing
211102,
China;
3.
Yixing
Railway
Office,
Jiangsu
Province ,
Yixing
214200
,
China)Abstract:
To
investigate
the
influence
mechanism
of
fire
disasters
on
the load
bearing
behavior
ofprestressedconcreteho4ows4abbeams#ten13
m-4ong
prestressed
concrete
ho4ow
s4ab
beams
were
prepared
for
the
fire
simu4ation
tests
and
the
static4oading
test
after
fire
conditionandtemperatureinsidethebeamsduringandafterfireeventsaswe4astheresidua44oad
tsshowthatthesurface
oftheconcretebeamsexposedtofirecanburstsporadica4y#whichunderminesthethicknessofthe
concretecoverofstee4strands#consequent4ythetemperatureofstee4strandsdramatica4yroseup
urationofthefireeventextends#vertica4cracksbegintooccurinthemidd4eofthe
webs#thebeamsgradua4ybend#thetemperatureinsidethebeamskeepcimingup#butthehigh
temperatureinf4uencezone
main4y
appear
withintheregion
distancing
10
cm
from
thesurface
idua44oadbearingcapacityofthebeamsisre4atedtothedurationofafire
event,
but
the
maximum
temperature
of
steel
strands
in
the
fire
is
a
key
factor.
Serious
burst
and/
orlossofconcretecovermakesthesteelstrandsexperienceexcessiveheat#resultinginsevereloss
ofloadbearingcapacityofbeamsafterafireevent5Key
words:
bridge
engineering;holow
slab
beam;prestressed
concrete
structure;fire
disaster;blast;temperature;loadbearingcapacity;firesimulationtest收稿日期:2020
—
06
—
10基金项目:江苏省交通运输科技与成果转化项目计划项目(2014Y25)ProjectofTransportationScienceandAchievementTransformationPlan#JiangsuProvince
2014Y25)作者简介:罗文林,高级工程师.E-mail:
30768334@qq.
com。研究方向:桥梁检测、评估及维修处治。921桥梁建设
Bridge
Construction2021,
51(2)C50&板梁底板配置了单排共10根1
860
MPa的
运输危险石化品(如汽油、天然气等易燃物)时,
稍有不慎,
'15.
2
mm钢绞线,其形心位置距底板边缘4.
5
cm,
火灾发生。当火灾发生在桥梁控制张拉应力为1
237
MPa。顶板配置了
4根'12
mm钢筋(HRB335),箍筋采用'12
mm钢筋,跨中区
上时,产生的高
桥梁
的力学性
重劣化,火灾
桥梁结构的强度、刚度
,将
桥梁损
域箍筋间距为20
cm,支点附近箍筋间距为10
cm。
2.2试验方案,影响安
度
现,国内外
桥梁,需准确评定合适的处治方案。经调研发土结构火灾方面的研究主要集中为火灾模拟试验和静力加载试验两部
分1号梁作为标准梁,仅进行静
再进行静
进行
高
载在工民建领域,研究方向涵盖火
高
学性
且目
度、材料高温下极限
载
,其余9片梁先进行火灾
梁
(试构件、结构抗火性
(1⑷,在桥梁发生火灾后,采用的评估方法各异&10),
桥梁结构火灾
载
&利用天 炉对板#
火
为跨中
5
m
的评定研究
f较评估实中载
:,板下表面(图1)。
炉内升温曲线总体采用
ISO834标准曲线,但为
火灾
少,尚
,有的工程人员甚至直接套用。由于中小跨径桥梁安
|建筑结构抗火等级的评定方法,无法
开,将实际最高温度
在1
000
°C以内&火灾模际桥梁结构火灾后的承载
拟时长分别为%号、6号梁1
h,5号、8号、9号、10
号梁1.
5
h,7号梁2
h,4号梁2.
5
h,2号梁4
ho测
占比较大、桥下净
跨径桥梁常采用的预
究
,更易遭受火灾&
土
火灾后静
板梁作为研内容包括:混凝土内部温度、钢绞线温度、梁体变
形和开裂、混凝土外
,通过火灾
载
评估、纟
。于跨中加载的方式研究桥梁在火灾高温作用下的
律,为该类桥静力加载试验采用两点
(图2),利用分配梁将
至2
梁火灾
支撑&治方法研究提供斤
的荷载
、。正载点(间距3
m),在跨中3
m
内形成纯
载区,主
2试验设计2.1试件设计梁
极限承载
式加载时,每级荷载增量为20
kN
,当加载至接近破
坏时,每级加载增量减小至10
kN或更小,以跨中
共预制10片(1〜10号)相同的混凝土空心板
梁(试验梁),梁高55
cm,跨径13
m,混凝土等级为
480
向挠度
准。至失
梁体断裂作为终
载400
十
十
170
十
170
十
500(火灾模拟实验区段)
480十
4002-2截面丨t
11-1截面丨跨中1
t
1
1
t
3-3截面
rt
1'加热炉(a)试验布置示意单位:cm(b)加热炉炉膛内部
图1火灾
试验Fig.1
FireSimul$tionTest(c)试验现场预应力混凝土空心板梁火灾损伤特性研究
罗文林,刘其伟,储智峰93从点火加热开始,空心板梁钢绞线端部开始有水汽
冒出,板梁受火区域腹板的中下部开始有竖向
(裂缝出现,梁体内部结晶
成
化
裂缝处溢出形;随着时间推移,内腔中有
不
:的
。加火约从梁端冒出,腔内也出现有大
8
min
时
,
开
出
现 土
爆
裂
,8
〜15
min
为
爆炉上的
:裂声最密集的时间段,15
min后爆裂声逐渐变得稀
,至20
min爆裂声基本消失&
孔可以看
土爆裂
出
的
。[过中
5
号
9
号
梁
爆
裂
大
密
集
,2
号
4
号
6
号
7
号
10
号
梁
爆
裂
号、8号梁只出现了几次
图2静力
试验
Fig.
2
Static
Loading
Test,
别 爆
裂
的爆裂声&
大 ,
;检测3也
了
5号板梁受火
部严重爆裂,2号、10号火灾向上延伸,最终发展至约板梁局部严重爆裂,而3号板梁无爆裂&
2.3测点布置时间的增长,腹板裂缝
2/3梁高处,梁
每
m
3。1
—
1
梁各布置3个测试截面,选取空心板复至常
裂缝完全闭合&火梁跨中
(1一1
2
—2,3
—3
"距跨中
左右两侧1.7灾
中的现象见图4&)布置热电偶温度测点&梁在火灾
1可知:在整个火灾
中的变形见表1。由表中
绞线和混凝土温度的热电偶布置及编号见图
中,热电偶G1〜G5紧贴钢绞线布置梁
F续下挠,火灾时间越长,下挠越显著,2
h内下
[
总体为24〜38
mm,2.
5
h下挠46
mm,4
h后梁体
以测量钢绞线温度;B1〜&5、&6〜&10在腹板两侧
土内竖向布置,与底板下表面距
别为2,4,下
61
mm,但是熄火
复常温后所有梁体6,8,10
cm;其余热电偶(D1
〜D3、N 1
〜N3、F1、F2)
下挠都逐渐恢复,且最终均反拱至
在火灾
,除4号梁距底板
,用于测量
度&
2
—2.3
—3外,反拱值均超过10
mm,最大为20
mm&试验梁
在与1一1
已预埋热电偶的同一根钢绞中先下挠、后恢复至反拱,这一现象在火灾后不会出现显著结
,
线上布置了备用热电偶G6〜G10.G11〜G15。3空心板梁火灾模拟试验试件状态了钢绞线的有效预
失(切&火灾
度梯度消失,预
3.
1火灾模拟试验中的试件状态梁受火
1复,下挠变形也随之了削减,同时复&试验梁底板在火灾中
9
梁的火灾
了混凝土爆裂具梁上趋于 丨&板混凝土存在不
复的短期受压高温徐变「门,有随机性外,其他火灾现象在各
梁体产生了反拱变形&(b)
2-2截面热电偶布置(c)
3-3截面热电偶布置图3测试截面布置
Fig.
3
Test
Cross-Section94桥梁建设
Bridge
Construction2021,
51(2)(a)钢绞线端部渗水
(b)混凝土爆裂露出骨料
(c)腹板竖裂缝渗水、上移图4火灾模拟试验中的现象Fig.
4
Phenomenon
in
Fire
Simulation
Test表1梁体在火灾模拟试验中的变形Tab.
1
Deformation
of
Beam
under
High
Temperature梁火灾
:号时间/h24.01.0会低估受拉区钢筋、钢绞线经历的最高火灾温度,导
危险的误判。火灾
见图5。梁体裸
的试件表观状早期断裂见342.51.51.056782.01.51.51.5910梁体变形/mm绞线度/°C范围平均值下
L反拱
累计反380〜5446
〜2458〜44665239046280〜76919(有干扰)3842039199
〜323252281442243
〜355293183654199
〜365
〜453381233550234〜3绞线静载
图6。3.
2火灾模拟试验后的试件状态火灾
现,未爆裂的
结
,观测各试件表观状态发土表层砂浆出现了局部
,而爆的部,占裂后的
土
出现了大
外露。所有外露骨料呈灰白色,砂
土黄色,混凝土表
色。受火
土表层质
且伴有
&部
梁底板
土因爆裂多处箍筋裸露,甚至局部露出钢绞线&
的爆裂深度为1〜2
cm,最深约3
cm;严重的爆裂深度
为2〜3
cm,最深超过5
cm。爆裂程度具有明显的
性,且
火时长
,削减了
,但爆裂
了混层厚度,使得混凝土
层瞬间
土内部温度显著提升,进
了内部钢绞线火灾温度。2号、4号、5号、7号、9号、10号梁均有混凝
土爆裂至露出箍筋,5号、7号、10号梁甚至有钢绞
线局部暴露在明火中烘烤&
高温烘烤后的钢绞(b)钢绞线表面碳化、密布环状裂纹图5火灾
试验后的试件表观状态Fig.
5
Visual
Appearance
of
Specimens
线和
表面存在碳化痕迹,表观发黑,表面密布环现象,但是该类裸
明火裂纹,未发现
烘烤后的钢绞线在静载
火灾梁的温度场时
时会提早断裂&
在爆裂的
,否则afterFireSimulationTest预应力混凝土空心板梁火灾损伤特性研究
罗文林,刘其伟,储智峰95度显著升高;3号梁火灾持续时间仅1
h,钢绞线整
度显著
号梁#
5号梁
火灾
时间短于2重爆裂导致部分钢绞线温度较高,特别点G13
绞线
绞线
绞线温度接近800
l。优质碳素
拉加工而成500
l
的,而高温作用使得原有的冷拉硬化效果弱化,导
火灾高
学性能迅速
⑷#
火灾后评定结构承载
的
1准确评估钢绞线在火灾中
的最高温度。2号'号'号梁混凝土热电偶经过埋设施工后,其
距
图6
裸露钢绞线静载试验早期
!Fig.
6
Early
Fracture
of
Exposed
Steel
Strands
火面的实际 土
层厚度与预设值有,因此火灾中
的最高温度也存在差异,但总体规律一致,2号、3号、5号梁1一1截面腹板度见图10。由图10可知:底板区域
土
inStaticLoadingTest存在明显的
度梯度,而且高
域主集中在受火面10
cm
4火灾模拟试验梁体内部温度内。
采集到的热10
cm后,混凝土电偶数据可知:距离受火
限于篇幅,分析典型的2号、3号、5号梁火灾时
梁体内部温度,见图7〜9。由图7〜9可知:2号梁
爆裂程度不及5号梁#
G8和G13(
绞线
内
部
度
不
300
l
。5预应力混凝土空心板梁静载试验结果火灾
时间长达4h,钢绞线整体最高温度为380〜544
l,个别测点
火
灾
的
预
土
板
梁土保护层爆裂导劳静载
结果见表2。时间/min(a)
1-1截面钢绞线温度(b)
2-2截面钢绞线温度(c)
3-3截面钢绞线温度图7
2号梁火灾模拟试验中钢绞线测试温度Fig.
7
Test
Temperature
of
Steel
Strands
in
Beam
No.
2 in
a
Fire
Event时间/min(a)
1-1截面钢绞线温度时间/min(b)
2-2截面钢绞线温度时间/min(c)
3-3截面钢绞线温度Fig.
8
图8
3号梁火灾模拟试验中钢绞线测试温度Test
Temperature
of
Steel
Strands in
Beam No.
3 in
a
Fire
Event96500桥梁建设
Bridge
Construction2021,
51(2)500—G11——G12—G13—G14——G6——G7—G8—G9—.......G100
20
40
60
80
100
120
140
1600
20
40
60
80
100
120
140
160时间/min(a)
1-1截面钢绞线温度(b)
2-2截面钢绞线温度时间/min(c)
3-3截面钢绞线温度图9
5号梁火灾模拟试验中钢绞线测试温度Fig.
9
Test
Temperature
of
Steel
Strands
in
Beam
No.
5 in
a
Fire
Event(a)
2号梁1-1截面腹板竖列温度(b)
3号梁1-1截面腹板竖列温度
(c)
5号梁1-1截面腹板竖列温度图10
2号、3号、5号梁1
—
1截面腹板竖列温度Fig.
10
Vertical
Column
Temperature
of
Cross-Section
1-1
in
Beams
No.
2,
No.
3
and
No.
5表2试验梁火灾后的静载试验结果Tab.2
ResultsofStaticLoadingTestafteraFireEvent梁号23火灾时间/h4.
01.
04562.
51.
51.
072.
01.
51.
51.
58910火灾中
绞线
的整体最高温度/C380〜544179
〜245338〜446280〜769199
〜323243
〜355199
〜305265
〜453234〜306混凝土爆裂后露筋数量/根预
绞线箍筋5—7静力加载早期预应力
绞
线
裂
量/———4载
折减程度0. 830.
970.
950.
700.
970.
940.
980.
810.
91———2—1————421——1—111注:火灾中钢绞线经历的整体最高温度为每片板梁内预埋的热电偶实测统计值;预应力筋断裂定义为火灾梁在进行静力加载的早期阶段,荷载远未达到破坏荷载前,受明火烘烤的钢绞线提早断裂&由表2及火灾模拟试验结果可知:(1)在静力加载试验早期阶段,5号、9号、10
火灾后评定结构承载能力时应重点关注存在裸露钢
号梁均发生了钢绞线断裂的现象&
10号梁断裂的
钢绞线因混凝土爆裂而裸露于明火中,最高温度已
绞线的构件&2
)
火
灾 预 土
板梁的
载取决于火灾中钢绞线经历的最高温度&
3号、6号、8
号梁火灾后钢绞线基本无外露,混凝土局部爆裂部
位无钢绞线,钢绞线整体温度为179〜323
C。该类
接近1
000
C
;5号梁断裂的钢绞线因混凝土爆裂后
保护层不足1
cm,其钢绞线测试温度已超700
C
&
经历高温后的钢绞线在恢复至常温后,虽然预应力
损失可忽略,但是其极限强度会显著下降,在后续荷
载作用下,钢绞线因应力超出其火灾后的极限强度
板梁的剩余抗弯承载能力仍然有原来的97]〜
98%
;10号梁火灾时间为1.
5
h,钢绞线整体温度虽
不
高
,
有
1
绞
线外
,
载
绞
线而过早断裂,最终影响火灾后梁体剩余承载能力&
丝1次;而4号、7号梁虽无钢绞线外露,但是因混 预应力混凝土空心板梁火灾损伤特性研究
罗文林,刘其伟,储智峰97凝土爆裂至箍筋外露,保护层厚度有所减薄,火灾时
间相对较长,钢绞线整体温度为234〜466
C,所以
适当增加钢绞线和钢筋的保护层厚度,同时在保护
层内设置钢筋网片,或者在混凝土内添加细长型的
4号、7号、10号虽然火灾时间不同,但是其剩余抗
弯承载能力仍然比较接近;2号、9号梁剩余抗弯承
聚丙烯纤维(高温融化后形成蒸气压力排放通道)等
材料,以尽可能地降低火灾中混凝土爆裂概率,减缓
火灾高温对钢绞线和钢筋的损伤&载能力分别为原来的81%、83%,2号梁火灾时间为
4
h,因火灾时间较长,除了爆裂影响外,混凝土保护
层在高温烘烤下会逐渐脱落,导致钢绞线整体温度
较高;9号梁火灾时间只有1.
5
h,但是局部爆裂严
重,导致钢绞线高温受损,在加载过程中钢绞线断
参考文献(References):[1]南建林,过镇海,时旭东.混凝土的温度一应力耦合本
丝,其剩余抗弯承载能力明显削弱5号梁火灾时间
为1.
5
h,相对其他同样火灾为1.
5
h的梁,其剩余
抗弯承载能力仅为原来的70%,主要是因为在火灾
模拟试验过程中该梁爆裂最严重,有1处钢绞线直
接暴露于火焰中,另外有2处爆裂后钢绞线保护层
明显偏薄,多根钢绞线过火温度偏高,钢绞线强度指
标显著衰减,导致加载过程中钢绞线有4次断丝,其
承载能力严重下降&由上述分析可知:空心板梁火灾后剩余抗弯承
载能力跟火灾持续时间有一定的关联性,但是火灾
时间并非决定性因素,关键取决于钢绞线遭受的最
高温度,应重点检查钢绞线的裸露情况、剩余保护层
厚度以及判断钢绞线保护层是否存在爆裂&6结论与建议(1)
火灾初期梁体受火面混凝土会随机性爆
裂,爆裂导致混凝土保护层瞬间脱落,使得混凝土内
部温度显著提升,随着火灾时间增长,梁体逐渐下
挠,梁体腹板中部因受温度梯度作用出现竖向裂缝,
内部温度也逐渐升高,但高温影响区主要集中在距
受火面10
cm以内,超过10
cm后混凝土内部温度
不到300
C
&(2)
火灾中钢绞线所遭受的最高温度是评定火
灾后预应力混凝土梁承载能力的关键指标,火灾后
应着重检查钢绞线的裸露特征、剩余保护层厚度以
及判断钢绞线保护层是否存在爆裂。若钢绞线过火
温度超过500
C,或者裸露经受高温炙烤时,恢复至
常温后该类钢绞线在后续荷载作用下易过早断裂,
火灾后不宜考虑其对承载能力的贡献&(3)
试验表明火灾中预应力混凝土梁体下挠,
但是火灾后因预应力逐渐恢复、梁体断面削弱、混凝
土高温徐变影响,梁体会反拱。实际桥梁如果火灾
后严重下挠,则表明梁体承载能力损失严重,火灾后
须及时采取安全措施。(4)
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全鉴定(],桥梁建设,2019,49(S1):62—67,(CAI
Zheng-dong#YE
Min5Inspection#Evaluation
andSafetyIdentificationforaSteelBridgeExperienced
a
Fire Disaster[J]5
Bridge
Construction#
2019#49
(S1
):
62—675inChinese)(]鞠晓臣,刘晓光,赵欣欣,等,基于大涡模拟法的铁路
桥梁火灾场景研究[J],桥梁建设,2019,49
(
6): 98桥梁建设
Bridge
Construction2021,
51(2)78—83.(JU
Xiao-chen,
LIU
Xiao-guang,
ZHAO
Xin-xin,
etal
.
Study
of
Fire
Disaster
Scenarios
for
RailwayBridgeBased
on
Large
Eddy
Simulation
Method[J).
Bridge
Construction,
2019,
49 (6):
78
—
83.
in
Chinese)()鞠晓臣,赵欣欣,刘晓光,等.火灾作用下剪力钉抗拔
性能研究().桥梁建设,2018,48(2):55
—
60.(JU
Xiao-chen,
ZHAO
Xin-xin,
LIU
Xiao-guang,
etal .Study
of
Pulout
Performance
of
Shear
Stud
under
Fire
[J).
Bridge
Construction,
2018,
48
(2):
55—605inChinese)()刘芸欣.基于各国家地区桥梁规范的箱梁梯度温度效
应模拟方法().世界桥梁,2018,46(3):68 —
72.(LIU
Yun-xin5Simulation
Methods
of
Box
Girder
GradientTemperatureEfectBasedonBridgeCodesin
Different
Countries
and
Regions]').
World
Bridges,
2018,
46(3):
68 —
72.
in
Chinese)()薛俊青,陈宝春,林健辉.空心板延伸桥面板桥温度胀
缩变形研究().桥梁建设,2018,48(2):37
—
42.(XUE
Jun-qing,
CHEN
Bao-chun,
LIN
of
Temperature
Expansion
and
Contraction
Deformation
of
Bridges
with
Their
Deck
Slabs
Extended
by
Hollow
Slabs
[J).
Bridge
Construction,
2018,
48(2):
37
—
42.
in
Chinese)[10)薛俊青,林健辉,Bruno
Briseghella,等.箱内边界模
拟方法对箱梁截面温度场的
研究().桥梁建设,2019,49(4):52
—
57.(XUE
Jun-qing,
LIN
Jian-hui,
Bruno
Briseghella,
etal
5ResearchonInfluenceofSimulation
Methodof
Inner
Boundary
Condition
on
Temperature
Distri-
butionson
Cross-Sections
of
Concrete
Box
Girders
[J)
5Bridge
Construction#2019#49
(4
):
52—575in
Chinese)罗文1980—,男,高级工程师2004年毕业于华中科技大学土木
工程专业,工学学士,2007年毕业
于东南大学桥梁
道工程专业,
工学硕士
&研究方向:桥梁
、评估
治LUO
Wen-linE-mail:
30768334@qq.
com刘其1961—,男,教授1983
年
毕
业
于
大
学
桥
梁
工专 业
#工
学
学 士
1997
年
毕
业
于 东
南
大
学
桥
梁
道
工
专
业
#工
学硕士
2008
年
毕 业
于
大
学
桥
梁道工程专业,工学博士
&研究LIU
Qi-wei方向:桥梁结构设计
,桥梁检、分析、评估和
改E-mail:
liuqiwei@
seu. edu. cn储智峰1983—
#
#工2006年毕业于东南大学交通规划
专 业
#工
学
学 士
#2009
年
毕
业
于 东
南
大
学
桥
梁
道
工
专
业
#工
学
硕士
&研究方向:桥梁
I与加固E-mail:
179491674@qq. comCHU
Zhi-feng(编辑:叶青)
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