Fe-SMA螺旋箍筋混凝土柱耐火及耐火后性能的实验研究

《Engineering Structures》：Experimental study on improving the fire and post-fire performance of the concrete columns with Fe-SMA spiral stirrups

　　【摘要】本文创新性地提出了一种利用铁基形状记忆合金（Fe-SMA）对螺旋配筋钢筋混凝土柱实现快速主动约束的新型方法。该方法在柱中段区域用Fe-SMA螺旋箍筋部分替代传统箍筋，借助Fe-SMA的形状记忆效应（SME）对核心混凝土施加主动环向约束，从而克服了普通钢质螺旋箍筋的应力滞后性和固有的热退化问题，并改善了结构性能。研究共设计了8根螺旋配筋钢筋混凝土圆形柱，在轴压比0.3的防火性能、轴压性能以及火灾后轴压性能（火灾暴露60 min和90 min后）三种条件下进行了试验，旨在考察Fe-SMA在火灾过程中、室温及火灾后三个阶段实现性能提升的可行性。试验结果表明，本文所用Fe-SMA具有更高的恢复应力平台，显示出在提升混凝土柱防火性能及火灾后力学性能方面具有巨大潜力。在轴压比0.3的条件下，Fe-SMA螺旋配筋柱的耐火性能较传统柱提高了39.84%，证明了其在火灾中有效的主动约束作用和火灾损伤抑制效果。轴压试验证实，Fe-SMA螺旋筋通过其超弹性（SE）增强了轴向承压能力，并通过其形状记忆效应（SME）改善了火灾后的承载能力和韧性。此外，本研究采用抗压韧性指数（T.I.）量化了Fe-SMA螺旋筋柱火灾后韧性的提升，并提出了一种火灾后环向约束应力的修正计算模型。本研究首次揭示了Fe-SMA螺旋箍筋对柱的主动环向约束机制，为设计高韧性耐火结构提供了依据。【引言】钢筋混凝土（RC）柱是现代建筑中广泛采用的关键竖向承重构件，其性能对结构的整体安全性和抗灾能力具有重大影响[1,2]。与传统箍筋相比，螺旋箍筋形式作为一种连续且均一的环向约束，能为核心混凝土提供更理想的环向约束效果，有效抑制混凝土的横向膨胀，从而使其处于高效的三轴受压状态[[3],[4],[5]]。然而，这种传统的被动约束机制存在固有的缺陷。首先，普通螺旋箍筋只有在混凝土受压发生显著横向膨胀后才被激活，导致明显的"应力滞后"效应。其次，在火灾条件下，普通箍筋的力学性能随温度升高而迅速退化，造成约束效应在最需要时反而减弱，甚至使箍筋停止发挥作用[6,7]。此外，在高温下，混凝土保护层可能发生剥落，使箍筋直接暴露于火场环境中，加剧结构失效。提高截面尺寸、提高配箍率或使用高强钢筋等传统加固措施虽在一定程度上缓解了这些问题，但并未改变被动约束的本质。为克服传统被动约束的局限性，全球众多研究者已探索了主动约束技术，如预应力钢丝[8,9]、预应力FRP/GFRP筋[[10],[11],[12]]以及自应力膨胀混凝土[13]。Saatcioglu等[14]利用特殊锚具锚固的钢丝对预应力钢筋混凝土柱进行了试验研究，结果表明预应力的存在可显著抑制斜裂缝的发展，并有效提升试件的抗剪性能。然而，复杂的施工工艺限制了其在工程实践中的推广应用。Kang等[15]和Hui等[16]均对钢管混凝土GFRP管柱的轴压行为进行了深入试验分析，发现随着GFRP管直径的增大，试件的承载力和刚度逐渐提高，同时具备一定的延性。然而，关于GFRP管约束混凝土柱在高温及高温暴露后性能的研究仍相对匮乏。上述方法通过对核心混凝土施加初始横向压应力，有效抑制了裂缝发展，显著提高了柱的承载能力和变形能力。不过，传统的主动加固技术通常依赖复杂的机械张拉设备，施工难度和成本较高，因而限制了其在新结构尤其是竖向构件中的大规模应用。因此，开发一种能够在高温下提供高效主动约束并对极端工况（如火灾）下性能进行"自适应性"增强的新型增强材料，已成为结构工程领域亟待解决的关键问题。除常规主动约束方法外，铁基形状记忆合金（Fe-SMA）凭借其独特的热驱动形状记忆效应（SME）[[17],[18],[19],[20],[21],[22]]，为上述难题提供了创新的解决方案。Fe-SMA已逐渐应用于受损结构构件的修复[[23],[24],[25]]、SMA预应力钢丝[26,27]以及基础设施的智能运维[22]。Fe-SMA可在室温下预拉伸，并像普通钢筋一样进行加工。当加热至特定温度（或暴露于火场环境）时，材料内部发生逆马氏体相变，产生巨大的恢复应力[[28],[29],[30],[31]]。当Fe-SMA以螺旋箍筋、螺旋筋或外部包裹的形式置于混凝土柱中时，该恢复应力会转化为对核心混凝土的强主动约束，实现主动预应力[[32],[33],[34]]。然而，现有研究主要集中在室温下Fe-SMA螺旋配筋混凝土柱的力学行为[[35],[36],[37],[38],[39]]以及火灾后梁的耐火性能[40]。关于Fe-SMA螺旋配筋混凝土柱的耐火性能及火灾后轴压性能的研究仍较为缺乏，表明该领域具有很高的研究价值。本文提出了一种基于Fe-SMA螺旋箍筋主动约束提升混凝土柱耐火性能及火灾后轴压性能的方法。研究设计了8根钢筋混凝土圆形柱，从耐火性、轴压性能及火灾后轴压性能三个方面考察了部分替换普通箍筋为Fe-SMA螺旋箍筋对力学性能的影响。本研究重点关注揭示Fe-SMA螺旋箍筋对柱的主动约束机制。在火灾暴露时，Fe-SMA螺旋箍筋吸收热量并储存能量，在其他材料发生性能退化的同时产生主动约束力。火灾暴露后，Fe-SMA螺旋箍筋如同"呼气"般收缩，在柱承受火灾后轴向荷载时提供额外的主动约束。火灾暴露本身即为激活源，无需任何预激活步骤。本研究旨在为Fe-SMA钢筋在柱结构耐火领域的应用提供坚实的实验证据和理论支持，从而实现Fe-SMA的高价值利用。【章节摘录】【普通混凝土与钢筋】本研究所用混凝土为商品C30混凝土，配合比（水泥：水：砂：石）为1.00:0.52:1.76:3.28（按质量比）。采用普通硅酸盐水泥（42.5级），碎石最大粒径为18 mm。经28天标准养护后，混凝土的平均弹性模量和平均抗压强度分别为30.2 GPa和42.46 MPa。此外，按照ISO 834标准火曲线火灾暴露60 min和90 min后……（原文在此处截断）【试件细节】本研究旨在考察利用Fe-SMA提升钢筋混凝土柱耐火性能及火灾后轴压性能的可行性。共设计并制作了8根钢筋混凝土柱，试件细节如图3所示。柱体为圆形，高度为1330 mm，直径为240 mm。纵筋长度为1300 mm。在柱两端箍筋加密区，长度为200 mm……（原文在此处截断）【Fe-SMA恢复应力】图7展示了在相同预应变条件（8%）下，不同激活温度热激活后Fe-SMA试件恢复应力随温度演变的曲线。在初始加热阶段，由于热膨胀效应，各试件中的应力略有下降。随着温度继续升高，Fe-SMA内部发生由α-马氏体向γ-奥氏体的相变，相变速率逐渐加快。该相变……（原文在此处截断）【结论】本研究系统地考察了带Fe-SMA螺旋箍筋钢筋混凝土柱在室温、火灾中及火灾后三个阶段的表现。主要结论如下：（1）本研究所用Fe-SMA即使在700 ℃下仍能维持一定的恢复应力水平（125–150 MPa），延缓了恢复应力-温度曲线中平台的出现，显示出其在结构耐火领域具有良好的应用潜力。（2）利用……（原文在此处截断）【CRediT作者贡献声明】孔晓：写作——审阅与编辑、写作——初稿撰写、可视化、软件、方法论、调查研究、数据整理、概念设计。陈仕才：写作——审阅与编辑、监督指导、资源提供、方法论、经费获取、数据整理。李陈流：写作——初稿撰写、数据整理。张世龙：可视化、概念设计。【利益冲突声明】作者声明不存在任何已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。【致谢】本研究由中国国家自然科学基金（编号：52678626）资助，同时感谢大连海事大学林博士提供Fe-SMA材料。孔晓 | 陈仕才 | 李陈流 | 张世龙北京工业大学土木工程学院，中国北京 100124