兩長邊簡支和兩短邊固支鋼筋混凝土雙向矩形板的火災行為試驗

朱三凡， 董毓利， 段進濤

(華僑大學 土木工程學院， 福建 廈門 361021)

火災時，鋼筋混凝土板受到高溫的作用，其變形發展較快，而且撓度一般是板厚的數倍，此時混凝土板的受拉薄膜效應對結構抗火性能有著重要的影響.王濱等[1]對四邊固支、四邊簡支的足尺雙向板進行了結構抗火試驗研究；文獻[2-7]分別對兩鄰邊固支，兩鄰邊簡支，三邊簡支、一邊固支，三邊固支、一邊簡支，以及兩短邊簡支、兩長邊簡支的足尺雙向板進行了結構抗火試驗研究，其中三邊簡支、一邊固支雙向板，三邊固支、一邊簡支，以及兩短邊簡支、兩長邊簡支試驗與本文中試驗為相同支承軸線尺寸；朱崇績等[8]對柱支承的足尺無梁樓蓋雙向板進行了結構抗火試驗.這些試驗發現不同支承條件對混凝土的破壞形式、受拉薄膜效應及承載力等有顯著影響.

鑒于此，本文通過對兩長邊簡支、兩短邊固支的足尺雙向板火災試驗，分析受火過程中雙向板板內混凝土溫度場分布規律、上下層鋼筋溫度變化情況、板平面內豎向變形情況、板平面外水平位移情況、板邊繞支承軸線轉角情況、板頂面裂縫開展與分布情況.

1 試驗概況

1.1 試件設計

根據國家標準《混凝土結構設計規范:GB 50010-2010》要求[9]，設計了兩塊混凝土雙向板(ES4-1和ES4-2，混凝土強度為C30).試件尺寸為8 200 mm×6 050 mm×120 mm，配筋情況如圖1所示.

(a) 配筋圖 (b) 鋼筋配置實景圖1 兩長邊簡支和兩短邊固支混凝土板配筋(單位：mm)Fig.1 Reinforcement of concrete slabs simply supported on two long sides and fixed on two short sides (unit: mm)

1.2 火災試驗爐

圖2為火災試驗爐示意圖.試驗爐周邊支承軸線尺寸為7.15 m×5.65 m，燃燒空間尺寸長為6.55 m、寬為5.05 m、高為1.5 m，可完成不同約束雙向板的火災試驗.試驗中不用配套反力架，由荷載塊施加均布荷載.試驗爐周邊設有每延米500 kN的反力槽，利用拉桿和地槽可實現嵌固端約束.

(a) 全景圖 (b) 俯視圖圖2 火災試驗爐照片Fig.2 Fire test furnace photo

1.3 加載方案

按照《混凝土結構試驗方法標準:GB/T 50152-2012》[10]進行支座設置及嵌固端裝置設計，如圖3所示.試驗時，根據《建筑結構荷載規范:GB 50009-2012》[11]的辦公荷載，用標準荷載塊施加2.0 kPa的均布活荷載；然后，根據《混凝土結構試驗方法標準:GB/T 50152-2012》逐級施加荷載完畢，持荷30 min后開始進行火災試驗，試驗曲線按國際標準ISO-834規定進行，升溫過程由系統自動控制.

(a) 板面處 (b) 反力槽

(c) 嵌固端裝置 (d) 加載塊布置圖3 嵌固端裝置圖及加載塊布置圖Fig.3 Fixed side setup and loading block layout

1.4 溫度測量

溫度采集采用安捷倫數據采集儀，熱電偶采用K型熱電偶.在混凝土板軸線范圍內布置有9個溫度測點，每測點處沿板截面厚度方向預埋7個熱電偶；上下層鋼筋各1個，共2個熱電偶.板內熱電偶布置，如圖4所示.

(a) 平面布置 (b) 沿板厚布置圖4 板內熱電偶布置圖(單位：mm)Fig.4 Layout of thermocouple in slab (unit: mm)

1.5 位移測量

混凝土板平面內(外)位移由差動式位移傳感器和配套的DH3816N進行采集，每塊板共布設17個平面外豎向位移測點、4個平面內水平位移測點，如圖5所示.

(a) 布置圖 (b)實景圖圖5 位移測點布置圖(單位：mm)Fig.5 Displacement measuring points layout (unit: mm)

1.6 轉角測量

轉角測試采用高精度電子傾角儀，共4個測點(R1～R4)，布置在各混凝土板支承軸線位置中點處，如圖6所示.

(a) 布置圖 (b) 實景圖圖6 轉角測點布置圖(單位：mm)Fig.6 Angle measuring points (unit： mm)

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象

受火后，ES4-1板和ES4-2板的板面裂縫情況，分別如圖7，8所示.

(a) 板面裂縫實景 (b) 板面裂縫分布圖(單位：mm)圖7 受火后ES4-1板的板面裂縫變化情況Fig.7 Surface cracks of ES4-1 slab after fire

(a) 板面裂縫實景 (b) 板面裂縫分布圖(單位：mm)圖8 受火后ES4-2板的板面裂縫變化情況Fig.8 Surface cracks of ES4-2 slab after fire

從圖7可知：受火7 min時，在ES4-1板的板角C出現第1條斜裂縫(圖7中①，最大縫寬0.31 mm)；受火8 min時，板角A處出現1條斜裂縫(圖7中②，最大縫寬0.24 mm)；受火9 min時，試驗板開始出現持續的爆裂聲；受火10 min時，板角B處出現3條斜裂縫(圖7中③，④，⑤，最大縫寬依次為0.23，0.28，0.20 mm)，裂縫處開始向外冒水蒸汽；受火11 min時，板角D處出現2條斜裂縫(圖7中⑥，⑦，最大縫寬依次為0.24，0.20 mm)，板角斜裂縫逐漸延伸與固支邊軸線處裂縫貫通；受火15 min時，裂縫(圖7中③，④，⑤，⑦)開始向外滲水，同時伴有水蒸氣；隨著板溫度升高，已有裂縫寬度逐漸增大、發展并出現一些新裂縫；受火22 min時，在試驗板板中出現大范圍出水，板中部范圍出現明顯下撓，水向板中心聚集，此時不斷出現爆裂聲；受火27 min時，試驗板板中出水范圍進一步擴大，有少量大團氣冒出；受火30 min時，試驗板四角出現翹曲，板各側面均出現板底向上開展的豎向裂縫、但均尚未開展至板面；受火35 min時，試驗板板中水汽逐漸增多，板側裂縫沿厚度均已貫通；受火120 min時，試驗板四周水分蒸干，僅有中心處有積水；當受火210 min時?；?，板中心仍有積水未被蒸干；此時兩固支邊軸線處E點裂縫寬度為3.4 mm、F點裂縫寬度為4.1 mm.?；? h后，板中心積水已蒸干，板面有水漬；與受火時相比，此時板頂面裂縫寬度、板中豎向位移均變小.從圖7可知：在試驗板徹底冷卻后，板面裂縫整體主要形成橢圓型，板中區域沿長跨、短跨方向均存在多條較大裂縫.

從圖8可知：受火6 min時，在ES4-2板板角A出現第1條斜裂縫(圖8中①，最大縫寬0.12 mm)；受火7 min時，試驗板開始出現小的爆裂聲，且密集出現；受火8 min時，板角C出現3條斜裂縫(圖8中②，③，④，最大縫寬依次為0.31，0.09，0.27 mm)、板角B出現2條斜裂縫(圖8中⑤，⑥，最大縫寬依次為0.40，0.20 mm)；受火10 min時，板角D出現兩條斜裂縫(圖8中⑦，⑧，最大縫寬依次為0.27，0.29 mm)，板角斜裂縫逐漸延伸與固支邊軸線處裂縫貫通；受火12 min時，在試驗板板中裂縫處開始向外冒水；受火18 min時，試驗板板面出水量增大，并伴有氣泡；受火23 min時，板中部范圍出現明顯下撓，板面裂縫處出現較多水蒸氣，板裂縫處出水向板中心聚集、匯集成片；受火28 min時，試驗板中部出現較多積水，試驗板爆裂聲不如之前密集、但聲音較大，大部分長斜裂縫均已貫通至板邊；受火33 min時，試驗板各板角均出現翹起、且側面均出現豎向貫通裂縫；受火33 min時，出現一次較大的爆裂聲；受火38 min時，試驗板板角處水蒸氣明顯增加；受火120 min時，試驗板四周水分蒸干，僅有中心處有積水.當受火210 min時?；鸺巴；? h后，與ES4-1板的試驗現象基本一致.此時，兩固支邊軸線處E點裂縫寬度為4.4 mm、F點裂縫寬度為3.8 mm.從圖8可知：待板冷卻后，板面裂縫整體主要形成橢圓型，板中區域沿長跨、短跨方向均存在多條裂縫.

分析裂縫產生原因，可能是簡支邊在施加荷載及溫度荷載作用下向上翹曲，受到固支邊的約束作用后，在每個固支邊與簡支邊的交接處出現斜向開裂；兩固支邊的負彎矩較大，雙向板受火后，支承軸線位置板混凝土的上表面承受較大拉力導致開裂；在兩固支邊軸線處的混凝土出現開裂以后，板內力進行了重分布，其軸線內側位置負彎矩增大，并導致相應位置出現開裂.

同軸線尺寸的4種不同邊界條件雙向板受火宏觀現象及破壞特征對比[5-7]，如表1所示.表1中：l為長；b為寬；h為高.從表1可知：邊界條件是影響雙向板受火破壞特征的決定因素.溫度升高致使混凝土板混凝土膨脹，固支邊的約束作用較大，簡支邊并未存在約束，各種不同邊界雙向板板面所有裂縫均集中出現在固支邊側.

表1 實驗構件受火后宏觀現象及破壞特征Tab.1 Macroscopic phenomena and failure characteristics of experimental components after fire

試驗結束且試件徹底冷卻后，將兩塊板吊起，板底裂縫及爆裂情況如圖9所示.由圖9可知：板底中心區域未見明顯裂縫，板底多處區域發生較嚴重爆裂，鋼筋已露出.此外，ES4-1板底的最大爆裂深度達到7 cm；而ES4-2板底的最大爆裂深度達到6 cm.

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖9 雙向板板底爆裂實景圖Fig.9 Picture of bottom burst of two-way slab

2.2 爐溫

ES4-1板和ES4-2板在試驗時的平均爐溫曲線，如圖10所示.圖10中：θF為爐溫；t為時間.由圖10可知：在受火初期，爐內平均溫度快速上升，約10 min時平均爐溫達到630 ℃(586 ℃，括號中為ES4-2板，下同)；隨后，由于爐內空間較大和部分燃燒器工作異常，爐溫上升速率減緩，到20 min時平均爐溫達到767 ℃(647 ℃)；在經歷了190 min的升溫階段后，最終平均爐溫達到1 133 ℃(1 058 ℃).說明，前20 min平均爐溫與ISO-834標準升溫曲線大體一致；在20 min至?；饡r間段平均爐溫低于ISO-834標準升溫曲線，最大偏差為174 ℃；?；鸷? min內，爐溫快速下降311 ℃(320 ℃)；?；鸷? min后，爐內溫度下降趨于平緩；停止采集時爐溫為146 ℃(390 min)，192 ℃(320 min).

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖10 雙向板的平均爐溫曲線Fig.10 Average furnace temperature curve of two-way slab

ES4-1板和ES4-2板沿厚度方向的溫度-時間曲線，如圖11，12所示.圖11，12中：θF為爐溫；t為時間；CT*-1～CT*-7表示溫度測點沿厚度方向由板底到板面順序.由圖11，12可知：混凝土內部溫度達到100 ℃時，除板底面溫度外，依次出現不同平緩階段，持續時間依次增加；在?；鸾禍仉A段，靠近板底位置溫度下降較快，豎向截面其他位置溫度均有不盡相同提升后，逐漸開始降溫；此規律與同軸線尺寸另外3種不同邊界條件雙向板一致[5-7].

(a) 1#測點 (b) 8#測點圖11 ES4-1板內不同測點的厚度-溫度-時間曲線Fig.11 Thickness-temperature-time curve of different measuring points in ES4-1 slab

(a) 2#測點 (b) 8#測點圖12 ES4-2板內不同測點的厚度-溫度-時間曲線Fig.12 Thickness-temperature-time curve of different measuring points in ES4-2 slab

2.3 板內溫度測點

沿混凝土板厚度方向各測點溫度-時間曲線，如圖13，14所示.圖13，14中：θF為爐溫；t為時間；b為混凝土板厚度.由圖13可知：溫度梯度隨著時間增長不斷加大，曲線整體呈現凹狀，沿板厚方向升溫速率逐漸降低，呈非線性變化.在30，90，150，210 min時，ES4-1板頂溫度分別為33.3，85.8，90.9，93.7 ℃，板底溫度分別為246.8，594.3，794.2，921.2 ℃，溫差分別達到213.5，508.5，703.3，827.5 ℃；ES4-2板頂溫度分別為34.9，84.3，94.6，96.7 ℃，板底溫度分別為171.5，457.5，654.7，806.1 ℃，溫差則分別達到136.6，373.2，560.1，709.4 ℃.溫度梯度伴著試驗實際火災時間增長不斷加大，如此大的溫差在板混凝土截面高度內必然產生很大的溫度應力[1，12].

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖13 雙向板板內5#測點的溫度-厚度-時間曲線(升溫階段)Fig.13 Temperature-thickness-time curve of 5# measuring point in two-way slab (heating stage)

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖14 雙向板板內5#測點的溫度-厚度-時間曲線(降溫階段)Fig.14 Temperature-thickness-time curve of 5# measuring point in two-way slab (cooling stage)

由圖14可知：降溫段曲線有部分呈現凸狀.這是因為板面、板中、板底這三部分因熱工性能不同導致溫度下降的速率不同，從而出現板中部溫度高于板底和板面的現象.

2.4 鋼筋溫度測點

ES4-1板和ES4-2板中6#測點的鋼筋溫度-時間曲線，如圖15所示.圖15中：θR為鋼筋溫度；t為時間.由圖15可知：隨著受火時間增加，板中下層鋼筋(ST6-1)溫度持續上升，但增長速率逐步下降；板中上層鋼筋(ST6-2)溫度達到100 ℃后，出現一個水平段.這是因為溫度上升導致板內水分向溫度較低的板上半部分遷移，上部水分增多；在上部鋼筋周邊水分遷移并蒸干后，上層鋼筋溫度增長迅速.在?；饡r，ES4-1板和ES4-2板在6#測點的鋼筋溫度分別達到419.9，763.5 ℃，上下層鋼筋的溫差分別達到230.4，374.5 ℃.待?；鸷?，下層鋼筋溫度快速下降，而上層鋼筋出現溫度滯后現象，繼續上升一段時間后緩慢下降.

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖15 雙向板板中6#測點的鋼筋溫度-時間曲線Fig.15 Rebar temperature-time curve at measuring point 6# in two-way slab

ES4-1板和ES4-2板中6#測點的鋼筋溫度-爐溫曲線，如圖16所示.圖16中：θR為鋼筋溫度；θF為爐溫.由圖16可知：爐溫以600和1 100 ℃為兩分界線，爐溫在600 ℃時，下層鋼筋溫度提高速度急劇提高，上層增長相對緩慢；爐溫在1 100 ℃以上時，上下兩層鋼筋溫度上升速率基本相同；爐溫在1 100 ℃以上時，上層鋼筋便不會受到板內部水分影響；此現象與文獻[5-7]中所述相同.

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖16 雙向板6#測點的鋼筋溫度-爐溫曲線Fig.16 Rebar temperature-furnace temperature curve at measuring point 6# in two-way slab

2.5 豎向位移

ES4-1板和ES4-2板中、板角、板邊部分測點豎向位移曲線(根據結構對稱性選取部分測點進行展示)，如圖17～19所示.圖17～19中：Δ為平面外位移；t為時間.

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖17 雙向板板中測點豎向位移曲線Fig.17 Vertical displacement curve of measuring point on corner of two-way slab

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖18 雙向板板角測點豎向位移曲線Fig.18 Vertical displacement curve of angle measuring point of two-way slab

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖19 雙向板板邊測點豎向位移曲線Fig.19 Vertical displacement curve of measuring point on side of two-way slab

由圖17可知：板中下凹、整體呈盆狀，板中豎向位移最大；在升溫階段0～10 min，此階段板中豎向位移為線性發展，位移增長較快(ES4-1板與ES4-2板位移速率分別為5.8，3.5 mm·min-1)；在10 min時板中最大位移，ES4-1板與ES4-2板分別達到58.6，35.4 mm，相應平均爐溫為606，586 ℃；在升溫階段10～60 min，位移仍呈線性發展，但增長速率略為降低(ES4-1板與ES4-2板位移速率分別為分別為2.3，2.1 mm·min-1)；在60 min時，ES4-1板與ES4-2板的板中最大位移分別達到175.7，140.0 mm，增長速率趨于穩定；在升溫階段60～210 min，試驗板受拉薄膜效應顯現，盡管位移繼續增加，但位移增長速率進一步放緩(均為0.6 mm·min-1)；在210 min時，ES4-1板和ES4-2板跨中最大位移分別達到265.4，230.9 mm；?；鸷?，ES4-1板和ES4-2板位移達到最大值分別為268.3，232.9 mm.

由圖17還可知：在降溫階段，位移出現反彈趨勢，ES4-1板和ES4-2板的板中殘余豎向位移185，191 mm，位移恢復率為31%，18%.板中豎向位移規律與文獻[5-7]基本一致.

不同邊界雙向板受火后豎向位移情況對比，如表2所示.從表2可知：一長邊固支、三邊簡支雙向板在前10 min豎向位移增長最快，10 min以后，各邊界條件下雙向板豎向位移增長情況無明顯規律.

表2 不同邊界雙向板受火后豎向位移情況對比Tab.2 Comparison of vertical displacement of two-way slab with different boundaries after being fire ( mm·min-1)

由圖18～19可知：板邊在受火的前50 min為豎直向下位移，在50 min直至試驗結束板邊均為向上位移.這是因為試件受火初期，板中部受熱膨脹，故板邊向下位移；但隨著板中豎向位移的增加，板邊均為向上位移；試件受火后，板中部向下凹陷，板角翹曲明顯.待?；饡r，ES4-1板和ES4-2板在V10(短固支邊跨中)分別達到21.25，23.56 mm；在V16(長簡支邊跨中)達到-0.95，1.47 mm.

ES4-1板和ES4-2板板中位移-爐溫變化曲線，如圖20所示.圖20中：Δ為平面外位移；θF為爐溫.

由圖20可知：在平均爐溫達到650 ℃前，板中豎向位移增長速率較低；當平均爐溫超過650 ℃后，豎向位移增長速率顯著增大.在?；鸷?，板中豎向位移與爐溫快速下降的變化趨勢不一致，出現了較長的水平段.這與混凝土的熱惰性材料屬性有關，爐溫快速下降，但板內溫度下降緩慢，遠離受火面處的溫度反而有所上升(圖11～12).這導致了板中爐溫-豎向位移曲線出現水平段[13]；待爐溫低于650 ℃后，位移上升回彈速率加快；此現象與文獻[5-7]中所述基本相同.

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖20 雙向板各測點豎向位移-爐溫曲線Fig.20 Vertical displacement-furnace temperature curve of each measuring point of two-way slab

ES4-1板和ES4-2板各測點豎向位移最大值及殘余變形值，分別如表3所示.表3中：變形恢復=最大位移-殘余變形.從表3可知：ES4-1板與ES4-2板在最大位移V5處分別回彈31.03%，17.99%.

續表Continue table (mm)

2.6 水平位移

本試驗固端裝置僅約束板的豎向變形與轉動，未完全約束板在水平方向上的變形，在試驗中固支端會存在一定水平位移.ES4-1板和ES4-2板水平位移-時間曲線，如圖21所示.圖21中：Δ為平面外位移；t為時間；H1，H2為短固支邊測點；H3，H4為長簡支邊測點，板向板中區域偏移為正.由圖可知：升溫段，混凝土板邊呈現向外膨脹趨勢，簡支邊膨脹速度較快，固支邊位移較簡支邊位移變化??；降溫后，各混凝土板邊均開始收縮.

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖21 雙向板的水平位移-時間曲線Fig.21 Horizontal displacement-time curves of two-way slab

2.7 板邊轉角

ES4-1板和ES4-2板的板邊轉角-時間曲線，如圖22所示.圖22中：ω為轉角；t為時間.ES4-1板和ES4-2板的板邊各轉角測點情況，如表4所示.表4中：ω為轉角；回彈轉角=最大轉角-殘余轉角；R1，R3為簡支邊測點；R2，R4為固支邊測點.

(a) ES4-1板 (b) ES4-2板圖22 雙向板板邊的轉角-時間曲線Fig.22 Side rotation-time curve of two-way slab

表4 雙向板板邊轉角測點情況表Tab.4 Measuring points for side corners of two-way slab

由圖22可知：固支邊轉角R2，R4隨著受火時間變化僅有輕微的變化.ES4-1板和ES4-2板最大分別為0.36°，-0.33°；簡支邊轉角R1，R3變化較明顯、且隨著受火時間持續變大，ES4-1板和ES4-2板最大分別為-8.07°，-7.70°；?；鸷?，簡支邊轉角有明顯回彈， ES4-1板中R1，R3的轉角回彈為-1.52°，-3.28°，ES4-2板中R1，R3的轉角回彈為-1.43°，-2.08°.

4 結論

1) 火災下，在溫度與恒荷載耦合作用的板面裂縫整體主要形成橢圓型，由固支邊中部區域橫向裂縫與固支邊角部密集的環形斜裂縫組成.板面整體沿塑性絞線凹陷，板底未受火區出現放射狀裂縫.

2) 板內存在明顯的溫度梯度，形成非線性溫度場；板內部測點在100 ℃左右均存在一個水平段.鋼筋與混凝土升溫趨勢一致，同等位置混凝土與鋼筋溫差不大.爐溫處于650～1 100 ℃，鋼筋溫度增長較為迅速；爐溫超過1 100 ℃，板內上層鋼筋受板內部水分影響較小.

3) 升溫過程中，板平面外位移整體呈現非線性趨勢，板中部位移較大，最大位移分別達到268.3，232.9 mm，靠近固支邊位移低于同等位置簡支邊位移；降溫過程中，板中位移回彈明顯，板中豎向位移與爐溫快速下降的變化趨勢不一致，出現較長的水平段.

4) 整個升溫過程中，混凝土板邊持續向外膨脹，簡支邊膨脹速度較快，固支邊位移較簡支邊位移變化??；降溫后，各混凝土板邊均開始收縮.

5) 固支邊轉角隨著受火時間增加有緩慢變化，但整體變化較??；簡支邊轉角隨著受火時間增加不斷增大，整體變化較大.