感應(yīng)加熱破碎型鋼混凝土構(gòu)件試驗(yàn)研究

許崇浩，鄭文忠，胡明亮，王 英

(1. 結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090；2. 土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))，哈爾濱 150090)

交變電流在通過(guò)感應(yīng)線圈時(shí)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將金屬工件置于交變磁場(chǎng)后，可使金屬工件內(nèi)產(chǎn)生渦流并產(chǎn)生電阻損耗熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬工件的加熱，這種加熱方式稱為電磁感應(yīng)加熱[1 ? 4]。電磁感應(yīng)加熱[5 ? 8]利用電磁感應(yīng)將電能轉(zhuǎn)化為被加熱工件的內(nèi)能，可在感應(yīng)線圈不接觸金屬工件的前提下完成工件的加熱。

在我國(guó)的高層及超高層建筑中大量采用型鋼混凝土(SRC)結(jié)構(gòu)。有的SRC結(jié)構(gòu)由于影響城市規(guī)劃或在施工中存在質(zhì)量缺陷，需拆除。目前，常用的建筑拆除方法有人工拆除、機(jī)械拆除、爆破拆除和靜態(tài)破碎拆除[9 ? 12]。可采用靜態(tài)破碎拆除法拆除型鋼混凝土構(gòu)件的外圍混凝土和鋼筋，但由于型鋼對(duì)其夾持混凝土的約束作用以及型鋼與混凝土之間的粘結(jié)作用[13 ? 18]較強(qiáng)，傳統(tǒng)的拆除方式難以實(shí)現(xiàn)對(duì)型鋼夾持區(qū)混凝土和型鋼的有效破碎分離[19]。在感應(yīng)加熱SRC構(gòu)件的過(guò)程中，內(nèi)置型鋼被直接加熱，升溫速度較快；混凝土依靠型鋼的傳熱加熱，升溫速度相對(duì)較慢。鋼材和混凝土在感應(yīng)加熱過(guò)程中升溫速率不同，使型鋼與其所夾持的混凝土之間產(chǎn)生溫度差與膨脹變形差，解除了型鋼對(duì)混凝土的約束作用，可實(shí)現(xiàn)型鋼與其所夾持混凝土的分離，這種拆除方式稱為電磁感應(yīng)加熱拆除。利用電磁感應(yīng)加熱拆除技術(shù)破碎無(wú)保護(hù)層SRC試件和有保護(hù)層SRC試件的原理分別見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 無(wú)保護(hù)層SRC試件感應(yīng)加熱破碎技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of induction heating crushing technology for SRC specimens without protective layers

圖2 無(wú)保護(hù)層SRC試件感應(yīng)加熱破碎技術(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of induction heating crushing technology for SRC specimens with protective layers

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件的感應(yīng)加熱分離和直接電熱分離做了部分的研究，但尚未有學(xué)者開(kāi)展SRC構(gòu)件的電磁感應(yīng)加熱分離的研究。劉鵬等[20]提出了一種利用感應(yīng)加熱破碎鋼筋混凝土構(gòu)件的方法，該方法將鋼筋混凝土構(gòu)件置于交變磁場(chǎng)中，使鋼筋溫度上升并發(fā)生軟化或熔化，使混凝土破碎。該方法具有高效、環(huán)保、安全可靠、性價(jià)比高、實(shí)時(shí)破碎和受外界環(huán)境因素(如降水和大風(fēng)等)影響較小等優(yōu)點(diǎn)。Mashimo等[21]進(jìn)行了鋼筋混凝土構(gòu)件的感應(yīng)加熱拆除試驗(yàn)，考察設(shè)備頻率、功率對(duì)拆除效果的影響，發(fā)現(xiàn)設(shè)備功率越大鋼筋的升溫速率越快，設(shè)備頻率(交流電大小和方向1 s內(nèi)的變換次數(shù))對(duì)鋼筋的升溫速率影響不大。

杜林[22]使用通電加熱法和機(jī)械破碎法各破碎一個(gè)直徑為3 m、壁厚為700 mm的圓筒形構(gòu)筑物，發(fā)現(xiàn)電加熱破碎的效率是機(jī)械破碎的效率的1.5倍。Kasai[23]給鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋施加交流電，通過(guò)電熱法直接加熱鋼筋，發(fā)現(xiàn)鋼筋受熱之后膨脹，脹裂鋼筋周圍的混凝土。雖然鋼筋混凝土構(gòu)件直接電熱破碎法和感應(yīng)加熱破碎法的加熱方法不同，但實(shí)現(xiàn)鋼材與混凝土的分離的原理基本相同，即利用鋼材與混凝土之間的溫度差和變形差實(shí)現(xiàn)鋼材與混凝土的分離，因此感應(yīng)加熱破碎法的研究可借鑒直接加熱分離法的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)電磁感應(yīng)加熱分離過(guò)程中SRC構(gòu)件的升溫規(guī)律、型鋼與混凝土之間膨脹變形差隨構(gòu)件溫度的變化規(guī)律還不明確，對(duì)型鋼翼緣寬度、腹板高度和保護(hù)層厚度等參數(shù)對(duì)感應(yīng)加熱分離效果的影響規(guī)律還需進(jìn)一步研究。因此開(kāi)展感應(yīng)加熱分離SRC構(gòu)件的研究具有重要的意義。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

常規(guī)拆除方法可拆除SRC構(gòu)件的普通鋼筋及外圍混凝土，感應(yīng)加熱拆除主要用來(lái)拆除常規(guī)拆除方法無(wú)法拆除的SRC部分。本文設(shè)計(jì)制作了14個(gè)用于感應(yīng)加熱分離的型鋼混凝土試件，其中無(wú)混凝土保護(hù)層試件6個(gè)、有混凝土保護(hù)層試件8個(gè)。試件所采用型鋼尺寸、型鋼目標(biāo)加熱溫度及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。試件內(nèi)均不含普通鋼筋，試件保護(hù)層是指型鋼外圍混凝土，用以模擬實(shí)際SRC結(jié)構(gòu)中普通鋼筋與型鋼之間的混凝土。試件采用的型鋼尺寸為：H300 mm×300 mm×12 mm×12 mm、H400 mm×200 mm× 8 mm×13 mm、H300 mm×200 mm×8 mm×12 mm。無(wú)保護(hù)層試件和有保護(hù)層試件分別見(jiàn)圖3和圖4。圖中a為翼緣混凝土保護(hù)層厚度，a的取值分別為30 mm、50 mm和80 mm；b為梁的截面寬度與H型鋼翼緣寬度差值的1/2，取固定值30 mm；試件長(zhǎng)度均為1000 mm，混凝土頂面和底面距離型鋼上、下兩端各100 mm。其中：上端型鋼用于設(shè)置熱電偶等，以測(cè)量加熱過(guò)程中型鋼與混凝土各測(cè)點(diǎn)位置的溫度；下端型鋼使混凝土懸空，有利于試驗(yàn)過(guò)程中靠混凝土自重實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。

表1 無(wú)保護(hù)層SRC試件設(shè)計(jì)Table 1 Design of SRC specimens without protective layers

表2 有保護(hù)層SRC試件設(shè)計(jì)Table 2 Design of SRC specimens with protective layers

圖3 無(wú)保護(hù)層型鋼混凝土試件示意圖/mmFig.3 Schematic diagram of steel reinforced concrete specimens without protective layers

圖4 有保護(hù)層型鋼混凝土試件示意圖/mmFig.4 Schematic diagram of steel reinforced concrete specimens with protective layers

試件上共設(shè)置4個(gè)熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，其中熱電偶1位于型鋼翼緣邊緣處，熱電偶2位于型鋼腹板與翼緣相交處，熱電偶3位于型鋼腹板中部，熱電偶4位于型鋼夾持區(qū)混凝土中部，熱電偶1～3直接焊接在試件型鋼上。在混凝土頂面型鋼夾持區(qū)混凝土的中部鉆孔，孔深為2 cm，將測(cè)點(diǎn)4對(duì)應(yīng)的熱電偶插入孔內(nèi)，并用水泥砂漿填充孔洞。熱電偶位置分別見(jiàn)圖3和圖4。

對(duì)有保護(hù)層SRC試件：一方面保護(hù)層對(duì)型鋼的熱膨脹變形有約束作用；另一方面保護(hù)層的存在使得型鋼與外圍水冷電纜之間的間隙變大，使感應(yīng)加熱效率變低。為分別研究保護(hù)層這兩方面作用對(duì)破碎效果的影響，將部分有保護(hù)層試件(H9、H10、H12和H14)按圖5所示位置進(jìn)行機(jī)械切割，圖5中1～4分別表示4條切口。

圖5 機(jī)械切割位置示意圖Fig.5 Mechanical cutting position diagram

1.2 加熱方案

試驗(yàn)采用上海巴瑪克電氣技術(shù)有限公司生產(chǎn)的感應(yīng)加熱設(shè)備AtecFR-200/380T-C1F15進(jìn)行加熱，感應(yīng)加熱線圈采用柔性水冷電纜。感應(yīng)加熱設(shè)備最大功率為200 kW，加熱頻率為6 kHz。設(shè)備可實(shí)時(shí)記錄加熱過(guò)程中的電壓、電流、功率和各測(cè)點(diǎn)溫度等參數(shù)。

試驗(yàn)開(kāi)始前，需在試件外圍包裹硅酸鋁纖維保溫毯，并在保溫毯的外圍纏繞水冷電纜。保溫毯一方面可避免水冷電纜與高溫試件直接接觸，防止水冷電纜溫度過(guò)高；另一方面可大大降低加熱過(guò)程中的熱量損失，提高加熱效率。纏繞保溫毯的試件如圖6所示，纏繞保溫毯和水冷電纜的試件如圖7所示。將水冷電纜連接至感應(yīng)加熱設(shè)備便可實(shí)現(xiàn)對(duì)SRC試件的感應(yīng)加熱。

圖6 試件包裹保溫毯Fig.6 Specimen wrapped with insulation blanket

圖7 纏繞水冷電纜的試件Fig.7 Specimen wrapped with water cooled cable

感應(yīng)加熱設(shè)備有恒功率模式、恒電流模式、恒溫模式和工藝程序模式4種加熱模式。本次試驗(yàn)全部采用恒功率加熱，即在感應(yīng)加熱過(guò)程中設(shè)備輸出功率保持恒定，均為65 kW。在試件測(cè)點(diǎn)最高溫度達(dá)到目標(biāo)溫度之前，持續(xù)對(duì)試件進(jìn)行加熱，并記錄試驗(yàn)現(xiàn)象。在試件型鋼溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，利用吊環(huán)向上提拉型鋼，實(shí)現(xiàn)混凝土與型鋼的脫離。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與分析

共進(jìn)行了6個(gè)混凝土無(wú)保護(hù)層試件和8個(gè)有混凝土保護(hù)層試件的感應(yīng)加熱分離試驗(yàn)。

2.1 無(wú)混凝土保護(hù)層試件

無(wú)混凝土保護(hù)層試件的感應(yīng)加熱分離試驗(yàn)現(xiàn)象如下。

試件H1：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為430 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙。型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度達(dá)到目標(biāo)溫度500 ℃左右時(shí)，混凝土滑落約20 mm，向上提拉型鋼無(wú)法實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖8(a)。繼續(xù)加熱，當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為708 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下又滑落80 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖8(b)。

圖8 無(wú)保護(hù)層試件破壞狀態(tài)Fig.8 Fracture modes of specimens without protective layers

試件H2：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為465 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙。型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度達(dá)到目標(biāo)溫度600 ℃時(shí)，混凝土滑落約50 mm，向上提拉型鋼無(wú)法實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為710 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下又滑落80 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖8(c)。

試件H3：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為460 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為706 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下滑落約100 mm。見(jiàn)圖8(d)。向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖8(e)。

試件H4：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為450 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為768 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下滑落約100 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖8(f)。

試件H5：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為480 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙。見(jiàn)圖8(g)。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為705 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下滑落約100 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖8(h)。

試件H6：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為420 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為698 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下滑落約100 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖8(i)。

2.2 有保護(hù)層混凝土試件

有混凝土保護(hù)層試件的感應(yīng)加熱分離試驗(yàn)現(xiàn)象如下。

試件H7：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為500 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土間產(chǎn)生縫隙，試件保護(hù)層混凝土開(kāi)裂。繼續(xù)加熱使型鋼最高溫度達(dá)到700 ℃左右并持續(xù)加熱，型鋼溫度上升緩慢且混凝土滑落不明顯，停止加熱。待試件冷卻后拆開(kāi)保溫毯，試件保護(hù)層混凝土脫落，但型鋼所夾持的混凝土滑落不明顯。見(jiàn)圖9(a)。將混凝土保護(hù)層清理干凈后進(jìn)行第二次加熱，當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為700 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下滑落約100 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖9(b)。

試件H8、H11：與試件H7類似，型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度達(dá)到500 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙，二次加熱至型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為723 ℃時(shí)，型鋼與混凝土分離。感應(yīng)加熱分離試件H8滑落的保護(hù)層混凝土見(jiàn)圖9(c)，混凝土保護(hù)層被脹裂為較小的混凝土塊體。

試件H9：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為500 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙，保護(hù)層混凝土與型鋼翼緣產(chǎn)生縫隙，保護(hù)層混凝土在自重下滑落約10 mm，保護(hù)層混凝土開(kāi)裂不明顯。見(jiàn)圖9(d)。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為712 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下滑落約100 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。見(jiàn)圖9(e)。

試件H10、H12、H14：與H9類似，型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為500 ℃左右時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙，保護(hù)層混凝土與型鋼翼緣產(chǎn)生縫隙并滑落約10 mm，保護(hù)層混凝土開(kāi)裂不明顯。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為700 ℃時(shí)，型鋼與混凝土分離。感應(yīng)加熱分離試件H10滑落的保護(hù)層混凝土見(jiàn)圖9(f)，保護(hù)層混凝土相對(duì)比較完整。

試件H13：型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為510 ℃時(shí)，型鋼翼緣與夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙，與試件H8和H11不同的是混凝土在型鋼翼緣頂點(diǎn)處出現(xiàn)斜裂縫，裂縫與型鋼翼緣約成45°角。當(dāng)型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度為700 ℃時(shí)，混凝土在自重作用下滑落約100 mm，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。試件H13分離過(guò)程見(jiàn)圖9(h)。感應(yīng)加熱分離試件H13滑落的保護(hù)層混凝土見(jiàn)圖9(i)。

圖9 有保護(hù)層試件破壞狀態(tài)Fig.9 Fracture modes of specimens with protective layers

2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

分析14個(gè)試件的試驗(yàn)現(xiàn)象可發(fā)現(xiàn)：

1) 對(duì)于無(wú)混凝土保護(hù)層試件，感應(yīng)加熱分離過(guò)程中型鋼被電磁感應(yīng)直接加熱，升溫速度較快，型鋼受熱膨脹。與型鋼接觸的混凝土，在熱傳導(dǎo)作用下被加熱，升溫速度較慢，型鋼和混凝土之間出現(xiàn)溫度差。由于型鋼與混凝土的熱膨脹系數(shù)相近，混凝土的熱膨脹變形也較小，型鋼與混凝土之間出現(xiàn)變形差。在型鋼溫度較低時(shí)，型鋼與混凝土的接觸面仍存在著化學(xué)膠結(jié)力，型鋼的熱膨脹受到腹板兩側(cè)和翼緣內(nèi)側(cè)化學(xué)膠結(jié)力的約束。隨著型鋼溫度升高，型鋼的熱膨脹變形增大，型鋼與混凝土之間的溫度差和變形差增大，型鋼與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力被破壞，型鋼與混凝土之間開(kāi)始出現(xiàn)縫隙。此時(shí)，型鋼與混凝土之間并沒(méi)有完全脫離，型鋼翼緣、腹板與其相鄰的混凝土之間還存在著摩擦力。繼續(xù)加熱，型鋼與混凝土之間的熱膨脹變形差繼續(xù)增大，型鋼與混凝土之間的摩擦力不足以抵抗混凝土的自重，夾持區(qū)混凝土在其自重下脫落，實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。

2) 對(duì)于機(jī)械切割后的有混凝土保護(hù)層試件，感應(yīng)加熱分離過(guò)程中型鋼受熱膨脹，夾持區(qū)混凝土以及保護(hù)層混凝土在熱傳導(dǎo)作用下被加熱，型鋼和混凝土之間出現(xiàn)溫度差和膨脹變形差。在型鋼溫度較低時(shí)，型鋼的熱膨脹受到腹板兩側(cè)和翼緣兩側(cè)化學(xué)膠結(jié)力的約束。由于混凝土保護(hù)層被切割，混凝土保護(hù)層對(duì)型鋼沿腹板高度方向的熱膨脹變形不具有約束作用。隨著型鋼溫度升高，型鋼與混凝土之間的變形差增大，型鋼與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力也被破壞。此時(shí)，型鋼翼緣兩側(cè)及腹板與其相鄰的混凝土之間還存在著摩擦力，混凝土保護(hù)層與型鋼翼緣外側(cè)之間的摩擦力不足以抵抗其自重，混凝土保護(hù)層脫落，保護(hù)層混凝土較完整。繼續(xù)加熱，型鋼腹板與夾持區(qū)混凝土之間的摩擦力不足以抵抗夾持區(qū)混凝土的自重，夾持區(qū)混凝土在自重下脫落，實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。

3) 對(duì)于未機(jī)械切割的有混凝土保護(hù)層試件，感應(yīng)加熱分離過(guò)程中，型鋼和混凝土之間出現(xiàn)溫度差和膨脹變形差。在型鋼溫度較低時(shí)，腹板兩側(cè)和翼緣兩側(cè)化學(xué)膠結(jié)力約束型鋼的熱膨脹變形。由于混凝土保護(hù)層未切割，保護(hù)層對(duì)于型鋼的熱膨脹變形也有較強(qiáng)的約束作用。與翼緣平行的混凝土保護(hù)層(圖4中厚度為a的混凝土保護(hù)層，以下簡(jiǎn)稱保護(hù)層A)在翼緣沿翼緣長(zhǎng)度方向的熱膨脹作用下被拉伸，在腹板沿腹板高度方向的熱膨脹作用被彎折。與翼緣垂直的混凝土保護(hù)層(圖4中厚度為b的混凝土保護(hù)層，以下簡(jiǎn)稱保護(hù)層B)，在翼緣沿翼緣厚度方向的熱膨脹作用和腹板沿腹板高度方向的熱膨脹作用的共同作用下被拉伸，在翼緣沿翼緣長(zhǎng)度方向的熱膨脹作用被彎折。隨著型鋼溫度升高，型鋼與混凝土膨脹變形差增大，型鋼與混凝土之間的化學(xué)膠結(jié)力被破壞，型鋼與混凝土之間開(kāi)始出現(xiàn)縫隙，但型鋼翼緣內(nèi)側(cè)及腹板兩側(cè)與夾持區(qū)混凝土之間還存在著摩擦力，夾持區(qū)混凝土尚未脫落；對(duì)保護(hù)層A厚度較小(30 mm、50 mm)的試件，當(dāng)型鋼熱膨脹變形足夠大時(shí)，保護(hù)層A在腹板延長(zhǎng)線附近出現(xiàn)平行于腹板平面的裂縫，保護(hù)層B在翼緣的延長(zhǎng)線附近出現(xiàn)裂縫，裂縫與翼緣平面成一定角度，裂縫示意圖見(jiàn)圖2；對(duì)保護(hù)層A厚度較大(80 mm)的試件，保護(hù)層A未出現(xiàn)上述裂縫。由于裂縫形狀不規(guī)則，且本次試驗(yàn)中保護(hù)層外圍緊密包裹著保溫毯及電纜，裂縫出現(xiàn)后保護(hù)層混凝土與夾持區(qū)混凝土之間仍存在機(jī)械咬合力，混凝土保護(hù)層對(duì)型鋼的熱膨脹變形仍有約束作用，不利于型鋼與混凝土的分離。待試件冷卻后，拆除保溫毯解除保溫毯及電纜的約束后，保護(hù)層A便直接脫落。若保護(hù)層外圍未包裹保溫毯，保護(hù)層A側(cè)面有足夠的的自由空間，在拆除過(guò)程中保護(hù)層A也有望直接脫落，便可解除保護(hù)層對(duì)型鋼熱膨脹變形的約束作用，有利于型鋼與混凝土的分離。

無(wú)保護(hù)層試件型鋼溫度為450 ℃左右時(shí)，型鋼翼緣與其夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙；有保護(hù)層試件型鋼溫度為500 ℃左右時(shí)，型鋼翼緣與其夾持區(qū)混凝土產(chǎn)生縫隙。感應(yīng)加熱時(shí)感應(yīng)線圈纏繞在包圍在試件上的保溫毯外圍，保護(hù)層的存在使得有保護(hù)層試件的感應(yīng)線圈與型鋼之間的間隙變大，將增大漏磁，降低感應(yīng)加熱效率[24]，導(dǎo)致有保護(hù)層試件型鋼升溫較慢，型鋼翼緣和夾持區(qū)混凝土之間產(chǎn)生縫隙所需的溫度也較高。切割后的有保護(hù)層試件型鋼溫度為500 ℃左右時(shí)，保護(hù)層混凝土在自重作用下滑落，表明此時(shí)保護(hù)層混凝土與型鋼之間的化學(xué)膠結(jié)力已經(jīng)被破壞。

無(wú)保護(hù)層試件和切割后的有保護(hù)層試件型鋼加熱到約700 ℃時(shí)，型鋼夾持區(qū)混凝土在自重作用下滑落，向上吊離型鋼即可實(shí)現(xiàn)型鋼與混凝土的分離。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，保護(hù)層對(duì)于型鋼與感應(yīng)線圈之間間隙的增大作用，對(duì)SRC試件的最終拆除效果影響不大。

有保護(hù)層試件的保護(hù)層對(duì)型鋼膨脹變形的有一定的約束作用，感應(yīng)加熱過(guò)程中型鋼可將翼緣保護(hù)層混凝土脹裂。保護(hù)層厚度較薄(30 mm、50 mm)時(shí)，保護(hù)層沿保護(hù)層中部出現(xiàn)垂直于型鋼翼緣的裂縫，保護(hù)層被破碎成較小的塊體；保護(hù)層厚度較厚(80 mm)時(shí)，保護(hù)層沿型鋼翼緣角部出現(xiàn)斜裂縫，分離所得的混凝土保護(hù)層較為完整。除H13外，未機(jī)械切割的有保護(hù)層試件，在加熱到700 ℃并持續(xù)加熱后仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)型鋼與夾持區(qū)混凝土的分離，在二次加熱后型鋼可與夾持區(qū)混凝土分離。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，保護(hù)層對(duì)于型鋼的約束作用對(duì)拆除效果的影響較大。

對(duì)于有保護(hù)層混凝土的試件，感應(yīng)加熱拆除過(guò)程中型鋼可脹裂部分混凝土保護(hù)層，但由于裂縫形狀不規(guī)則，裂縫兩側(cè)混凝土之間仍存在咬合力。外圍保溫毯對(duì)于保護(hù)層混凝土的包裹作用，進(jìn)一步增大了裂縫兩側(cè)混凝土之間的咬合力，從而使得開(kāi)裂部分混凝土對(duì)于型鋼的膨脹仍有約束作用。同時(shí)，保溫毯與保護(hù)層混凝土之間的摩擦力，也使得保護(hù)層混凝土開(kāi)裂后難以脫離。因此，在今后的試驗(yàn)中，不宜再使用保溫毯緊密包裹SRC試件，應(yīng)為混凝土保護(hù)層提供一定的空間，以便于混凝土的脫落。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 無(wú)保護(hù)層試件試驗(yàn)結(jié)果分析

為研究感應(yīng)加熱分離過(guò)程中無(wú)保護(hù)層試件在型鋼截面的溫度分布，以及試件同一截面上型鋼和混凝土之間的溫度差，通過(guò)熱電偶測(cè)量了感應(yīng)加熱過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)位置處的溫度時(shí)程曲線，6根無(wú)保護(hù)層SRC試件溫度時(shí)程曲線見(jiàn)圖10。測(cè)點(diǎn)編號(hào)與“試件設(shè)計(jì)”中熱電偶編號(hào)相對(duì)應(yīng)，其中測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)3測(cè)量型鋼溫度，測(cè)點(diǎn)4測(cè)量混凝土溫度。

由圖10可知：在同一試件內(nèi)型鋼上不同測(cè)點(diǎn)處溫度時(shí)程曲線形狀基本一致，表明各測(cè)點(diǎn)升溫規(guī)律基本相同，同一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)間溫度差異不大。在感應(yīng)加熱分離過(guò)程中混凝土溫度基本成線性升高，但升溫速率遠(yuǎn)小于型鋼的升溫速率。

圖10 無(wú)保護(hù)層試件溫度時(shí)程曲線Fig.10 Temperature time history curve of specimens without protective layers

為進(jìn)一步分析感應(yīng)加熱分離無(wú)保護(hù)層SRC試件時(shí)型鋼的升溫規(guī)律，取各個(gè)試件型鋼上測(cè)點(diǎn)的最高溫度，繪出無(wú)保護(hù)層SRC試件型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度的溫度時(shí)程曲線圖，見(jiàn)圖11。

由圖11可知：感應(yīng)加熱無(wú)保護(hù)層SRC試件時(shí)，型鋼溫度的總體趨勢(shì)是隨加熱時(shí)間的增加呈線性增加，但由于保溫毯包裹的密實(shí)性、電纜纏繞的間距存在差別，數(shù)據(jù)有一定的離散型。型鋼溫度在450 ℃以下時(shí)試件升溫較快，約為30 ℃/min～50 ℃/min；當(dāng)型鋼溫度達(dá)到450 ℃～700 ℃時(shí)，試件溫升變慢，約為20 ℃/min～30 ℃/min；當(dāng)型鋼溫度達(dá)到700 ℃左右時(shí)，型鋼溫度上升的趨勢(shì)減慢。將無(wú)保護(hù)層SRC試件內(nèi)型鋼加熱到700 ℃大約需要1300 s。

圖11 無(wú)保護(hù)層試件型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫溫度時(shí)程曲線Fig.11 Time history curve of highest temperature of steel measuring point of unprotected specimens

混凝土與型鋼能否分離由沿腹板高度方向上型鋼與其二翼緣間混凝土的膨脹差控制，膨脹差為沿腹板高度方向上型鋼的膨脹量與混凝土的膨脹量的差值，基于無(wú)保護(hù)層試件的溫度時(shí)程曲線可以計(jì)算得到型鋼與其二翼緣間混凝土膨脹差隨溫度變化規(guī)律，見(jiàn)圖12。由圖12可知，膨脹差隨溫度基本成線性增加，除H5之外，各試件的膨脹差溫度曲線基本重合。

圖12 無(wú)保護(hù)層試件膨脹差與型鋼溫度關(guān)系Fig.12 Relationship between expansion difference of unprotected specimens and steel temperature

無(wú)保護(hù)層試件型鋼與混凝土分離時(shí)膨脹差與型鋼溫度見(jiàn)表3。由表3可得，型鋼翼緣寬度為200 mm的試件(H6)與翼緣寬度為300 mm的試件(H1～H4)的型鋼和混凝土分離時(shí)膨脹差基本相同；型鋼腹板高度為400 mm的試件(H5)與腹板高度為300 mm的試件(H1～H4)的型鋼和混凝土分離時(shí)膨脹差差異稍大。即型鋼與混凝土分離所需的膨脹差主要與試件內(nèi)型鋼的腹板高度有關(guān)，型鋼翼緣寬度對(duì)型鋼與混凝土分離所需的膨脹差的影響較小。

表3 無(wú)保護(hù)層試件型鋼與混凝土分離時(shí)膨脹差和型鋼溫度Table 3 Expansion difference and temperature of steel in unprotected specimens

3.2 有保護(hù)層試件試驗(yàn)結(jié)果分析

同樣為研究感應(yīng)加熱分離過(guò)程中有保護(hù)層試件在型鋼截面方向的溫度分布，以及試件同一截面上型鋼和混凝土之間的溫度差，通過(guò)熱電偶測(cè)量了感應(yīng)加熱過(guò)程中不同測(cè)點(diǎn)位置處的溫度時(shí)程曲線，8根無(wú)保護(hù)層SRC試件溫度時(shí)程曲線見(jiàn)圖13。

由圖13可知：與無(wú)保護(hù)層試件類似，在同一有保護(hù)層試件內(nèi)型鋼各測(cè)點(diǎn)升溫規(guī)律基本相同，H7、H9、H12、H13和H14內(nèi)型鋼各點(diǎn)溫度曲線基本重合，同一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)間溫度差異不大。在感應(yīng)加熱分離過(guò)程中混凝土溫度基本呈線性升高，但升溫速率遠(yuǎn)小于型鋼的升溫速率。

圖13 有保護(hù)層試件溫度時(shí)程曲線Fig.13 Temperature time history curve of specimens with protective layers

為分析感應(yīng)加熱有保護(hù)層SRC試件時(shí)型鋼的升溫規(guī)律，取各個(gè)試件型鋼上測(cè)點(diǎn)的最高溫度繪出有保護(hù)層SRC試件型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫度的溫度時(shí)程曲線圖，見(jiàn)圖14。

由圖14可知：在型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫為500 ℃以下時(shí)試件升溫較快，約為30 ℃/min～50 ℃/min；當(dāng)型鋼溫度達(dá)到500 ℃以上時(shí)，試件溫升變慢，為20 ℃/min～30 ℃/min；當(dāng)型鋼溫度達(dá)到約700 ℃，型鋼溫度上升的趨勢(shì)減慢。將無(wú)保護(hù)層SRC試件內(nèi)型鋼加熱到700 ℃大約需要2000 s。與無(wú)保護(hù)層試件相比，有保護(hù)層試件內(nèi)型鋼升溫速率相對(duì)較小，且不同有保護(hù)層試件內(nèi)型鋼溫時(shí)程曲線間離散型較大。

圖14 有保護(hù)層試件型鋼測(cè)點(diǎn)最高溫溫度時(shí)程曲線Fig.14 Time history curve of maximum temperature of steel measuring point with protective layers

基于有保護(hù)層試件的溫度時(shí)程曲線可以計(jì)算得到型鋼與其二翼緣間混凝土膨脹差隨溫度變化規(guī)律，見(jiàn)圖15。由圖15可知，膨脹差隨溫度增加基本成線性增加，各試件的膨脹差溫度曲線基本重合。保護(hù)層厚度對(duì)膨脹差隨型鋼溫度的變化影響較小。

圖15 有保護(hù)層試件膨脹差與型鋼溫度關(guān)系Fig.15 Relationship between expansion difference of specimens with protective layers and steel temperature

有保護(hù)層試件型鋼與混凝土分離時(shí)膨脹差與型鋼溫度見(jiàn)表4。由表4可知，不同保護(hù)層厚度的試件型鋼與其二翼緣間混凝土分離時(shí)膨脹差接近，即保護(hù)層厚度對(duì)型鋼與混凝土分離時(shí)膨脹差的影響較小。

表4 有保護(hù)層試件型鋼與混凝土分離時(shí)膨脹差和型鋼溫度Table 4 Expansion difference and temperature of steel in specimens with protective layers

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開(kāi)展了14 個(gè)型鋼混凝土試件的感應(yīng)加熱破碎試驗(yàn)，驗(yàn)證了感應(yīng)加熱破碎型鋼混凝土構(gòu)件的可行性，重點(diǎn)研究了感應(yīng)加熱破碎過(guò)程中型鋼與混凝土的溫升規(guī)律以及型鋼與混凝土之間膨脹變形差隨構(gòu)件溫度的變化規(guī)律，揭示了型鋼翼緣寬度、腹板高度和保護(hù)層厚度等參數(shù)對(duì)感應(yīng)加熱分離效果的影響規(guī)律，得出的主要結(jié)論如下：

1)感應(yīng)加熱破碎型鋼混凝土構(gòu)件時(shí)，不同試件型鋼溫升曲線相似。在本文試驗(yàn)條件下有保護(hù)層SRC試件和無(wú)保護(hù)層SRC試件，型鋼溫度在450 ℃以下時(shí)，型鋼升溫較快，約為30 ℃/min～50 ℃/min；當(dāng)型鋼溫度在450 ℃～700 ℃時(shí)，型鋼升溫變慢，約為20 ℃/min～30 ℃/min；當(dāng)型鋼溫度達(dá)到700 ℃后，型鋼升溫趨勢(shì)減慢；有保護(hù)層試件內(nèi)型鋼升溫速率稍小于無(wú)保護(hù)層試件。

2)感應(yīng)加熱破碎型鋼混凝土構(gòu)件試驗(yàn)中，14根SRC試件的型鋼與其二翼緣間混凝土之間的膨脹變形差變化規(guī)律基本相同。隨著溫度的增加，型鋼與其二翼緣間混凝土的膨脹差隨型鋼溫度呈線性增加；當(dāng)型鋼溫度高于700 ℃之后，型鋼與混凝土的膨脹變形差的變化減慢。

3)在本文試驗(yàn)條件下，感應(yīng)加熱破碎SRC試件時(shí)，型鋼與混凝土分離所需的膨脹差主要與試件內(nèi)型鋼的腹板高度有關(guān)，保護(hù)層厚度與型鋼翼緣寬度對(duì)型鋼與混凝土分離時(shí)所需膨脹差的影響較小。當(dāng)型鋼腹板高度為300 mm，膨脹差不小于1.80 mm時(shí)，可方便型鋼與其所轄混凝土的分離；當(dāng)型鋼腹板高度為400 mm，膨脹差不小于2.12 mm時(shí)，可方便型鋼與其所轄混凝土的分離。

4)混凝土保護(hù)層增大了型鋼與感應(yīng)線圈之間的間隙，降低了感應(yīng)加熱效率和型鋼升溫速率，使得在利用相同功率感應(yīng)加熱破碎型鋼混凝土構(gòu)件時(shí)型鋼翼緣和夾持區(qū)混凝土之間產(chǎn)生縫隙所需的溫度升高；在本文試驗(yàn)條件下，該間隙對(duì)SRC試件的最終拆除效果影響不大。

5)感應(yīng)加熱破碎型鋼混凝土構(gòu)件試驗(yàn)中，保護(hù)層對(duì)于型鋼的約束作用，對(duì)SRC試件的最終拆除效果的影響較大。感應(yīng)加熱拆除時(shí)不宜緊密包裹保溫毯，應(yīng)為混凝土保護(hù)層提供一定的空間，以便于混凝土的脫落，解除保護(hù)層對(duì)型鋼的約束作用。