预制预应力混凝土空心板在火灾下的响应外文翻译资料

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预制预应力混凝土空心板在火灾下的响应

A.M. Shakya, V.K.R. Kodur 美国密歇根州立大学，土木与环境工程系摘 要

本文介绍了对预制预应力混凝土（简称PC）空心板在火灾下的性能进行的试验和数值模拟研究成果。试验中六块PC空心板在相同的温度和结构荷载条件下进行了试验，试验考虑了混凝土骨料类型、荷载大小、火灾条件和支撑端约束条件的变化。试验过程中空心板没有因火灾而引起混凝土脱落散裂，所有空心板背火面也没有因温度达到极限温度标准而失效破坏。火灾试验数据表明混凝土骨料类型、火灾条件、荷载大小和支撑端约束条件对PC空心板在火灾下的响应有重大影响。此外，火灾试验的数据表明，在标准火灾和设计的火灾条件下，典型的预制预应力混凝土空心板在正常使用荷载作用下，至少可维持负荷状态２ｈ。从火灾试验得来的数据是为了验证一个评估PC空心板火灾性能的数值模型。该数值模型预测的板的横截面温度和挠度与试验所测得的数据相吻合，表明了该数值模型能够有效追踪PC空心板在标准火灾和设计的火灾条件下的性能。

关键词：预制混凝土板 火灾响应 空心板 耐火试验 数值模型

1.绪论

近年来，由于预制预应力混凝土（PC）空心板在成本效益、建筑美学、快速施工、空间利用率和维护成本低等方面上相比较其他楼盖体系有显著优点，PC空心板越来越广泛的被运用到建筑中。结构防火安全是建筑物的主要考虑因素之一，因此，建筑规范对板的耐火性能有详细的说明。目前，混凝土板的耐火性能等级是由标准耐火试验和规定的规则来评判的，其中，耐火性能由板的厚度和钢筋保护层厚度决定。这些基于标准耐火试验的数据而规定的规则仅考虑了有限的参数，并没有考虑实际的耐火性能。

PC空心板一般由混凝土和预应力钢筋构成。这种板的抗弯承载力一般由预应力筋应力等级来控制。在火灾条件作用下，混凝土和预应力筋都会损失强度，导致承载力随火灾暴露时间而退化。当承载力下降的那一刻，由于外部荷载的加载，板发生破坏。空心板承载力在那一刻下降的速率是一个关于许多参数的函数，其参数包括预应力钢筋保护层厚度、孔尺寸、火灾强度、支撑端约束条件。这些关键的参数对空心板火灾下的响应的影响，在当前规范的规定里并没有完全考虑进去。事实上，在传统实践中，当预应力筋达到临界温度时，板就被认为丧失了强度。当板背火面超过临界温度标准值，或者火焰烧穿板时，板就发生了破坏。

在过去的四十年里，已经进行了一些对PC空心板耐火性能评估的试验研究。这个著名的PC空心板耐火试验是由Abrams, Borgogno, Andersen and Lauridsen , Schepperand Anderson, Acker , Lennon , Fellinger等人及Jensen , Breccolotti等人，Bailey and Lennon , 和 Aguado等人完成的。试验参数包括：板厚、钢筋保护层厚度、混凝土强度和负载水平。这些耐火试验主要注重于将板暴露在标准火灾条件及正常荷载水平下获取这些板的耐火极限，在大多数情况下，板背火面的温度或者预应力筋的临界温度被作为限制条件来评价板的失效破坏。很少有研究人员利用数据和观测的现象来研究火灾引起的PC空心板剥落和开裂程度。

大多数以前的试验仅仅在标准火灾情况下获取特殊结构的空心板的耐火极限，基于这些耐火试验，剥落、粘结滑移和剪切破坏被认为是可能导致预制预应力混凝土空心板失效的因素。然而，关键因素对耐火性能的影响并没有完全量化，空心板不同的失效模式的研究并不完善。此外，这些试验并没有考虑一些关键因素的影响，如火灾场景，负载类别和约束条件。因此，预制预应力空心板在真实火灾、荷载和约束条件下的性能并没有被很好的研究出来。

为了克服这些局限性，我们建立了一个基于有限元的数值模型以用于评价空心板的耐火性能。为了验证这个数值模型，我们对6块PC空心板进行了3组试验，这些空心板耐火性能的影响因素是不同的。在本文中，列出了这些火灾试验的数据，用来阐明空心板在不同火灾条件下的反应。此外，这些火灾试验的数据也被用于验证我们专门建立的数值模型，该模型用于跟踪空心板响应。

2.耐火试验

在不同的火灾场景、荷载水平和约束条件下，6块预应力空心板进行了试验，用来评估PC空心板的火灾反应。板具体的制备方法、测量工具、试验程序及耐火试验的过程，如下文所述。

2.1.试验样品的制备

耐火试验是在6块编号为1到6的PC空心板上进行的，所有6块板的尺寸是长4m宽1.2m厚200mm，并且都有6个孔和7根预应力筋。板内孔核心直径为150mm，核心底部有25mm厚的混凝土，预应力筋是直径12.7mm，低松弛度类型的预应力筋，抗拉强度为1860MPa，钢筋的保护层厚度为44mm。空心板的几何和材料特性如表1所示，实验室所用典型的空心板详细截面形状如图1所示。

表1试验板的几何和材料特性

图1 预应力混凝土空心板布局和横截面详图

每块空心板是按PCI手册规定制备的，并且符合商业生产规格，还用了2组不同材料的混凝土来制备这些板。第一组4块板（板1,3,5,6）是由碳酸盐骨料混凝土浇筑的，第二组是由硅酸盐骨料混凝土来浇筑剩下的2块板（板2,4），这两组不同成分的混凝土的配合比见表2。用这些于浇筑板的混凝土均达到了运输所需最低要求的抗压强度21MPa，并且都在10小时之内浇筑完，以便快速完成浇筑及方便拆模。在运输和拆模时，实测的混凝土抗压强度为35-37MPa。

所有的六块板是在当地的一家加工厂（Kerkstra预制板股份有限公司）用混凝土挤压工艺浇筑的。这种挤压工艺涉及到一种预先带孔的专业挤压模具，用于制备这些板的模具厚200mm，并带有6个直径150mm的孔，模具运行的时候要用到超过150m长的台座。台座上铺设了预应力筋，两端用钢夹锚固。张拉过程是用液压千斤顶将预应力筋张拉至预定好的应力（预应力筋张拉应力的70%）。台座表面润滑以便板从台座上拆模。混凝土料斗不断将混凝土拌合物输送到挤压设备，挤压设备把混凝土拌合料挤压至振动的模具里，然后板被挤压成型。模具的振动确保了板的连续和紧凑。六块4m长的板之后（10h后）用湿锯切割分块，这一切是在从浇筑台座上拆模分离之前做的。所有6块板先在工厂的院子里保存2个月，然后运往密歇根州立大学（MSU）土木结构实验室，在25℃，相对湿度40%条件下养护，直到进行火灾试验之前。图2展示了这些空心板的制备过程，从挤压工程直到火灾试验前的养护过程。

在养护阶段，定期测量混凝土的抗压强度和板的相对湿度。混凝土在28d，90d，火灾试验那天的抗压强度平均值和试验那天所测板的相对湿度见表1和表3.由表中数据可以看出，硅酸盐骨料的混凝土抗压强度略高于碳酸盐骨料混凝土，这是由于硅酸盐骨料对水泥浆和骨料之间有更好的粘结和联锁能力，因为硅酸盐骨料颗粒是棱角状的，而碳酸盐骨料颗粒通常是圆形的。

2.2.试验设备

PC空心板的实验设备有热电偶、线性可变位移传感器和力传感器。热电偶放置在板的不同位置，即预应力筋的位置，1/2板厚处，1/4板厚处，孔顶部，孔底部，和板背火面，这些热电偶在整个火灾试验过程中检测温度变化。安装在板顶面的线性可变位移传感器用来记录中跨在火灾试验过程中的挠度，力传感器用来检测火灾中受约束的板产生的轴向力的持续时间。热带偶和挠度计的位置如图1所示。由于制备过程的性质，仪器必须在板的挤压过程之后安装，其中热电偶通过钻孔放置在具体位置。特别要注意的是，热电偶应放在板内精确的深度和位置上。热电偶应在板浇筑后、混凝土硬化之前安装好，而线性可变位移传感器和力传感器只需在火灾试验前安装好。

2.3耐火试验炉

PC空心板的耐火试验是在MSU土木基础实验室的结构抗火试验炉中进行的，这个试验炉是为了模拟一块板在火灾事件中可能同时受到的的温度，结构荷载和约束条件。试验炉的细节和测试设置见图3。火灾试验炉由四根钢柱的钢框架支撑，带有一个长3.05m，宽2.44m，高1.78m的燃烧室。该试验炉配有6个燃气燃烧器，能产生的最大热量为2.5Mw，它们被战略性的放置在燃烧炉内4堵墙上，为了使加热炉内的热量统一增加。六个按照ASTM E119标准制作的K型镍铬–铝热电偶放置在炉内四面墙上，对火灾试验的炉内温度进行监测。燃气的输入和通风都是手动控制，为了保持炉内平均温度与规定的火灾曲线（标准或设计火灾条件）一致。所有热电偶、线性可变位移传感器和力传感器信道都连接到数据采集系统里，该系统可以实时显示和记录温度、应变和位移。在试验炉两面相对的墙上有2个视图端口，用来在火灾试验时观测试验炉内情况。

表2 混凝土配合比

图2 预应力空心板的制备和养护过程

表3 试验参数和结果摘要

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