火灾中混凝土框架节点爆裂规律试验研究
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摘要：对混凝土框架节点在恒定加载和ISO834标准升温曲线耦合作用下混凝土框架节点的抗火性能进行研究，基于实验结果，分析试验节点的爆裂规律。
关键词：钢筋混凝土 框架节点 爆裂规律
Abstract: The fire behavior of concrete frame joint in fire and ISO834 was studied. Based on the results, the spolling regularity was discussed.
Key Words: reinforced concrete frame joint; spalling
中图分类号：TU37
文献标识码：A 文章编号：
为了更好研究钢筋混凝土框架节点火灾作用下结构损伤程度，本文进行了足尺钢筋混凝土框架节点梁柱组合件在恒定荷载和ISO834标准升温曲线耦合作用下的耐火性能试验，基于试验结果，分析总结了试验节点的爆裂规律，其相关结论有助于进一步研究梁柱节点组合件乃至钢筋混凝土框架结构的火灾行为和耐火性能。
1 框架节点耐火试验
为了能够模拟实际框架结构梁柱节点的受力情况，试验取框架上下柱反弯点、左右梁反弯点之间的十字形部分作为试验单元。试验节点选用C30混凝土， HRB335钢筋。
图1 节点设计及配筋图
表1试件的详细尺寸表（mm）
试验在山东建筑大学的省级重点结构工程实验室的抗火试验专区进行。该实验室拥有目前国内先进的大型竖直试验炉，可进行柱、梁柱节点等构件的足尺火灾试验，如图2所示。该试验炉内部净长2.90m，净宽2.20m，净高3.25m。节点试件安装在大型火灾竖直试验炉内，采用四面受火的升温方式。为了模拟实际结构中框架节点的受力性能，试验对柱顶施加一恒定竖向压力，该压力按照柱轴压比0.3进行加载。节点的梁端也施加了竖向荷载，以模拟实际框架梁反弯点的受剪和梁端的受弯。
图2 加载装置
2 爆裂现象和规律
2.1 爆裂现象
试件是在升温5分钟后听见炉中试件混凝土开始发出“砰砰”的爆裂声响，试件保护层混凝土开始发生爆裂现象。在升温10分钟左右，试件梁外端伸出炉体部分开始向外渗水并冒出水蒸气，这时爆裂加剧，爆裂的声音很大；在升温25分钟左右爆裂基本停止。
试件爆裂的部位主要集中柱上，柱的角部纵筋全部露出，从距上梁顶处40cm开始到柱下端，箍筋全部露出，尤以核心区上下各40cm范围内明显，此范围内混凝土爆裂度很深。除柱角有一小部分及柱顶大约35cm保护层未脱落以外，柱其他部分保护层基本脱落，构件内部石子呈灰白色。梁端受火部分表皮全部脱落，露出石子和箍筋，东边核心区外在梁底出现四条宽度约为4mm、长度20cm的斜裂缝。总体而言，构件表面混凝土保护层脱落严重，截面角筋很多露出。
图3 混凝土核心区爆裂
2.2爆裂规律
研究表明[1]，高温条件下，混凝土内部至少存在3类裂缝：1、水化物分解诱使的收缩开裂；2、骨料和水泥浆体之间热力学性能不匹配诱使的开裂－径向裂缝、切向裂缝和骨料裂缝[2,3]；（3）温度梯度诱致的开裂－内部裂缝和表面裂缝。 开裂不仅降低了混凝土的强度，也提高了混凝土的渗透性，在混凝土高温劣化过程中起到了“双刃”作用。一方面，裂缝作为通道可以释放孔隙水（汽）压力。 在快速升温过程中，裂缝数量和孔隙（汽）压力均会出现增加趋势，当裂缝增加所提供的空间（渗透性提高）足以缓解孔隙水（汽）压力时，混凝土爆裂发生的可能性就会降低，反之爆裂发生的可能性则增加。另一方面，裂缝的累积和水化物分解不断降低混凝土的强度。 在缓慢的升温过程中，热应力变化缓慢，裂缝数量增长随之变慢，而此时孔隙水（汽）压力可能会因混凝土保持较低的渗透性而上升到一个高值。 所以，当孔隙水（汽）压力达到临界强度条件后，混凝土也会发生爆裂。据此可以推断，热开裂与孔隙水（汽）压力的相互作用是混凝土爆裂发生的根本原因。裂缝的形式和出现位置是诱发混凝土爆裂的主要因素。作为非均匀多相复合材料，混凝土材料力学和热力学属性的空间差异（非均匀性）导致了其开裂位置的随机性，正是这种随机分布导致了混凝土爆裂不确定性的发生。热开裂不仅能够解释孔隙水（汽）压力、升温速率和热应力导致混凝土爆裂发生的原因，还解释了混凝土爆裂发生的不确定性。 热开裂学说强调基质和骨料热变形不匹配以及温度梯度所诱发的裂缝对混凝土爆裂的影响。
3 结论
试验得出爆裂现象和规律如下：爆裂深度达保护层以下，纵向钢筋基本外露。裂缝开展趋势较为接近，离节点核心区一定距离存在弯曲裂缝和斜裂缝。磷酸镁混凝土爆裂发生的根本原因是热开裂与孔隙水（汽）压力的相互作用。
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[3] Fu Y F ,Wong YL , Tang C A ,etal . Thermal induced st ress and associated cracking in cement2based composite at elevated temperatures (Part I): Thermal cracking around single inclusion [J]. Cement & Concrete Composites ,2004 ,26 (2) :99 -111.