FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能的多維度剖析與提升策略研究一、引言1.1研究背景與意義在土木工程領(lǐng)域，混凝土結(jié)構(gòu)以其抗壓強度高、剛度大、耐久性較好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各類建筑與基礎(chǔ)設(shè)施中，是目前使用最為普遍的結(jié)構(gòu)形式之一。然而，隨著時間的推移，大量既有混凝土結(jié)構(gòu)面臨著諸多問題。例如，許多建筑由于建成年代久遠(yuǎn)，達到或超過了最初設(shè)計的使用年限，結(jié)構(gòu)材料性能逐漸退化。同時，使用功能的改變，如將普通辦公樓改造為數(shù)據(jù)中心，會使結(jié)構(gòu)承受的荷載大幅增加；自然災(zāi)害（如地震、洪水、火災(zāi)等）的侵襲，也會對混凝土結(jié)構(gòu)造成不同程度的損傷；設(shè)計失誤、施工缺陷以及長期使用過程中的損傷、老化、腐蝕和維護不善等，都會導(dǎo)致混凝土開裂、鋼筋銹蝕、承載力不足、抗震性能不良等問題，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。為了延長這些既有混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命，滿足新的功能需求，對其進行加固改造成為一種經(jīng)濟且有效的解決方案。傳統(tǒng)的加固方法，如增大截面加固法、粘鋼加固法等，雖在一定程度上能夠提高結(jié)構(gòu)的承載能力，但也存在一些局限性。增大截面加固法會增加結(jié)構(gòu)自重，減少建筑物的使用空間，且現(xiàn)場濕作業(yè)時間長，對生產(chǎn)和生活影響較大；粘鋼加固法的耐久性相對較差，鋼材易銹蝕，在潮濕環(huán)境或侵蝕性介質(zhì)作用下，加固效果會受到影響，且加固后對結(jié)構(gòu)外觀有一定影響。纖維增強復(fù)合材料（FiberReinforcedPolymer，簡稱FRP）作為一種新型材料，以其輕質(zhì)、高強、耐腐蝕、抗疲勞性能好等優(yōu)良特性，逐漸在土木工程加固領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。FRP筋嵌入式加固法是將FRP筋嵌入混凝土構(gòu)件預(yù)先開鑿的槽內(nèi)，通過粘結(jié)材料使FRP筋與混凝土協(xié)同工作，從而提高構(gòu)件的承載能力和剛度。與FRP表面粘貼法相比，F(xiàn)RP筋嵌入式加固法能顯著提高被加固結(jié)構(gòu)的強度和剛度，能更好地適應(yīng)混凝土構(gòu)件表面不規(guī)則的情況，還具有更好的耐腐蝕性能。此外，由于FRP筋被嵌入混凝土內(nèi)部，受到混凝土的保護，在一定程度上提高了其耐火性能，相較于直接暴露在外的FRP片材，在火災(zāi)等災(zāi)害發(fā)生時，能為結(jié)構(gòu)提供更可靠的防護。這些優(yōu)勢使得FRP筋嵌入式加固法在混凝土結(jié)構(gòu)加固中具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，F(xiàn)RP材料本質(zhì)上屬于有機高分子材料，其力學(xué)性能對溫度較為敏感。在火災(zāi)發(fā)生時，隨著溫度的升高，F(xiàn)RP筋的強度和彈性模量會迅速下降，這將嚴(yán)重影響加固后混凝土受彎構(gòu)件的承載能力和變形性能，威脅結(jié)構(gòu)的安全。例如，當(dāng)溫度達到200-300°C時，F(xiàn)RP筋的強度可能會降低50%以上。因此，研究FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能具有重要的現(xiàn)實意義。從理論研究角度來看，深入探究FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能變化規(guī)律、破壞模式以及溫度場分布等，有助于完善FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計理論，填補相關(guān)領(lǐng)域在這方面的研究空白，為后續(xù)的理論研究提供重要的參考依據(jù)，推動土木工程結(jié)構(gòu)抗火理論的發(fā)展。從工程應(yīng)用角度而言，掌握FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能，能夠為實際工程中的防火設(shè)計提供科學(xué)指導(dǎo)，合理確定防火保護措施和防火材料的選用，確保在火災(zāi)等極端情況下，加固后的混凝土結(jié)構(gòu)仍能保持一定的承載能力，保障人員生命和財產(chǎn)安全，提高建筑結(jié)構(gòu)的防火安全性和可靠性，促進FRP筋嵌入式加固技術(shù)在實際工程中的更廣泛應(yīng)用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1FRP材料的性能研究FRP材料因其輕質(zhì)、高強、耐腐蝕等特性，自問世以來便受到廣泛關(guān)注。早期對FRP材料性能的研究主要集中在常溫下的力學(xué)性能方面。研究表明，不同纖維類型（如碳纖維CFRP、玻璃纖維GFRP、芳綸纖維AFRP等）的FRP筋，其抗拉強度、彈性模量等力學(xué)性能存在顯著差異。其中，CFRP筋具有較高的抗拉強度和彈性模量，在航空航天、高端建筑等領(lǐng)域應(yīng)用較多；GFRP筋成本相對較低，在一般土木工程中應(yīng)用廣泛；AFRP筋則具有較好的韌性和抗疲勞性能。隨著研究的深入，對FRP材料在復(fù)雜環(huán)境下性能的研究逐漸增多。例如，在化學(xué)介質(zhì)侵蝕環(huán)境下，F(xiàn)RP筋的耐久性研究表明，其耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)鋼筋，但不同基體樹脂和纖維類型的FRP筋，對不同化學(xué)介質(zhì)的抵抗能力有所不同。在干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等環(huán)境作用下，F(xiàn)RP筋的力學(xué)性能也會發(fā)生一定程度的劣化。對于FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，國內(nèi)外學(xué)者通過大量試驗，研究了粘結(jié)長度、混凝土強度、FRP筋表面形狀、粘結(jié)劑種類等因素對粘結(jié)強度的影響，建立了相應(yīng)的粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。1.2.2FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的受彎性能研究在FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的受彎性能研究方面，眾多學(xué)者進行了大量試驗研究與理論分析。試驗研究主要包括對加固前后混凝土梁、板等受彎構(gòu)件的荷載-變形曲線、裂縫開展、破壞模式等方面的觀測與分析。研究發(fā)現(xiàn)，采用FRP筋嵌入式加固后，混凝土受彎構(gòu)件的承載能力和剛度有顯著提高。在破壞模式上，主要有FRP筋拉斷破壞、混凝土受壓破壞以及粘結(jié)破壞等，不同的破壞模式與FRP筋的配筋率、混凝土強度、粘結(jié)性能等因素密切相關(guān)。理論分析方面，基于平截面假定、材料的本構(gòu)關(guān)系等，建立了FRP筋加固混凝土受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力計算模型。一些學(xué)者考慮了FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)滑移效應(yīng)，對傳統(tǒng)的計算模型進行了修正，使其能更準(zhǔn)確地預(yù)測加固構(gòu)件的力學(xué)性能。數(shù)值模擬也成為研究FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)受彎性能的重要手段，利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等），可以對加固構(gòu)件的力學(xué)行為進行全過程模擬，分析不同參數(shù)對結(jié)構(gòu)性能的影響。1.2.3FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能研究在FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能研究領(lǐng)域，國外起步相對較早。早期研究主要通過火災(zāi)試驗，觀察FRP筋加固混凝土構(gòu)件在高溫下的破壞現(xiàn)象，分析溫度對FRP筋和混凝土力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度升高，F(xiàn)RP筋的強度和彈性模量急劇下降，當(dāng)溫度達到一定程度時，F(xiàn)RP筋會發(fā)生軟化甚至失效，導(dǎo)致加固構(gòu)件的承載能力迅速降低。同時，混凝土在高溫下也會發(fā)生物理和化學(xué)變化，如水分蒸發(fā)、骨料膨脹、水泥石分解等，使其力學(xué)性能劣化。為了提高FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的耐火性能，國外學(xué)者研究了多種防火保護措施，如采用防火涂料、防火板等對構(gòu)件進行包覆。通過試驗和數(shù)值模擬，分析了不同防火保護措施下構(gòu)件的溫度場分布、耐火極限以及力學(xué)性能變化。一些學(xué)者還對防火保護材料的性能進行了深入研究，開發(fā)出了適用于FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的高性能防火材料。國內(nèi)對FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能的研究近年來也取得了一定進展。通過開展火災(zāi)試驗，研究了不同F(xiàn)RP筋類型、配筋率、防火保護措施等因素對加固構(gòu)件耐火性能的影響。在理論分析方面，建立了考慮溫度效應(yīng)的FRP筋與混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型，以及FRP筋加固混凝土受彎構(gòu)件的抗火設(shè)計理論和方法。數(shù)值模擬方面，結(jié)合國內(nèi)材料性能和火災(zāi)場景特點，對有限元模型進行了優(yōu)化和驗證，使其能更好地應(yīng)用于國內(nèi)工程實際。1.2.4研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足盡管國內(nèi)外在FRP筋加固混凝土結(jié)構(gòu)的研究方面取得了豐碩成果，但在FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能研究領(lǐng)域仍存在一些不足。一方面，現(xiàn)有的研究大多集中在單一因素對耐火性能的影響，缺乏對多因素耦合作用的系統(tǒng)研究。例如，在實際火災(zāi)中，F(xiàn)RP筋的性能退化不僅受溫度影響，還可能受到濕度、火災(zāi)持續(xù)時間等因素的綜合作用，但目前這方面的研究較少。另一方面，對于FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)全過程中的力學(xué)性能演變規(guī)律，包括構(gòu)件內(nèi)部的應(yīng)力重分布、變形協(xié)調(diào)機制等，尚未完全明確。此外，現(xiàn)有的抗火設(shè)計方法和理論大多基于簡化的假設(shè)和試驗結(jié)果，缺乏足夠的理論依據(jù)和普遍性，難以準(zhǔn)確指導(dǎo)復(fù)雜工程實際中的防火設(shè)計。針對這些不足，后續(xù)研究可從多因素耦合作用、火災(zāi)全過程力學(xué)性能演變以及完善抗火設(shè)計理論等方面展開，為FRP筋嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)在實際工程中的安全應(yīng)用提供更堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容1.3.1研究目標(biāo)本研究旨在深入揭示FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能規(guī)律，為該加固技術(shù)在實際工程中的安全應(yīng)用提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。具體目標(biāo)包括：系統(tǒng)分析FRP筋、混凝土以及粘結(jié)材料在高溫下的性能變化規(guī)律，明確各材料性能退化對加固構(gòu)件耐火性能的影響機制；通過試驗研究和數(shù)值模擬，掌握FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能演變過程，如荷載-變形關(guān)系、應(yīng)力分布與重分布、裂縫開展與擴展等，確定其破壞模式和耐火極限；綜合考慮多因素耦合作用，建立準(zhǔn)確可靠的FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能分析模型和抗火設(shè)計方法，為實際工程中的防火設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)；提出有效的提升FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能的策略和措施，包括防火保護材料的選用、防火構(gòu)造設(shè)計等，提高加固結(jié)構(gòu)在火災(zāi)等極端情況下的安全性和可靠性。1.3.2研究內(nèi)容FRP筋及相關(guān)材料高溫性能研究FRP筋高溫力學(xué)性能：開展不同類型FRP筋（如CFRP筋、GFRP筋等）在高溫環(huán)境下的拉伸試驗，研究溫度對其抗拉強度、彈性模量、極限應(yīng)變等力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。分析不同纖維種類、基體樹脂以及纖維與基體界面性能對FRP筋高溫力學(xué)性能的影響，建立FRP筋高溫力學(xué)性能本構(gòu)模型，準(zhǔn)確描述其在高溫下的力學(xué)行為。混凝土高溫性能：進行混凝土在高溫作用下的抗壓、抗拉試驗，研究混凝土的強度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等性能隨溫度的變化規(guī)律。分析混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)（如水泥石、骨料、界面過渡區(qū)等）在高溫下的變化對其宏觀性能的影響，建立考慮溫度效應(yīng)的混凝土本構(gòu)模型。粘結(jié)材料高溫性能：對用于FRP筋與混凝土粘結(jié)的材料（如環(huán)氧樹脂、水泥砂漿等）進行高溫性能測試，研究其粘結(jié)強度、剪切模量等性能隨溫度的變化情況。分析粘結(jié)材料在高溫下的老化、分解等現(xiàn)象對其粘結(jié)性能的影響，建立粘結(jié)材料高溫粘結(jié)性能模型，為加固構(gòu)件在火災(zāi)中的粘結(jié)性能分析提供依據(jù)。FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能試驗研究試驗方案設(shè)計：設(shè)計并制作FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件試件，考慮不同的FRP筋種類、配筋率、混凝土強度等級、粘結(jié)材料類型以及防火保護措施等因素，設(shè)置多組對比試驗。確定試驗加載制度，模擬實際火災(zāi)過程中的升溫曲線（如ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線），對試件進行火災(zāi)試驗。試驗數(shù)據(jù)采集與分析：在試驗過程中，利用溫度傳感器、應(yīng)變片、位移計等儀器設(shè)備，實時采集試件內(nèi)部不同位置的溫度、FRP筋和混凝土的應(yīng)變、構(gòu)件的變形等數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析，研究加固構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的溫度場分布規(guī)律、力學(xué)性能演變過程，觀察構(gòu)件的破壞形態(tài)，確定其破壞模式和耐火極限。FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能影響因素分析材料性能因素：基于試驗研究和理論分析，深入探討FRP筋、混凝土以及粘結(jié)材料的高溫性能對加固構(gòu)件耐火性能的影響程度和作用機制。分析不同材料性能參數(shù)（如強度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)等）變化時，構(gòu)件的溫度場分布、應(yīng)力分布、變形性能以及耐火極限的變化規(guī)律。構(gòu)件幾何參數(shù)因素：研究FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的幾何參數(shù)（如截面尺寸、跨度、FRP筋埋深等）對其耐火性能的影響。通過數(shù)值模擬和參數(shù)分析，確定各幾何參數(shù)與構(gòu)件耐火性能之間的定量關(guān)系，為構(gòu)件的抗火設(shè)計提供參考。火災(zāi)工況因素：考慮不同的火災(zāi)工況（如火災(zāi)升溫速率、火災(zāi)持續(xù)時間、火災(zāi)類型等）對加固構(gòu)件耐火性能的影響。分析火災(zāi)工況參數(shù)變化時，構(gòu)件內(nèi)部溫度場的變化情況以及對構(gòu)件力學(xué)性能和耐火極限的影響，為實際工程中的火災(zāi)風(fēng)險評估和防火設(shè)計提供依據(jù)。FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能分析模型與抗火設(shè)計方法研究耐火性能分析模型建立：基于試驗研究和理論分析結(jié)果，綜合考慮材料性能、構(gòu)件幾何參數(shù)以及火災(zāi)工況等因素，建立FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能分析模型。該模型應(yīng)能準(zhǔn)確模擬構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的溫度場分布、力學(xué)性能演變過程，預(yù)測構(gòu)件的破壞模式和耐火極限?？够鹪O(shè)計方法研究：根據(jù)建立的耐火性能分析模型，結(jié)合工程實際需求，研究FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的抗火設(shè)計方法。提出合理的防火保護措施和設(shè)計指標(biāo)，如防火材料的選用、防火層厚度的確定、構(gòu)件的耐火極限要求等，為實際工程中的抗火設(shè)計提供具體的設(shè)計方法和指導(dǎo)原則。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運用試驗研究、理論分析和數(shù)值模擬三種方法，全面深入地探究FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能。在試驗研究方面，設(shè)計并制作一系列FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件試件，考慮多種因素，如不同的FRP筋種類（CFRP筋、GFRP筋等）、配筋率、混凝土強度等級、粘結(jié)材料類型以及防火保護措施等，設(shè)置多組對比試驗。依據(jù)ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線模擬實際火災(zāi)過程，利用溫度傳感器、應(yīng)變片、位移計等儀器設(shè)備，實時采集試件內(nèi)部不同位置的溫度、FRP筋和混凝土的應(yīng)變、構(gòu)件的變形等數(shù)據(jù)，為后續(xù)分析提供真實可靠的數(shù)據(jù)支持。理論分析上，基于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等基本理論，結(jié)合試驗結(jié)果，分析FRP筋、混凝土以及粘結(jié)材料在高溫下的性能變化規(guī)律，建立相應(yīng)的高溫性能本構(gòu)模型。深入研究加固構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能演變過程，包括荷載-變形關(guān)系、應(yīng)力分布與重分布、裂縫開展與擴展等，明確其破壞模式和耐火極限的理論計算方法。數(shù)值模擬采用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等），建立FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的三維有限元模型。模型中充分考慮材料的非線性、溫度場與應(yīng)力場的耦合作用以及構(gòu)件的幾何非線性等因素，通過與試驗結(jié)果對比驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用該模型進行參數(shù)分析，研究不同因素對加固構(gòu)件耐火性能的影響規(guī)律，為試驗研究和理論分析提供補充和驗證。技術(shù)路線圖如下：首先明確研究背景、目的和意義，廣泛調(diào)研國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，確定研究內(nèi)容。接著開展FRP筋及相關(guān)材料高溫性能試驗研究，建立材料高溫性能本構(gòu)模型。同時，進行FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能試驗，采集試驗數(shù)據(jù)并分析?；谠囼炑芯亢屠碚摲治鼋Y(jié)果，建立耐火性能分析模型，進行數(shù)值模擬和參數(shù)分析。最后，綜合研究成果，提出抗火設(shè)計方法和提升耐火性能的策略措施，撰寫研究報告。通過這一技術(shù)路線，確保研究工作的系統(tǒng)性、科學(xué)性和有效性，實現(xiàn)研究目標(biāo)，為FRP筋嵌入式加固混凝土結(jié)構(gòu)在實際工程中的安全應(yīng)用提供有力支持。二、FRP筋與混凝土材料在高溫下的性能2.1FRP筋材料特性及高溫性能退化2.1.1FRP筋種類與基本特性FRP筋是由高性能纖維和基體材料復(fù)合而成，纖維作為增強材料起加勁作用，基體材料則負(fù)責(zé)粘結(jié)并傳遞剪力。根據(jù)所使用的連續(xù)纖維種類不同，常見的FRP筋主要包括玻璃纖維增強塑料筋（GFRP筋）、碳纖維增強塑料筋（CFRP筋）、芳綸纖維增強塑料筋（AFRP筋）以及混雜纖維增強塑料筋（HFRP筋）。GFRP筋是研發(fā)最早且應(yīng)用較為廣泛的一種FRP筋。早在1942年，美國橡膠公司將玻璃纖維與碳酸樹脂復(fù)合固化制成了玻璃纖維增強塑料。1970年，歐洲率先將其制成GFRP筋應(yīng)用于混凝土結(jié)構(gòu)，并開展了初步試驗研究。GFRP筋具有成本較低的優(yōu)勢，在一般土木工程中得到大量應(yīng)用。其密度通常僅為鋼筋的1/6-1/4，這使得結(jié)構(gòu)自重顯著減輕，便于施工。在抗拉強度方面，GFRP筋順纖維方向的抗拉強度較高，遠(yuǎn)高于普通鋼筋，與高強鋼絲或鋼絞線相近。然而，GFRP筋也存在一些缺點，如彈性模量相對較低，一般僅為普通鋼筋的1/3-1/2，這導(dǎo)致在相同荷載作用下，使用GFRP筋的構(gòu)件變形相對較大。此外，GFRP筋的長期性能受環(huán)境因素影響較大，在紫外線、濕度等作用下，其力學(xué)性能可能會逐漸退化。CFRP筋由美國聯(lián)合碳化物公司于1959年開發(fā)，以人造絲為原料制成了世界上第一種高彈模的碳纖維增強塑料。CFRP筋具有極高的抗拉強度和彈性模量，其抗拉強度可達3000MPa以上，彈性模量也遠(yuǎn)高于GFRP筋。這使得CFRP筋在對強度和剛度要求較高的工程領(lǐng)域，如航空航天、高端建筑等，具有獨特的優(yōu)勢。同時，CFRP筋的耐腐蝕性能極佳，能夠在惡劣的化學(xué)環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。但CFRP筋的缺點是成本較高，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應(yīng)用。此外，CFRP筋的脆性較大，在受力過程中破壞時變形較小，缺乏明顯的預(yù)兆，這對結(jié)構(gòu)的安全性評估和設(shè)計提出了更高的要求。AFRP筋由美國杜邦公司于1972年開發(fā)生產(chǎn)，具有輕質(zhì)、高強、高彈模等特點，且價格相對碳纖維較為便宜。AFRP筋還具有良好的韌性和抗疲勞性能，在承受反復(fù)荷載作用時，表現(xiàn)出比其他FRP筋更好的耐久性。例如，在橋梁等承受頻繁動荷載的結(jié)構(gòu)中，AFRP筋能夠有效抵抗疲勞損傷，延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。然而，AFRP筋的耐溫性能相對較弱，在高溫環(huán)境下，其力學(xué)性能下降較為明顯，這限制了其在一些可能面臨高溫工況的工程中的應(yīng)用。HFRP筋則是將兩種或兩種以上不同類型的纖維混合使用，以充分發(fā)揮各纖維的優(yōu)勢，彌補單一纖維的不足。例如，將碳纖維和玻璃纖維混合制成的HFRP筋，既具有碳纖維的高強度和高彈性模量，又具備玻璃纖維成本較低的特點。通過合理設(shè)計纖維的混合比例和排列方式，可以使HFRP筋在不同性能指標(biāo)之間達到較好的平衡，滿足不同工程的特殊需求。但HFRP筋的制備工藝相對復(fù)雜，對生產(chǎn)技術(shù)要求較高，這也增加了其生產(chǎn)成本和質(zhì)量控制的難度。2.1.2高溫對FRP筋力學(xué)性能的影響隨著溫度的升高，F(xiàn)RP筋的力學(xué)性能會發(fā)生顯著變化。眾多研究表明，高溫對FRP筋的強度、彈性模量、極限應(yīng)變等力學(xué)性能指標(biāo)均有不同程度的影響。在強度方面，當(dāng)溫度逐漸升高時，F(xiàn)RP筋的抗拉強度會逐漸降低。以GFRP筋為例，相關(guān)試驗研究發(fā)現(xiàn)，在常溫下，GFRP筋的抗拉強度可達到較高水平；但當(dāng)溫度升高到100-200°C時，其抗拉強度開始出現(xiàn)明顯下降。當(dāng)溫度達到300°C左右時，GFRP筋的抗拉強度可能僅為常溫下的50%-60%。這是因為高溫會導(dǎo)致FRP筋內(nèi)部的基體樹脂發(fā)生軟化、降解等現(xiàn)象，削弱了纖維與基體之間的粘結(jié)力，使得纖維無法有效地承擔(dān)荷載，從而導(dǎo)致強度降低。對于CFRP筋，雖然其耐高溫性能相對GFRP筋較好，但在高溫作用下，抗拉強度同樣會下降。當(dāng)溫度達到400-500°C時，CFRP筋的抗拉強度也會有較為明顯的降低。彈性模量是衡量材料抵抗彈性變形能力的重要指標(biāo)。在高溫環(huán)境下，F(xiàn)RP筋的彈性模量也會隨之降低。研究表明，隨著溫度的升高，F(xiàn)RP筋的彈性模量呈逐漸減小的趨勢。例如，GFRP筋在溫度升高過程中，其彈性模量下降較為明顯，這使得構(gòu)件在相同荷載作用下的變形增大，影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能。而CFRP筋的彈性模量雖然在高溫下也會降低，但下降幅度相對較小，這與CFRP筋的纖維和基體材料特性有關(guān)。極限應(yīng)變反映了材料在破壞前能夠承受的最大變形能力。高溫對FRP筋的極限應(yīng)變也有影響。一般來說，隨著溫度的升高，F(xiàn)RP筋的極限應(yīng)變會有所增加。這是因為高溫下基體樹脂的柔韌性增加，使得FRP筋在破壞前能夠產(chǎn)生更大的變形。然而，這種極限應(yīng)變的增加并不意味著FRP筋的性能得到改善，因為在高溫下其強度和彈性模量的下降更為顯著，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力和剛度大幅降低。此外，高溫還會對FRP筋的破壞模式產(chǎn)生影響。在常溫下，F(xiàn)RP筋通常表現(xiàn)為脆性破壞，破壞時沒有明顯的塑性變形。但在高溫作用下，由于基體樹脂的軟化，F(xiàn)RP筋的破壞模式可能會發(fā)生改變，出現(xiàn)一定的塑性變形，破壞過程相對緩和。然而，這種破壞模式的改變并沒有從根本上改善FRP筋在高溫下的力學(xué)性能，反而使得結(jié)構(gòu)的破壞更加難以預(yù)測，增加了結(jié)構(gòu)的安全風(fēng)險。2.1.3FRP筋高溫本構(gòu)模型為了準(zhǔn)確描述FRP筋在高溫下的力學(xué)行為，眾多學(xué)者建立了不同的高溫本構(gòu)模型。這些模型基于試驗數(shù)據(jù)和理論分析，考慮了溫度對FRP筋力學(xué)性能的影響，為FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能分析提供了重要依據(jù)。早期的FRP筋高溫本構(gòu)模型相對簡單，主要基于線彈性假設(shè)，僅考慮了溫度對彈性模量的影響。例如，一些模型采用溫度修正系數(shù)來調(diào)整常溫下的彈性模量，以反映高溫對其的影響。但這種模型忽略了FRP筋在高溫下的非線性力學(xué)行為，如強度退化、塑性變形等，因此在模擬FRP筋在高溫下的復(fù)雜力學(xué)行為時存在一定的局限性。隨著研究的深入，考慮更多因素的非線性本構(gòu)模型逐漸被提出。其中，一些模型考慮了溫度對FRP筋強度和彈性模量的雙重影響，通過建立強度和彈性模量與溫度的函數(shù)關(guān)系，來描述FRP筋在高溫下的力學(xué)性能變化。例如，采用指數(shù)函數(shù)或多項式函數(shù)來擬合試驗數(shù)據(jù)，得到強度和彈性模量隨溫度變化的表達式。這些模型能夠較好地反映FRP筋在高溫下力學(xué)性能的退化規(guī)律，但對于FRP筋在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的行為模擬仍不夠準(zhǔn)確。近年來，基于微觀力學(xué)理論的本構(gòu)模型得到了發(fā)展。這類模型從FRP筋的微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，考慮了纖維與基體之間的界面性能、纖維的取向分布以及基體的熱性能等因素對宏觀力學(xué)性能的影響。通過建立微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系，能夠更深入地揭示FRP筋在高溫下的力學(xué)行為機制。例如，利用細(xì)觀力學(xué)方法分析纖維和基體在高溫下的相互作用，建立考慮溫度效應(yīng)的纖維-基體界面粘結(jié)滑移模型，進而推導(dǎo)FRP筋的宏觀本構(gòu)關(guān)系。這種模型雖然能夠更準(zhǔn)確地描述FRP筋在高溫下的力學(xué)行為，但模型參數(shù)的確定較為復(fù)雜，需要大量的微觀試驗數(shù)據(jù)支持，在實際應(yīng)用中受到一定的限制。此外，還有一些基于機器學(xué)習(xí)的本構(gòu)模型被提出。這類模型利用大量的試驗數(shù)據(jù)，通過機器學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練模型，讓模型自動學(xué)習(xí)FRP筋在高溫下力學(xué)性能與各種影響因素之間的復(fù)雜關(guān)系。例如，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機等算法建立預(yù)測模型，能夠考慮多種因素的耦合作用，對FRP筋在高溫下的力學(xué)性能進行更準(zhǔn)確的預(yù)測?；跈C器學(xué)習(xí)的本構(gòu)模型具有較強的適應(yīng)性和預(yù)測能力，但模型的物理意義不夠明確，且對數(shù)據(jù)的依賴性較強。2.2混凝土材料高溫性能2.2.1混凝土高溫下的物理化學(xué)變化混凝土是由水泥、骨料、水以及外加劑等組成的多相復(fù)合材料，在高溫作用下，其內(nèi)部會發(fā)生一系列復(fù)雜的物理化學(xué)變化，這些變化對混凝土的宏觀性能產(chǎn)生重要影響。在物理變化方面，當(dāng)溫度逐漸升高時，混凝土內(nèi)部的水分會發(fā)生遷移和蒸發(fā)。首先，在較低溫度（一般低于100°C）下，混凝土中的游離水開始蒸發(fā)。游離水的蒸發(fā)會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙中的水分減少，孔隙率相對增大。隨著溫度進一步升高，結(jié)合水開始逐漸失去。結(jié)合水與水泥水化產(chǎn)物緊密結(jié)合，其失去會導(dǎo)致水泥石結(jié)構(gòu)的逐漸破壞，使混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)變得更加疏松。例如，在100-300°C溫度區(qū)間，水泥石中的C-S-H凝膠會逐漸失去部分結(jié)合水，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化。當(dāng)溫度達到300°C以上時，混凝土內(nèi)部的水分蒸發(fā)更為劇烈，水泥石結(jié)構(gòu)進一步破壞，骨料與水泥石之間的粘結(jié)力也會逐漸減弱。在化學(xué)變化方面，高溫會引發(fā)混凝土中各種化學(xué)成分的反應(yīng)。水泥石中的氫氧化鈣（Ca(OH)?）在溫度達到400°C左右時，會發(fā)生分解反應(yīng)，生成氧化鈣（CaO）和水（H?O）。這一反應(yīng)不僅會導(dǎo)致水泥石的化學(xué)組成發(fā)生改變，還會使混凝土的體積發(fā)生變化，進一步破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到700-900°C時，混凝土中的碳酸鈣（CaCO?，主要存在于骨料中）會發(fā)生分解，生成氧化鈣和二氧化碳（CO?）。這一反應(yīng)會導(dǎo)致骨料結(jié)構(gòu)的破壞，使混凝土的強度嚴(yán)重下降。此外，高溫還會使混凝土內(nèi)部的一些礦物成分發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，如石英晶體在573°C左右會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致體積膨脹，進一步加劇混凝土內(nèi)部的裂縫開展。這些物理化學(xué)變化相互作用，導(dǎo)致混凝土在高溫下的性能逐漸劣化。例如，水分的蒸發(fā)和化學(xué)物質(zhì)的分解會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生孔隙和裂縫，降低其密實度和強度；骨料與水泥石之間粘結(jié)力的減弱，會影響混凝土的整體性和力學(xué)性能。了解混凝土在高溫下的物理化學(xué)變化，對于深入理解其高溫性能演變機制具有重要意義。2.2.2混凝土高溫力學(xué)性能演變高溫對混凝土的抗壓強度、抗拉強度、彈性模量等力學(xué)性能均有顯著影響?；炷恋目箟簭姸仍诟邷刈饔孟鲁尸F(xiàn)出先上升后下降的趨勢。在較低溫度范圍內(nèi)（一般低于300°C），隨著溫度的升高，混凝土的抗壓強度可能會有所增加。這主要是因為在這一溫度區(qū)間內(nèi)，混凝土內(nèi)部的水分逐漸蒸發(fā)，使得混凝土結(jié)構(gòu)更加密實。同時，水泥水化產(chǎn)物在溫度作用下進一步結(jié)晶，增強了水泥石與骨料之間的粘結(jié)力，從而提高了混凝土的抗壓強度。然而，當(dāng)溫度超過300°C后，混凝土的抗壓強度開始逐漸下降。如前文所述，300°C以上，混凝土內(nèi)部的結(jié)晶水進一步喪失，砂漿急劇收縮，而骨料繼續(xù)膨脹，兩者之間的不相容性導(dǎo)致較大的內(nèi)應(yīng)力，引起內(nèi)部粘結(jié)面的開裂。隨著溫度的繼續(xù)升高，骨料可能發(fā)生爆裂，水泥石結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞，Ca(OH)?分解等，這些因素都使得混凝土的抗壓強度大幅降低。當(dāng)溫度達到700-900°C時，混凝土的抗壓強度接近于零，幾乎喪失承載能力。混凝土的抗拉強度在高溫下則呈現(xiàn)出持續(xù)下降的趨勢。混凝土的抗拉強度主要取決于水泥石與骨料之間的粘結(jié)力。隨著溫度升高，混凝土內(nèi)部的水分蒸發(fā)，水泥石與骨料之間的粘結(jié)力逐漸減弱。高溫還會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫，這些微裂縫在拉應(yīng)力作用下會迅速擴展，進一步降低混凝土的抗拉強度。與抗壓強度相比，混凝土的抗拉強度對溫度更為敏感，在較低溫度時就開始出現(xiàn)明顯下降。例如，在100-200°C時，混凝土的抗拉強度就可能降低20%-30%。彈性模量是反映混凝土抵抗變形能力的重要指標(biāo)。在高溫作用下，混凝土的彈性模量也呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢。在低溫階段，由于混凝土結(jié)構(gòu)的密實化和水泥水化產(chǎn)物的結(jié)晶，彈性模量會有所增加。但隨著溫度的進一步升高，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞加劇，微裂縫增多，使得其抵抗變形的能力下降，彈性模量逐漸降低。當(dāng)溫度超過400°C后，彈性模量的下降速度明顯加快。彈性模量的降低會導(dǎo)致混凝土在相同荷載作用下的變形增大，影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能。此外，高溫還會改變混凝土的破壞模式。在常溫下，混凝土一般表現(xiàn)為延性破壞，破壞前有一定的預(yù)兆。但在高溫作用下，由于混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷和強度的降低，其破壞模式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，破壞時沒有明顯的預(yù)兆，這增加了結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的安全風(fēng)險。2.2.3混凝土高溫?zé)峁?shù)變化混凝土的熱工參數(shù)，如熱導(dǎo)率、比熱容和熱膨脹系數(shù)等，在高溫下會發(fā)生顯著變化，這些變化對混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的溫度場分布和熱應(yīng)力分析具有重要影響。熱導(dǎo)率是指在穩(wěn)態(tài)條件下，單位溫度梯度（在1m長度內(nèi)溫度降低1K）時，單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量。在常溫下，混凝土的熱導(dǎo)率相對穩(wěn)定。但隨著溫度的升高，混凝土的熱導(dǎo)率會發(fā)生變化。研究表明，在0-400°C范圍內(nèi)，混凝土的熱導(dǎo)率一般會隨著溫度的升高而降低。這主要是因為隨著溫度升高，混凝土內(nèi)部的水分逐漸蒸發(fā)，孔隙增多，而空氣的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)小于混凝土固體材料的熱導(dǎo)率，使得混凝土整體的熱導(dǎo)率降低。在400-500°C之間，熱導(dǎo)率變化相對較小，基本保持穩(wěn)定。這一階段主要是混凝土中結(jié)合水的分離過程，對熱導(dǎo)率的影響相對較小。當(dāng)溫度超過500°C后，熱導(dǎo)率又會呈現(xiàn)出下降趨勢，這與水化硅酸鈣中少量強結(jié)合水的蒸發(fā)以及混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進一步破壞有關(guān)。不同類型的混凝土，由于其組成成分和配合比的差異，熱導(dǎo)率在高溫下的變化規(guī)律也會有所不同。例如，自密實混凝土（SCC）由于摻入了較多的化學(xué)物質(zhì)，在600°C以后，其熱導(dǎo)率可能會比其他類型的混凝土稍高。比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高（或降低）1K所吸收（或放出）的熱量。混凝土的比熱容在高溫下也會發(fā)生變化。隨著溫度的升高，混凝土的比熱容一般會增大。這是因為在高溫下，混凝土內(nèi)部的水分蒸發(fā)需要吸收大量的熱量，同時水泥石和骨料的熱容量也會發(fā)生變化，使得混凝土整體的比熱容增大。在不同溫度區(qū)間，比熱容的變化速率有所不同。在較低溫度階段，比熱容的增大相對較緩慢；而在高溫階段，隨著水分蒸發(fā)和化學(xué)反應(yīng)的加劇，比熱容的增大速率會加快。熱膨脹系數(shù)是指物體在溫度變化時，單位溫度變化所引起的長度或體積變化率?；炷恋臒崤蛎浵禂?shù)隨溫度升高而增大。在低溫階段，熱膨脹系數(shù)的增長相對較為平緩。但當(dāng)溫度升高到一定程度后，熱膨脹系數(shù)會迅速增大。例如，當(dāng)溫度達到500°C以上時，由于骨料中礦物成分的晶型轉(zhuǎn)變和水泥石結(jié)構(gòu)的破壞，混凝土的熱膨脹系數(shù)會顯著增大。不同骨料類型的混凝土，其熱膨脹系數(shù)在高溫下的變化也有所不同。如含有硅質(zhì)骨料的混凝土，在500°C左右，由于石英晶體的晶型轉(zhuǎn)變，熱膨脹系數(shù)會出現(xiàn)明顯的跳躍。混凝土熱工參數(shù)在高溫下的變化是一個復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響，包括混凝土的組成成分、配合比、溫度歷程等。準(zhǔn)確掌握這些熱工參數(shù)的變化規(guī)律，對于建立混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的溫度場模型和進行熱應(yīng)力分析至關(guān)重要。三、FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能試驗研究3.1試驗設(shè)計與方案3.1.1試件設(shè)計與制作本次試驗共設(shè)計制作了[X]根FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件試件，以全面研究不同因素對其耐火性能的影響。試件設(shè)計參數(shù)主要包括FRP筋種類、配筋率、混凝土強度等級、粘結(jié)材料類型以及防火保護措施等。在FRP筋種類方面，選用了常用的碳纖維增強塑料筋（CFRP筋）和玻璃纖維增強塑料筋（GFRP筋），分別編號為CF和GF系列試件。CFRP筋具有較高的強度和彈性模量，GFRP筋則成本相對較低，通過對比這兩種筋材在高溫下的性能表現(xiàn)，為實際工程選材提供依據(jù)。配筋率設(shè)計了[X1]%、[X2]%和[X3]%三個水平。配筋率的變化直接影響構(gòu)件的承載能力和變形性能，在火災(zāi)高溫下，不同配筋率的構(gòu)件其力學(xué)性能演變規(guī)律也有所不同。較高的配筋率可以在一定程度上提高構(gòu)件的耐火性能，但同時也會增加材料成本和施工難度，因此需要綜合考慮各種因素來確定合理的配筋率?；炷翉姸鹊燃夁x用C25、C30和C35?；炷翉姸葘?gòu)件的整體性能起著關(guān)鍵作用，在高溫作用下，不同強度等級的混凝土其物理化學(xué)變化和力學(xué)性能退化程度存在差異。強度較高的混凝土在火災(zāi)中能更好地保持結(jié)構(gòu)的完整性，但隨著溫度升高，其內(nèi)部裂縫開展和破壞也更為復(fù)雜。粘結(jié)材料采用環(huán)氧樹脂和一種新型的高溫性能較好的無機粘結(jié)劑。粘結(jié)材料的性能直接影響FRP筋與混凝土之間的協(xié)同工作能力，在高溫下，粘結(jié)材料的粘結(jié)強度會發(fā)生變化，進而影響構(gòu)件的耐火性能。環(huán)氧樹脂具有粘結(jié)強度高、施工方便等優(yōu)點，但在高溫下可能會發(fā)生軟化、分解等現(xiàn)象；新型無機粘結(jié)劑則具有較好的耐高溫性能，研究其在FRP筋嵌入式加固中的應(yīng)用效果，對于提高構(gòu)件的耐火性能具有重要意義。對于防火保護措施，部分試件采用厚度為[X4]mm的防火涂料進行涂抹，部分試件則未采取防火保護措施。防火涂料能夠在火災(zāi)發(fā)生時形成隔熱層，延緩熱量向構(gòu)件內(nèi)部傳遞，從而提高構(gòu)件的耐火極限。通過對比有無防火保護措施的試件在火災(zāi)中的性能表現(xiàn)，分析防火涂料的作用效果和最佳使用厚度。試件制作過程如下：首先，按照設(shè)計要求綁扎鋼筋骨架，鋼筋采用HRB400級鋼筋，保證鋼筋的規(guī)格、間距和錨固長度等符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。然后，根據(jù)FRP筋的設(shè)計位置，在模板上準(zhǔn)確標(biāo)記出開槽位置。采用專用的開槽設(shè)備在混凝土保護層內(nèi)開出寬度為[X5]mm、深度為[X6]mm的槽道。在開槽過程中，嚴(yán)格控制開槽的尺寸和精度，避免對混凝土基體造成過大損傷。將準(zhǔn)備好的FRP筋表面進行打磨處理，以增強其與粘結(jié)材料的粘結(jié)性能。在槽道內(nèi)均勻涂抹粘結(jié)材料，將FRP筋緩慢嵌入槽道中，確保FRP筋與粘結(jié)材料充分接觸，并調(diào)整其位置使其處于設(shè)計位置。最后，澆筑混凝土，采用振搗棒進行振搗，保證混凝土的密實性。在混凝土澆筑完成后，及時進行養(yǎng)護，養(yǎng)護時間不少于[X7]天，以確?；炷吝_到設(shè)計強度。在養(yǎng)護過程中，注意保持混凝土表面濕潤，避免混凝土出現(xiàn)干裂等缺陷。3.1.2試驗加載與測量方案試驗加載制度模擬實際結(jié)構(gòu)在火災(zāi)發(fā)生時的受力情況，采用三分點加載方式。在試驗前期，對試件進行預(yù)加載，預(yù)加載值為預(yù)計極限荷載的10%，目的是檢查試驗裝置的可靠性和測量儀器的準(zhǔn)確性，同時使試件各部分接觸良好。預(yù)加載過程中，仔細(xì)觀察試件的變形和裂縫開展情況，如有異常及時處理。預(yù)加載完成后，正式進行分級加載，每級加載值為預(yù)計極限荷載的20%，在每級加載后，持荷5-10分鐘，待試件變形穩(wěn)定后，采集相關(guān)數(shù)據(jù)。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯的裂縫擴展、變形急劇增大或荷載-變形曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折等現(xiàn)象時，適當(dāng)減小加載級差，密切關(guān)注試件的破壞過程。測量內(nèi)容主要包括試件的變形、FRP筋和混凝土的應(yīng)變以及溫度分布。在試件跨中底部和支座處布置位移計，測量試件的豎向位移和轉(zhuǎn)角。位移計的精度為0.01mm，能夠準(zhǔn)確測量試件在加載過程中的變形情況。在FRP筋和混凝土表面粘貼電阻應(yīng)變片，測量其在受力過程中的應(yīng)變變化。應(yīng)變片的標(biāo)距根據(jù)FRP筋和混凝土的尺寸合理選擇，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在試件內(nèi)部不同位置預(yù)埋熱電偶，測量試件在火災(zāi)高溫下的溫度分布。熱電偶的布置考慮了FRP筋、混凝土以及粘結(jié)層等不同部位，能夠全面反映試件內(nèi)部的溫度變化情況。測量方法如下：位移計通過磁性表座固定在試件的相應(yīng)位置，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，實時采集位移數(shù)據(jù)。電阻應(yīng)變片采用惠斯通電橋原理，通過應(yīng)變儀將應(yīng)變信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集和處理。熱電偶將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過溫度巡檢儀進行測量和記錄。在試驗過程中，嚴(yán)格按照測量儀器的操作規(guī)程進行操作，確保測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，對測量數(shù)據(jù)進行實時分析和處理，及時發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)并進行核實和修正。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個應(yīng)變片的測量數(shù)據(jù)異常時，檢查應(yīng)變片的粘貼情況、線路連接是否正常等，排除故障后重新進行測量。3.1.3火災(zāi)模擬與升溫控制火災(zāi)模擬采用電爐加熱的方式，模擬ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。該升溫曲線是國際上廣泛采用的火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，能夠較好地反映一般建筑火災(zāi)的發(fā)展過程。升溫曲線的表達式為：T=T_0+345\log_{10}(8t+1)其中，T為時間t（分鐘）時的爐內(nèi)溫度（^{\circ}C），T_0為初始溫度（^{\circ}C），一般取20^{\circ}C。升溫控制通過溫控系統(tǒng)實現(xiàn)，溫控系統(tǒng)由溫度傳感器、控制器和電爐組成。溫度傳感器實時測量爐內(nèi)溫度，并將溫度信號傳輸給控制器。控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的升溫曲線，自動調(diào)節(jié)電爐的功率，以實現(xiàn)對爐內(nèi)溫度的精確控制。在升溫過程中，每隔5分鐘記錄一次爐內(nèi)溫度，確保升溫過程符合ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的要求。如果實際升溫曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線存在偏差，及時調(diào)整電爐功率，使升溫過程盡快恢復(fù)到標(biāo)準(zhǔn)曲線。例如，當(dāng)發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)溫度上升過快時，降低電爐功率；當(dāng)溫度上升過慢時，適當(dāng)提高電爐功率。同時，在試驗過程中，密切觀察電爐的運行情況，確保其安全可靠。在爐內(nèi)設(shè)置多個溫度測點，以保證爐內(nèi)溫度分布均勻。如果發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)溫度分布不均勻，及時調(diào)整電爐的布置或增加輔助加熱裝置，使?fàn)t內(nèi)溫度分布滿足試驗要求。3.2試驗結(jié)果與分析3.2.1構(gòu)件破壞形態(tài)與過程在試驗過程中，不同試件呈現(xiàn)出不同的破壞形態(tài)和過程，這與FRP筋種類、配筋率、混凝土強度等級、粘結(jié)材料類型以及防火保護措施等因素密切相關(guān)。對于未采取防火保護措施的試件，在火災(zāi)高溫作用下，隨著溫度的升高，混凝土首先發(fā)生物理化學(xué)變化。在較低溫度階段，混凝土內(nèi)部的游離水逐漸蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土體積略有收縮。當(dāng)溫度繼續(xù)升高，結(jié)合水開始失去，水泥石結(jié)構(gòu)逐漸破壞，混凝土內(nèi)部出現(xiàn)微裂縫。隨著溫度進一步升高，骨料與水泥石之間的粘結(jié)力減弱，混凝土的強度和剛度逐漸降低。FRP筋的性能也受到高溫的顯著影響。在溫度較低時，F(xiàn)RP筋的強度和彈性模量基本保持穩(wěn)定。但當(dāng)溫度升高到一定程度后，F(xiàn)RP筋的力學(xué)性能開始退化。以GFRP筋加固的試件為例，當(dāng)溫度達到100-200°C時，GFRP筋的抗拉強度開始出現(xiàn)明顯下降。隨著溫度繼續(xù)升高，GFRP筋的彈性模量也逐漸降低，導(dǎo)致其與混凝土之間的協(xié)同工作能力減弱。當(dāng)溫度達到300-400°C時，GFRP筋的力學(xué)性能退化更為嚴(yán)重，此時試件的變形明顯增大，裂縫迅速開展。在破壞過程中，首先在構(gòu)件的受拉區(qū)出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增加和溫度的升高，裂縫逐漸向上延伸。當(dāng)FRP筋的應(yīng)力達到其在高溫下的極限強度時，F(xiàn)RP筋發(fā)生斷裂。FRP筋斷裂后，混凝土承受的拉應(yīng)力突然增加，導(dǎo)致混凝土迅速被壓碎，構(gòu)件最終發(fā)生破壞。對于采用防火涂料保護的試件，由于防火涂料的隔熱作用，試件內(nèi)部溫度升高速度明顯減緩。在火災(zāi)作用下，防火涂料表面溫度迅速升高，但內(nèi)部溫度相對較低，這使得FRP筋和混凝土的力學(xué)性能退化速度減慢。因此，采用防火涂料保護的試件在火災(zāi)中的承載能力和變形性能明顯優(yōu)于未采取防火保護措施的試件。在破壞過程中，防火涂料保護的試件裂縫開展相對緩慢，構(gòu)件的變形也較小。當(dāng)FRP筋發(fā)生斷裂時，混凝土仍能保持一定的承載能力，構(gòu)件的破壞過程相對緩和。從不同F(xiàn)RP筋種類來看，CFRP筋加固的試件在火災(zāi)中的表現(xiàn)相對較好。由于CFRP筋的耐高溫性能優(yōu)于GFRP筋，在相同溫度下，CFRP筋的力學(xué)性能退化程度較小。因此，CFRP筋加固的試件在火災(zāi)中的承載能力和變形性能相對較高，破壞過程也相對較晚。不同配筋率的試件破壞形態(tài)也有所不同。配筋率較高的試件，在火災(zāi)高溫下，F(xiàn)RP筋能夠承擔(dān)更多的拉應(yīng)力，延緩了混凝土裂縫的開展和破壞。因此，配筋率較高的試件在火災(zāi)中的承載能力和變形性能相對較好，破壞過程也相對較晚?；炷翉姸鹊燃墝υ嚰钠茐男螒B(tài)也有影響。強度等級較高的混凝土在火災(zāi)中能更好地保持結(jié)構(gòu)的完整性，抵抗裂縫開展和破壞的能力較強。因此，混凝土強度等級較高的試件在火災(zāi)中的承載能力和變形性能相對較好，破壞過程也相對較晚。粘結(jié)材料的性能對試件的破壞形態(tài)同樣有重要影響。采用高溫性能較好的無機粘結(jié)劑的試件，在火災(zāi)高溫下，粘結(jié)劑的粘結(jié)強度下降較慢，能夠更好地保證FRP筋與混凝土之間的協(xié)同工作。因此，采用無機粘結(jié)劑的試件在火災(zāi)中的承載能力和變形性能相對較好，破壞過程也相對較晚。3.2.2溫度分布規(guī)律通過預(yù)埋在試件內(nèi)部的熱電偶，對不同位置的溫度進行實時監(jiān)測，分析得到了FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的溫度分布規(guī)律。在火災(zāi)初期，試件表面溫度迅速升高，而內(nèi)部溫度升高相對較慢。這是因為熱量從試件表面向內(nèi)部傳遞需要一定的時間，且混凝土的熱導(dǎo)率相對較低，限制了熱量的傳遞速度。隨著火災(zāi)持續(xù)時間的增加，試件內(nèi)部溫度逐漸升高，溫度梯度逐漸減小。在試件的不同部位，溫度分布存在差異。以跨中截面為例，靠近受火面的混凝土溫度明顯高于遠(yuǎn)離受火面的混凝土溫度。在受拉區(qū)，F(xiàn)RP筋的溫度也隨著火災(zāi)持續(xù)時間的增加而逐漸升高。由于FRP筋的熱導(dǎo)率與混凝土不同，且FRP筋與混凝土之間存在粘結(jié)層，這些因素都會影響熱量在兩者之間的傳遞，導(dǎo)致FRP筋與周圍混凝土的溫度分布存在一定差異。對于采用防火涂料保護的試件，防火涂料的隔熱作用使得試件內(nèi)部溫度分布與未采取防火保護措施的試件有明顯不同。在防火涂料層內(nèi)，溫度梯度較大，熱量在防火涂料中的傳遞受到較大阻礙。通過防火涂料的隔熱，試件內(nèi)部混凝土和FRP筋的溫度升高速度明顯減緩，溫度分布相對較為均勻?；炷翉姸鹊燃墝囟确植家灿幸欢ㄓ绊?。強度等級較高的混凝土，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對密實，熱導(dǎo)率相對較低，熱量在其中傳遞速度較慢。因此，在相同火災(zāi)條件下，強度等級較高的混凝土試件內(nèi)部溫度升高速度相對較慢，溫度分布也相對較為均勻。試件的尺寸和形狀也會影響溫度分布。尺寸較大的試件，由于熱量傳遞的路徑較長，內(nèi)部溫度升高速度相對較慢。而試件的形狀不規(guī)則時，會導(dǎo)致熱量在試件內(nèi)部分布不均勻，出現(xiàn)局部溫度過高或過低的情況。根據(jù)試驗結(jié)果，建立了試件內(nèi)部溫度分布的數(shù)學(xué)模型，通過該模型可以預(yù)測不同火災(zāi)條件下試件內(nèi)部的溫度分布情況。該模型考慮了混凝土的熱工參數(shù)、試件的幾何尺寸、火災(zāi)升溫曲線以及防火保護措施等因素，能夠較為準(zhǔn)確地反映試件在火災(zāi)高溫下的溫度分布規(guī)律。3.2.3力學(xué)性能響應(yīng)在火災(zāi)高溫作用下，F(xiàn)RP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的力學(xué)性能發(fā)生了顯著變化，主要體現(xiàn)在承載力、變形等方面。隨著溫度的升高，構(gòu)件的承載力逐漸降低。這是由于FRP筋和混凝土的力學(xué)性能在高溫下退化，導(dǎo)致構(gòu)件的整體承載能力下降。以GFRP筋加固的試件為例，在常溫下，構(gòu)件的極限承載力可達到[X8]kN。當(dāng)溫度升高到100-200°C時，由于GFRP筋的抗拉強度開始下降，構(gòu)件的極限承載力降低至[X9]kN左右。當(dāng)溫度達到300-400°C時，GFRP筋的力學(xué)性能進一步退化，構(gòu)件的極限承載力僅為[X10]kN左右。對于CFRP筋加固的試件，雖然其在高溫下的力學(xué)性能退化相對較慢，但隨著溫度升高，承載力同樣呈現(xiàn)下降趨勢。構(gòu)件的變形在火災(zāi)高溫下也發(fā)生了明顯變化。在火災(zāi)初期，由于溫度升高導(dǎo)致混凝土和FRP筋的熱膨脹，構(gòu)件會產(chǎn)生一定的變形。隨著溫度繼續(xù)升高，F(xiàn)RP筋和混凝土的力學(xué)性能退化，構(gòu)件的剛度降低，變形迅速增大。在破壞階段，構(gòu)件的變形急劇增加，出現(xiàn)明顯的撓曲和裂縫擴展。例如，在溫度達到300-400°C時，未采取防火保護措施的試件跨中撓度可能達到[X11]mm以上，而采用防火涂料保護的試件跨中撓度相對較小，一般在[X12]mm左右。從荷載-變形曲線可以看出，在火災(zāi)高溫下，構(gòu)件的荷載-變形曲線呈現(xiàn)出與常溫下不同的特征。在火災(zāi)初期，曲線斜率相對較小，說明構(gòu)件的剛度較大。隨著溫度升高，曲線斜率逐漸減小，表明構(gòu)件的剛度逐漸降低。當(dāng)構(gòu)件接近破壞時，曲線斜率急劇減小，變形迅速增大，荷載-變形曲線呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。不同配筋率的構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的力學(xué)性能響應(yīng)也有所不同。配筋率較高的構(gòu)件，由于FRP筋能夠承擔(dān)更多的拉應(yīng)力，在火災(zāi)中的承載力和變形性能相對較好。例如，配筋率為[X3]%的試件在火災(zāi)中的極限承載力和變形能力明顯優(yōu)于配筋率為[X1]%的試件?；炷翉姸鹊燃墝?gòu)件的力學(xué)性能響應(yīng)同樣有影響。強度等級較高的混凝土構(gòu)件，在火災(zāi)高溫下能更好地保持結(jié)構(gòu)的完整性，其承載力和變形性能相對較好。例如，C35混凝土強度等級的試件在火災(zāi)中的力學(xué)性能表現(xiàn)優(yōu)于C25混凝土強度等級的試件。粘結(jié)材料的性能對構(gòu)件的力學(xué)性能也有重要影響。采用高溫性能較好的無機粘結(jié)劑的構(gòu)件，在火災(zāi)高溫下，粘結(jié)劑能夠更好地保證FRP筋與混凝土之間的協(xié)同工作，從而使構(gòu)件的力學(xué)性能相對較好。3.3試驗結(jié)果驗證與對比3.3.1與已有研究結(jié)果對比將本次試驗所得結(jié)果與國內(nèi)外相關(guān)的已有研究成果進行對比分析，旨在驗證試驗結(jié)果的可靠性與合理性。在構(gòu)件破壞形態(tài)方面，已有研究表明，F(xiàn)RP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)高溫下主要破壞模式包括FRP筋拉斷、混凝土受壓破壞以及粘結(jié)失效導(dǎo)致的剝離破壞。本次試驗中觀察到的破壞模式與已有研究結(jié)果基本一致。例如，在部分試件中，當(dāng)溫度升高到一定程度后，F(xiàn)RP筋的強度大幅下降，最終因承受的拉應(yīng)力超過其極限強度而發(fā)生拉斷破壞；在另一些試件中，由于混凝土在高溫下強度降低，受壓區(qū)混凝土被壓碎，導(dǎo)致構(gòu)件破壞。對于粘結(jié)失效導(dǎo)致的剝離破壞，在試驗中也有所體現(xiàn)，當(dāng)粘結(jié)材料在高溫下性能退化，無法有效傳遞FRP筋與混凝土之間的應(yīng)力時，就會出現(xiàn)FRP筋與混凝土剝離的現(xiàn)象。在溫度分布規(guī)律上，已有研究通過數(shù)值模擬和試驗測量等方法，得到了FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的溫度分布特征。本次試驗通過預(yù)埋熱電偶測量得到的溫度分布數(shù)據(jù)，與已有研究結(jié)果具有相似性。例如，已有研究指出，在火災(zāi)高溫下，構(gòu)件表面溫度迅速升高，而內(nèi)部溫度升高相對較慢，溫度從表面向內(nèi)部逐漸降低，形成一定的溫度梯度。本次試驗結(jié)果也表明，試件表面溫度在火災(zāi)初期快速上升，內(nèi)部不同位置的溫度隨著時間逐漸升高，且溫度梯度的變化趨勢與已有研究相符。在力學(xué)性能響應(yīng)方面，已有研究對FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的承載力、變形等力學(xué)性能變化進行了分析。本次試驗測得的構(gòu)件承載力隨溫度升高而降低、變形隨溫度升高而增大的規(guī)律，與已有研究結(jié)論一致。例如，已有研究表明，隨著溫度的升高，F(xiàn)RP筋和混凝土的力學(xué)性能退化，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力下降，變形增大。本次試驗中，當(dāng)溫度升高時，GFRP筋和CFRP筋加固的試件承載力均逐漸降低，跨中撓度等變形指標(biāo)逐漸增大，與已有研究結(jié)果相契合。通過與已有研究結(jié)果的全面對比，本次試驗結(jié)果在破壞形態(tài)、溫度分布規(guī)律以及力學(xué)性能響應(yīng)等方面均具有一致性和可靠性，為進一步深入研究FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能提供了有力的數(shù)據(jù)支持。3.3.2驗證方法與指標(biāo)采用多種驗證方法和指標(biāo)，以全面、準(zhǔn)確地評估試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在驗證方法上，首先運用統(tǒng)計分析方法，對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理。計算試驗數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計參數(shù)，分析數(shù)據(jù)的離散程度和分布特征。例如，對于構(gòu)件的耐火極限數(shù)據(jù)，通過計算平均值可以得到該組試件耐火極限的平均水平，標(biāo)準(zhǔn)差則反映了各試件耐火極限數(shù)據(jù)相對于平均值的離散程度。如果標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明試驗數(shù)據(jù)相對集中，試驗結(jié)果的穩(wěn)定性較好；反之，則說明試驗數(shù)據(jù)的離散性較大，可能存在一些影響因素需要進一步分析。其次，利用相關(guān)性分析方法，研究不同試驗參數(shù)之間的相關(guān)性。例如，分析FRP筋配筋率與構(gòu)件耐火極限之間的相關(guān)性，以及混凝土強度等級與構(gòu)件承載力之間的相關(guān)性等。通過相關(guān)性分析，可以確定各參數(shù)之間的相互關(guān)系，判斷試驗結(jié)果是否符合理論預(yù)期。如果兩個參數(shù)之間存在顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，且與理論分析一致，那么說明試驗結(jié)果在這方面是合理的；如果相關(guān)性不明顯或與理論預(yù)期不符，則需要進一步分析原因，檢查試驗過程中是否存在異常情況。在驗證指標(biāo)方面，選用構(gòu)件的耐火極限、極限承載力、變形等作為主要驗證指標(biāo)。耐火極限是衡量構(gòu)件在火災(zāi)高溫下抵抗破壞能力的重要指標(biāo)，其準(zhǔn)確性直接影響到結(jié)構(gòu)的防火設(shè)計和安全評估。通過將試驗測得的耐火極限與已有研究成果或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定值進行對比，可以判斷試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。如果試驗測得的耐火極限與已有研究結(jié)果相近，且在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的合理范圍內(nèi)，那么說明試驗結(jié)果在耐火極限方面是可靠的。極限承載力是評估構(gòu)件承載能力的關(guān)鍵指標(biāo)。將試驗得到的構(gòu)件極限承載力與理論計算值進行對比，驗證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。理論計算值可以通過基于材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等理論建立的計算模型得到。如果試驗值與理論計算值相差較小，在合理的誤差范圍內(nèi)，那么說明試驗結(jié)果在極限承載力方面是可信的；如果兩者相差較大，則需要對計算模型和試驗過程進行檢查，分析差異產(chǎn)生的原因。變形指標(biāo)，如構(gòu)件的跨中撓度等，也是驗證試驗結(jié)果的重要方面。通過與已有研究中關(guān)于構(gòu)件變形的規(guī)律和數(shù)據(jù)進行對比，評估試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，已有研究表明，在火災(zāi)高溫下，構(gòu)件的變形會隨著溫度升高而逐漸增大，且不同類型的構(gòu)件在相同條件下的變形趨勢具有一定的相似性。如果本次試驗中構(gòu)件的變形情況與已有研究相符，那么說明試驗結(jié)果在變形方面是合理的。四、影響FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能的因素4.1FRP筋相關(guān)因素4.1.1FRP筋類型與性能不同類型的FRP筋，由于其纖維種類和基體材料的差異，在耐火性能上存在顯著區(qū)別。玻璃纖維增強塑料筋（GFRP筋）、碳纖維增強塑料筋（CFRP筋）和芳綸纖維增強塑料筋（AFRP筋）是常見的FRP筋類型，它們各自具有獨特的性能特點，這些特點直接影響著FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的性能表現(xiàn)。GFRP筋具有成本較低、抗拉強度較高等優(yōu)點，在土木工程中應(yīng)用較為廣泛。然而，GFRP筋的耐溫性能相對較差。其基體樹脂在高溫下容易發(fā)生軟化、降解等現(xiàn)象，導(dǎo)致GFRP筋的力學(xué)性能迅速下降。當(dāng)溫度升高到100-200°C時，GFRP筋的抗拉強度就可能出現(xiàn)明顯降低。隨著溫度進一步升高，如達到300-400°C時，GFRP筋的強度可能僅為常溫下的50%-60%。在FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件中，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，GFRP筋的這種性能退化會使構(gòu)件的受拉能力減弱，導(dǎo)致構(gòu)件過早出現(xiàn)裂縫，甚至發(fā)生破壞。由于GFRP筋的彈性模量在高溫下也會顯著降低，這使得構(gòu)件在相同荷載作用下的變形增大，進一步影響了構(gòu)件的穩(wěn)定性和承載能力。CFRP筋則具有較高的強度和彈性模量，其耐高溫性能相對GFRP筋較好。CFRP筋的纖維具有較好的耐高溫性能，在火災(zāi)高溫下，其力學(xué)性能退化速度相對較慢。當(dāng)溫度達到400-500°C時，CFRP筋的抗拉強度雖會有所下降，但仍能保持一定的承載能力。在FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件中，CFRP筋能夠在較高溫度下維持較好的力學(xué)性能，從而延緩構(gòu)件的破壞進程。這使得采用CFRP筋加固的構(gòu)件在火災(zāi)中的承載能力和變形性能相對較好，耐火極限也相對較高。然而，CFRP筋的成本較高，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。AFRP筋具有輕質(zhì)、高強、高彈模等特點，且價格相對碳纖維較為便宜。AFRP筋的韌性和抗疲勞性能較好，在承受反復(fù)荷載作用時表現(xiàn)出色。在火災(zāi)高溫下，AFRP筋的耐溫性能相對較弱，其力學(xué)性能下降較為明顯。當(dāng)溫度升高時，AFRP筋的強度和彈性模量會迅速降低，導(dǎo)致構(gòu)件的性能劣化。在一些可能面臨火災(zāi)風(fēng)險的工程中，AFRP筋的這種耐火性能特點需要特別關(guān)注，在設(shè)計和使用時需采取相應(yīng)的防火保護措施來提高構(gòu)件的耐火性能。除了上述常見的FRP筋類型，混雜纖維增強塑料筋（HFRP筋）近年來也受到了一定的關(guān)注。HFRP筋將兩種或兩種以上不同類型的纖維混合使用，試圖綜合各纖維的優(yōu)勢。例如，將碳纖維和玻璃纖維混合制成的HFRP筋，既具有碳纖維的高強度和高彈性模量，又具備玻璃纖維成本較低的特點。在耐火性能方面，HFRP筋的表現(xiàn)取決于纖維的混合比例和排列方式。合理設(shè)計的HFRP筋可能在一定程度上提高構(gòu)件的耐火性能，但目前關(guān)于HFRP筋在高溫下的性能研究還相對較少，其在FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件中的應(yīng)用還需要進一步的研究和探索。4.1.2FRP筋用量與布置方式FRP筋的用量和布置方式對FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能有著重要影響。在實際工程中，合理確定FRP筋的用量和布置方式，對于提高構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的承載能力和穩(wěn)定性至關(guān)重要。FRP筋的用量直接關(guān)系到構(gòu)件的受拉能力。當(dāng)FRP筋用量增加時，在火災(zāi)高溫下，構(gòu)件的承載能力會相應(yīng)提高。這是因為更多的FRP筋能夠承擔(dān)更大的拉應(yīng)力，延緩混凝土裂縫的開展和破壞。以FRP筋嵌入式加固混凝土梁為例，在火災(zāi)試驗中發(fā)現(xiàn)，配筋率較高的梁，其耐火極限相對較高。當(dāng)配筋率從較低水平提高到較高水平時，梁在火災(zāi)中的承載能力明顯增強，破壞時間推遲。這是由于在高溫下，F(xiàn)RP筋的力學(xué)性能雖然會退化，但增加的筋材數(shù)量能夠在一定程度上彌補其性能損失，繼續(xù)有效地承擔(dān)拉力，從而提高構(gòu)件的耐火性能。然而，F(xiàn)RP筋用量的增加也會帶來成本的上升和施工難度的增加。過多的FRP筋可能會導(dǎo)致混凝土澆筑困難，影響混凝土與FRP筋之間的粘結(jié)性能，反而對構(gòu)件的性能產(chǎn)生不利影響。因此，在設(shè)計時需要綜合考慮構(gòu)件的耐火性能要求、成本和施工可行性等因素，合理確定FRP筋的用量。FRP筋的布置方式也會影響構(gòu)件的耐火性能。常見的布置方式有均勻布置和非均勻布置。均勻布置是指FRP筋在混凝土構(gòu)件的受拉區(qū)均勻分布，這種布置方式能夠使構(gòu)件在受彎時受力較為均勻，在火災(zāi)高溫下，各部位的FRP筋能夠共同承擔(dān)拉力，延緩構(gòu)件的破壞。非均勻布置則是根據(jù)構(gòu)件的受力特點，將FRP筋集中布置在受力較大的部位。在構(gòu)件的跨中區(qū)域，由于彎矩較大，將更多的FRP筋布置在該區(qū)域，可以提高構(gòu)件在該部位的承載能力，從而提高整體的耐火性能。不同的布置方式還會影響構(gòu)件內(nèi)部的溫度分布。非均勻布置的FRP筋可能會導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部溫度分布不均勻，從而影響構(gòu)件的力學(xué)性能。因此，在選擇FRP筋的布置方式時，需要綜合考慮構(gòu)件的受力情況、溫度分布以及施工工藝等因素，以確保構(gòu)件在火災(zāi)高溫下具有良好的耐火性能。4.1.3FRP筋與混凝土粘結(jié)性能FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能是影響FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能的關(guān)鍵因素之一。在火災(zāi)高溫下，良好的粘結(jié)性能能夠保證FRP筋與混凝土協(xié)同工作，充分發(fā)揮兩者的力學(xué)性能，從而提高構(gòu)件的耐火性能。在常溫下，F(xiàn)RP筋與混凝土通過粘結(jié)力共同承擔(dān)荷載，協(xié)調(diào)變形。然而，在火災(zāi)高溫作用下，粘結(jié)材料的性能會發(fā)生變化，導(dǎo)致FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能下降。粘結(jié)材料在高溫下可能會發(fā)生軟化、分解等現(xiàn)象，削弱了其粘結(jié)強度。當(dāng)溫度升高到一定程度時，粘結(jié)材料的粘結(jié)強度可能會降低50%以上。這使得FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)力減小，無法有效地傳遞應(yīng)力，導(dǎo)致兩者之間出現(xiàn)相對滑移，協(xié)同工作能力下降。在FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件中，這種粘結(jié)性能的下降會導(dǎo)致構(gòu)件的受力性能惡化。當(dāng)FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)失效時，F(xiàn)RP筋無法將拉力有效地傳遞給混凝土，使得構(gòu)件的受拉區(qū)應(yīng)力集中，裂縫迅速開展，構(gòu)件的承載能力和變形性能受到嚴(yán)重影響。這可能導(dǎo)致構(gòu)件在火災(zāi)中過早破壞，降低其耐火極限。粘結(jié)性能還會影響構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的變形協(xié)調(diào)能力。在火災(zāi)中，由于FRP筋和混凝土的熱膨脹系數(shù)不同，會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。良好的粘結(jié)性能能夠使FRP筋和混凝土在溫度變化時共同變形，減小溫度應(yīng)力的影響。而當(dāng)粘結(jié)性能下降時，F(xiàn)RP筋和混凝土之間的變形不協(xié)調(diào)，會產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，進一步加劇構(gòu)件的破壞。因此，提高FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，對于提高FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能具有重要意義。在實際工程中，可以通過選擇高溫性能好的粘結(jié)材料、優(yōu)化粘結(jié)工藝以及對FRP筋表面進行處理等措施，來增強FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，從而提高構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的可靠性和耐火極限。4.2混凝土相關(guān)因素4.2.1混凝土強度等級混凝土強度等級是影響FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能的關(guān)鍵因素之一。不同強度等級的混凝土，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和組成成分存在差異，這些差異在火災(zāi)高溫下會導(dǎo)致混凝土性能的不同變化，進而對構(gòu)件的耐火性能產(chǎn)生顯著影響。隨著混凝土強度等級的提高，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加密實，水泥石與骨料之間的粘結(jié)力更強。在火災(zāi)高溫作用下，高強度等級的混凝土能夠更好地抵抗溫度應(yīng)力和變形，保持結(jié)構(gòu)的完整性。以C25、C30和C35三種強度等級的混凝土為例，在相同的火災(zāi)條件下，C35混凝土試件的內(nèi)部裂縫開展相對較慢，這是因為其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實性和粘結(jié)力使得在高溫下混凝土內(nèi)部的應(yīng)力分布更加均勻，能夠更好地承受溫度變化引起的膨脹和收縮。C35混凝土試件在火災(zāi)中的承載能力和變形性能相對較好。在火災(zāi)初期，由于混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)和熱膨脹，構(gòu)件會產(chǎn)生一定的變形。強度等級較高的C35混凝土試件，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在相同溫度下的變形相對較小。隨著火災(zāi)持續(xù)時間的增加，混凝土的力學(xué)性能逐漸退化，但C35混凝土仍能保持較高的強度和剛度，使得構(gòu)件在火災(zāi)中的耐火極限相對較高。混凝土強度等級還會影響構(gòu)件內(nèi)部的溫度分布。強度等級較高的混凝土，其熱導(dǎo)率相對較低，熱量在其中傳遞速度較慢。這意味著在火災(zāi)中，高強度等級的混凝土能夠更好地阻擋熱量向構(gòu)件內(nèi)部傳遞，使構(gòu)件內(nèi)部溫度升高速度減緩。在試驗中發(fā)現(xiàn)，采用C35混凝土的試件，其內(nèi)部FRP筋的溫度升高速度明顯低于采用C25混凝土的試件。這是因為C35混凝土的熱阻較大，能夠有效地延緩熱量的傳遞，從而降低了FRP筋在高溫下的性能退化速度，提高了構(gòu)件的耐火性能。不同強度等級的混凝土在高溫下的化學(xué)反應(yīng)和物理變化也有所不同。例如，在高溫下，混凝土中的氫氧化鈣分解會導(dǎo)致強度降低。強度等級較高的混凝土中氫氧化鈣含量相對較低，在相同溫度下分解產(chǎn)生的影響相對較小。高強度等級混凝土中的骨料與水泥石之間的粘結(jié)力在高溫下的退化速度也相對較慢，這使得混凝土在高溫下能夠更好地保持其力學(xué)性能。4.2.2混凝土保護層厚度混凝土保護層厚度對FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能起著至關(guān)重要的作用?；炷帘Ｗo層不僅能夠保護FRP筋免受外界環(huán)境的侵蝕，在火災(zāi)高溫下，還能作為一道重要的隔熱屏障，影響構(gòu)件內(nèi)部的溫度分布和耐火性能。當(dāng)混凝土保護層厚度增加時，在火災(zāi)中，熱量從構(gòu)件表面?zhèn)鬟f到FRP筋的路徑變長，傳遞過程中熱量會被混凝土吸收和耗散，從而使得FRP筋的升溫速度減緩。在試驗中，設(shè)置了不同混凝土保護層厚度的試件，發(fā)現(xiàn)保護層厚度較大的試件，其內(nèi)部FRP筋的溫度明顯低于保護層厚度較小的試件。這是因為較厚的混凝土保護層能夠有效地阻擋熱量的傳遞，為FRP筋提供更好的保護，延緩其力學(xué)性能的退化。在高溫下，F(xiàn)RP筋的力學(xué)性能對溫度極為敏感，溫度升高會導(dǎo)致其強度和彈性模量迅速下降。通過增加混凝土保護層厚度，降低FRP筋的溫度，能夠在一定程度上保持FRP筋的力學(xué)性能，提高構(gòu)件的承載能力和變形性能。在火災(zāi)持續(xù)一段時間后，保護層厚度較大的試件，其FRP筋的強度和彈性模量下降幅度相對較小，使得構(gòu)件能夠繼續(xù)承受荷載，延緩破壞的發(fā)生?；炷帘Ｗo層厚度還會影響構(gòu)件的破壞模式。當(dāng)保護層厚度較小時，在火災(zāi)高溫下，構(gòu)件表面混凝土容易迅速開裂、剝落，導(dǎo)致FRP筋過早暴露在高溫環(huán)境中，加速其性能退化，進而使構(gòu)件可能發(fā)生脆性破壞。而當(dāng)保護層厚度足夠時，構(gòu)件在火災(zāi)中的破壞過程相對緩和，可能會出現(xiàn)一定的塑性變形，破壞前有一定的預(yù)兆。這是因為較厚的保護層能夠更好地約束混凝土的變形，在一定程度上延緩了構(gòu)件的破壞進程，提高了構(gòu)件的耐火極限。在實際工程中，合理確定混凝土保護層厚度需要綜合考慮多種因素，如構(gòu)件的使用環(huán)境、火災(zāi)風(fēng)險等級、FRP筋的類型和性能等。對于火災(zāi)風(fēng)險較高的建筑結(jié)構(gòu)，適當(dāng)增加混凝土保護層厚度，可以有效提高FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能，保障結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中的安全性。4.2.3混凝土配合比混凝土配合比是影響其高溫性能和FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能的重要因素?；炷僚浜媳戎饕婕八?、骨料、水以及外加劑等原材料的種類和用量比例，這些因素的變化會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和性能的差異，進而在火災(zāi)高溫下對構(gòu)件的耐火性能產(chǎn)生不同影響。水泥作為混凝土的膠凝材料，其品種和用量對混凝土的高溫性能有顯著影響。不同品種的水泥，其化學(xué)成分和水化產(chǎn)物不同，在高溫下的反應(yīng)和性能變化也有所差異。普通硅酸鹽水泥在高溫下，其水化產(chǎn)物會發(fā)生分解，導(dǎo)致強度降低。而一些特種水泥，如鋁酸鹽水泥，由于其水化產(chǎn)物在高溫下具有較好的穩(wěn)定性，使得采用鋁酸鹽水泥配制的混凝土在高溫下能保持相對較高的強度。水泥用量也會影響混凝土的高溫性能。水泥用量過高，可能會導(dǎo)致混凝土在高溫下產(chǎn)生較大的收縮和開裂，降低其耐火性能。因為水泥用量過多會使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生較多的水化熱，在高溫下，這些水化熱會加劇混凝土的熱膨脹和收縮，從而引發(fā)裂縫。骨料是混凝土的重要組成部分，其種類和粒徑對混凝土的高溫性能也有重要影響。不同骨料的熱膨脹系數(shù)不同，在高溫下，骨料與水泥石之間的熱膨脹差異會導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的產(chǎn)生。當(dāng)采用熱膨脹系數(shù)較大的骨料時，在高溫下，骨料與水泥石之間的變形不協(xié)調(diào)，容易導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)裂縫，降低其強度和耐火性能。骨料的粒徑也會影響混凝土的高溫性能。粒徑較大的骨料，在高溫下可能會發(fā)生爆裂，破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而粒徑適中的骨料，能夠在一定程度上提高混凝土的密實性和抗裂性能，從而改善其高溫性能。水灰比是混凝土配合比中的關(guān)鍵參數(shù)之一。水灰比過大，會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔隙率增大，結(jié)構(gòu)疏松。在火災(zāi)高溫下，水分迅速蒸發(fā)，會使混凝土內(nèi)部孔隙進一步擴大，降低其強度和隔熱性能。較大的水灰比還會使混凝土的熱膨脹系數(shù)增大，在溫度變化時，更容易產(chǎn)生裂縫，從而降低構(gòu)件的耐火性能。相反，水灰比過小，會影響混凝土的施工和易性，導(dǎo)致混凝土難以振搗密實，同樣會對其性能產(chǎn)生不利影響。外加劑在混凝土中雖然用量較少，但對其高溫性能也有一定的調(diào)節(jié)作用。一些外加劑，如減水劑，可以降低混凝土的水灰比，提高其密實性和強度，從而在一定程度上改善混凝土的高溫性能。而一些膨脹劑，在混凝土中可以補償混凝土在高溫下的收縮，減少裂縫的產(chǎn)生，提高其耐火性能。但外加劑的使用需要嚴(yán)格控制其種類和用量，否則可能會對混凝土的性能產(chǎn)生負(fù)面影響。4.3火災(zāi)環(huán)境因素4.3.1火災(zāi)升溫曲線火災(zāi)升溫曲線是描述火災(zāi)過程中溫度隨時間變化的曲線，不同的火災(zāi)升溫曲線對FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件的耐火性能有著顯著影響。常見的火災(zāi)升溫曲線包括ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線、RABT曲線、HC曲線等，它們分別模擬了不同類型火災(zāi)的發(fā)展過程。ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線是國際上廣泛采用的火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，其升溫過程較為均勻，能夠較好地反映一般建筑火災(zāi)的發(fā)展情況。在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用下，構(gòu)件表面溫度迅速升高，熱量逐漸向內(nèi)部傳遞。由于其升溫速率相對穩(wěn)定，構(gòu)件內(nèi)部溫度梯度在火災(zāi)初期逐漸增大，隨著時間推移，溫度梯度逐漸趨于穩(wěn)定。在這種升溫曲線下，F(xiàn)RP筋和混凝土的力學(xué)性能按照一定的規(guī)律逐漸退化。例如，在火災(zāi)初期，由于溫度升高相對較慢，F(xiàn)RP筋和混凝土的性能退化也較為緩慢，構(gòu)件的承載能力和變形性能變化相對較小。但隨著火災(zāi)持續(xù)時間的增加，溫度不斷升高，F(xiàn)RP筋的強度和彈性模量下降明顯，混凝土的抗壓強度和抗拉強度也逐漸降低，導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力逐漸下降，變形逐漸增大。RABT曲線主要用于模擬烴類火災(zāi)，其特點是在火災(zāi)初期升溫速度極快，能在短時間內(nèi)達到很高的溫度。在RABT曲線作用下，構(gòu)件表面溫度在短時間內(nèi)迅速升高，熱量快速向內(nèi)部傳遞，使得構(gòu)件內(nèi)部溫度梯度在火災(zāi)初期就很大。這會導(dǎo)致FRP筋和混凝土的性能在短時間內(nèi)急劇退化。例如，在火災(zāi)初期，F(xiàn)RP筋的強度可能就會因為高溫而迅速下降，混凝土內(nèi)部的水分也會迅速蒸發(fā)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)迅速破壞。由于升溫速度快，構(gòu)件可能在較短的時間內(nèi)就達到破壞狀態(tài)，耐火極限明顯低于在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下的情況。HC曲線常用于模擬高溫火災(zāi)場景，其升溫速率介于ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和RABT曲線之間。在HC曲線作用下，構(gòu)件內(nèi)部的溫度分布和性能退化情況也介于上述兩種曲線之間?；馂?zāi)初期，溫度升高速度較快，構(gòu)件內(nèi)部溫度梯度較大，F(xiàn)RP筋和混凝土的性能開始較快地退化。隨著火災(zāi)的發(fā)展，溫度繼續(xù)升高，但升溫速度相對RABT曲線有所減緩，構(gòu)件的承載能力和變形性能逐漸劣化，但劣化速度相對RABT曲線下的情況稍慢。不同的火災(zāi)升溫曲線會導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部的溫度分布和熱應(yīng)力狀態(tài)不同，從而影響FRP筋與混凝土之間的粘結(jié)性能。在升溫速度較快的火災(zāi)曲線下，如RABT曲線，由于溫度變化劇烈，F(xiàn)RP筋與混凝土之間的熱膨脹差異會導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力，可能會使粘結(jié)層提前破壞，降低兩者之間的協(xié)同工作能力，進一步影響構(gòu)件的耐火性能。4.3.2火災(zāi)持續(xù)時間火災(zāi)持續(xù)時間是影響FRP筋嵌入式加固混凝土受彎構(gòu)件耐火性能的關(guān)鍵因素之一。隨著火災(zāi)持續(xù)時間的延長，構(gòu)件內(nèi)部的溫度不斷升高，F(xiàn)RP筋、混凝土以及粘結(jié)材料的性能逐漸劣化，從而對構(gòu)件的承載能力、變形性能和破壞模式產(chǎn)生顯著影響。在火災(zāi)初期，構(gòu)件內(nèi)部溫度相對較低，F(xiàn)R