單跨組合梁火災變形性能研究

呂俊利，董毓利，楊志年

(1.哈爾濱工業大學 土木工程學院，150090 哈爾濱，LJL1978@163.com;2.山東建筑大學山東省建筑結構鑒定加固與改造重點實驗室，250101 濟南)

單跨組合梁火災變形性能研究

呂俊利1，2，董毓利1，楊志年1

(1.哈爾濱工業大學 土木工程學院，150090 哈爾濱，LJL1978@163.com;2.山東建筑大學山東省建筑結構鑒定加固與改造重點實驗室，250101 濟南)

為研究整體結構中組合梁在火災中的的變形性能，采用試驗方法對2個組合梁進行研究，考慮組合梁在整體結構中所處位置的不同2種工況.試驗中量測了爐溫、組合梁沿截面高度不同測點的溫度、組合梁的豎向變形.結果表明:在火災試驗過程中，組合梁同一截面存在較大的溫度梯度，產生溫度應力，而相鄰構件的約束使得組合梁不能自由變形，以致組合梁的豎向變形在升溫階段就開始恢復，最后產生向上的變形;組合梁在整體結構中所處位置不同，其火災變形性能也不同.整體結構中裸露的組合梁表現出很好的抗火性能.

鋼結構框架樓;組合梁;試驗;火災

鋼材的力學性能指標和彈性模量在高溫下迅速降低，直接裸露在高溫下的鋼結構易發生破壞.因此，鋼結構建筑物在進行設計時需要依據構件的耐火極限要求，采取相應的防火保護措施.實際鋼結構建筑中樓板多采用現澆混凝土樓板，樓板與鋼梁通過栓釘連接形成混凝土-鋼組合梁.這種組合梁結構充分利用了鋼材和混凝土的力學性能，受力合理且具有整體剛度大、施工方便等優點.國內學者［1-7］普遍認為裸露組合梁由于混凝土的吸熱作用，鋼梁溫度明顯低于無混凝土時裸露鋼構件的溫度，其抗火性能有較大改善，但試驗對象僅限于單一構件或子結構模型.

實際結構中組合梁與其他構件連接在一起，其變形要受到與之相連構件的約束，而且鋼梁之上的混凝土板在樓板平面內剛度無限大，可以有效抑制組合梁的變形.毫無疑問，實際結構中組合梁在火災中的變形性能不同于單一構件在火災中的變形性能.目前，國內學者未對整體結構中的構件在火災中的變形性能進行試驗研究和可靠的理論分析.國外學者［8-11］對此進行了一些有益的探索，Wang［8，10］，Bailey 等［9］在 Cardington 對一棟5×3跨的8層鋼結構框架樓進行了一系列火災試驗，其中試驗之一是針對9 m跨組合梁進行的火災試驗，組合梁在試驗中跨中撓度達到了232 mm而未破壞，試驗結束后恢復到113 mm，該試驗表明整體結構中組合梁在火災中具有很好的抗火性能，該試驗中樓板形式為壓型鋼板組合樓板.

作者對3×3跨3層鋼結構框架樓中不同位置的2個單跨組合梁在火災作用下的變形性能進行了試驗研究，鋼框架樓采用現澆混凝土樓板.

1 試驗方案

1.1 鋼結構框架樓

鋼結構框架樓一層層高3.5 m，二、三層層高3.0 m，柱跨度4.5 m，結構平面、樓板配筋及構造等情況見圖1.鋼梁、鋼柱截面形式采用多高層鋼結構建筑中常用的H形截面，鋼柱采用HW200×200×8×12型鋼，鋼梁采用 HN250×125×6×9型鋼，均為萊蕪鋼鐵股份有限公司生產，樓板采用現澆混凝土樓板，板厚120 mm，鋼梁頂設圓柱形栓釘?16@200.混凝土采用商品混凝土，立方體強度33.3 MPa.梁柱節點的連接在加工廠等強度熔焊，鋼梁在施工現場與鋼柱連接的拼接接點距離鋼柱軸線300 mm，拼接接點上下翼緣現場焊接，腹板通過高強螺栓連接，接點見圖2，全樓整體見圖3.

圖1 一～三層結構平面(mm)

1.2 試驗目的及試驗裝置

為研究組合梁在正常使用狀態下的火災變形性能以及相臨構件對組合梁火災行為的不同約束程度，對框架樓中不同位置的2個單跨組合梁進行火災試驗研究，工況2在工況1完成后進行，由于單跨組合梁試驗時，僅對組合梁升溫，梁柱節點和柱不受火，故先完成的工況1試驗可以認為對工況2試驗沒影響，具體情況見表1.

圖2 梁柱拼接接點(mm)

圖3 試驗樓外貌

表1 組合梁基本情況

試驗前樓面按照設計荷載2 kN/m2用砂袋加均布荷載.工況1設計建造試驗爐尺寸為爐長4.2 m、寬 1.2 m、高 1.3 m，鋼梁拼接接點位于爐體內受火，爐壁距柱邊預留50 mm空隙.工況2設計建造的試驗爐尺寸為爐長3.6 m、寬1.2 m、高1.3 m，鋼梁拼接接點位于爐體外不受火，圖4是試驗爐示意圖.2種工況下的爐壁頂與混凝土樓板底預留100 mm空隙，填充可以壓縮的硅酸鋁面氈，保證試驗過程中鋼梁和混凝土板可以向下撓曲變形.加溫系統由4個燃油燃燒器組成，沿爐體長度方向每側2個，交錯布置于爐體五等分點上.

圖4 試驗爐裝置示意

1.3 試驗測試內容及測試位置

爐體內煙氣溫度，在爐體內三等分點處設置2個測點;組合梁在四等分點處沿截面高度的溫度場;組合梁在四等分點處的豎向變形.

2 試驗結果分析

2.1 溫度場分析

圖5為工況一和工況二爐溫和組合梁同一截面不同測點的溫度與時間的關系曲線，所注距離為熱電偶所處位置，規定鋼筋混凝土樓板上表面為零點，向下算起.混凝土樓板厚度為120 mm，當距離超過這個厚度時，表明測試熱電偶已不在混凝土板中，而是位于H型鋼梁的腹板或翼緣上，如370 mm曲線表示溫度測試點距離混凝土板上表面370 mm，即鋼梁下翼緣的溫度與時間關系曲線.

由圖5可知，試驗爐很好地模擬了建筑火災轟燃之后，火災充分發展階段快速升溫的特點，表明所設計的試驗爐能夠滿足試驗的預定目的.

圖5曲線表現出相同的規律:試驗開始之后，裸露的鋼梁溫度隨爐溫的快速升高而快速升高，表現出和爐溫基本一致的升溫曲線;但混凝土樓板溫度明顯滯后，原因有:混凝土導熱系數小，有效阻滯了溫度的傳導;當溫度達到100℃之后，混凝土中的結晶水開始蒸發，消耗掉部分熱量;整體結構中混凝土樓板吸收部分熱量.停止升溫之后，鋼梁溫度隨爐溫的快速降低而降低，而混凝土樓板不同厚度處的溫度呈現出不同的現象，具體表現為:80、100 mm處混凝土溫度隨爐溫的快速降低呈現出降低趨勢，20、40、60 mm處混凝土溫度隨爐溫的降低呈現出繼續升高的趨勢，最后各條溫度曲線趨向相同.這是由于停止升溫后，同一截面混凝土樓板不同厚度的溫度梯度較大，存在一個熱傳遞的過程.

圖5 CB1和CB2截面溫度爐溫與時間曲線

2.2 組合梁變形性能對比分析

試驗過程中量測了組合梁在四等分點截面的豎向變形，分別記為1/4 L、2/4 L、3/4 L.規定豎向位移以向下為正，向上為負.圖6為 CB1和CB2整個試驗過程中的豎向變形與時間的關系曲線.對于CB1，試驗開始之后，隨著溫度的升高組合梁產生向下的變形，如在24 min時2/4 L處豎向位移達到最大值17.60 mm，此時爐內溫度是557.7℃，之后爐內溫度繼續升高，而組合梁的豎向變形并沒有繼續增大，而是開始恢復，122 min停止升溫，此時組合梁2/4 L處的豎向變形是11.68 mm，在停止升溫后的 58 min，2/4 L處豎向變形恢復到初始位置，之后變形并未停止，產生向上的位移.對于CB2，試驗開始之后，隨著溫度的升高組合梁產生向下的變形，在50 min時，組合梁2/4 L處截面達到最大豎向位移27.6 mm，此時爐內溫度是817.3℃，之后爐內溫度繼續升高，而組合梁的豎向變形同樣開始恢復，在136 min停止升溫，爐溫開始下降，此時組合梁2/4 L處14.80 mm，在停止升溫后的 37.6 min，2/4 L 處豎向變形恢復到初始位置，之后變形并未停止，最后產生向上的位移.

從2種工況組合梁的整個變形過程看，CB2豎向變形更復雜，變形變化更劇烈，而2種組合梁的連接構造和升降溫過程是一樣的，所不同的是在整體結構中所處的位置不同，CB2位于整體結構的中部，受到周邊構件的約束程度要比CB1所受到的約束更強.

圖6 CB1和CB2豎向變形與時間的關系曲線

文獻［7］進行了四榀組合鋼框架的試驗研究，采用的鋼柱和鋼梁的生產廠家和截面尺寸均與本文相同，僅鋼梁跨度為 3.6 m.文獻［7］中KJ1-B組合梁構造形式和受火工況與本文也相同，文獻結果表明KJ1-B在受火后即產生向下的變形，達到最大值29.07 mm后，變形有一定程度恢復，但并未出現反向變形.其最大豎向變形明顯大于本文最大豎向變形17.60 mm(本文組合梁跨度4.5 m).可見，整體結構中的組合梁由于受到相鄰構件的約束，呈現出優于模型試驗的抗火性能.

圖7為2種工況在3個不同瞬時(組合梁跨中截面第一次達到最大變形量時、停止升溫時、降溫一段時間后)的豎向位移測點測量值的連線，水平軸表示組合梁的初始位置，圖中規定測量值向下為負，向上為正，以其連線來刻畫組合梁的撓曲變形示意圖.可以看出工況2組合梁在火災過程中撓曲變形更復雜，具體表現在同一瞬時，梁跨度范圍內不同截面出現了2個方向的變形，而工況1組合梁并未出現該現象.這說明工況2組合梁受到了很大的軸力作用，而這個軸力正是組合梁受到火災作用后相鄰構件與組合梁相互約束產生的.

圖7 CB1和CB2瞬時變形圖

3 結論

1)火災升溫階段，組合梁混凝土部分溫度滯后鋼梁溫度，由于溫度梯度的存在會產生較大溫度應力，正是此溫度應力的存在使得組合梁撓曲變形在升溫階段就開始恢復.火災降溫階段，溫度梯度仍會存在較長時間，最后同一截面不同測點溫度趨向相同，組合梁的變形繼續恢復，恢復到試驗前的初始位置之后，產生向上的變形.

2)組合梁在整體結構中所處的位置不同，受到其他周邊構件的約束程度也不同，在火災中表現出不同的抗火性能.

3)整體結構中組合梁的火災行為不同于構件試驗中組合梁的火災行為，表現出更好的抗火性能.

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Deformation investigation of single-span composite beam subjected to fire

Lü Jun-li1，2，DONG Yu-li1，YANG Zhi-nian1

(1.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，LJL1978@163.com;2.Shangdong Provincial Key Lab of Appraisal and Retrofitting in Building Structures，Shandong Jianzhu University，250101 Jinan，China)

To study the deformation performance of composite beam in whole structure subjected to fire，we have carried out two fire experiments of composite beams considering different working conditions in whole structure.The furnace temperature and the temperature of different points in the same section were measured，as well as the vertical deformations at different sections were detected during the experiment.The results showed that:in the fire tests，the composite beams across the same section had a big temperature gradient，which generated thermal stress.However the composite beams couldn’t deform freely because of adjacent components，the vertical deformation of composite beam began to recover in the warming phase and was upward finally;The fire behaviors of different composite beams in whole structure was different.Exposed composite beam in whole structure shows the good fire resistance.

steel framed buildings;composite beam;experiment;fire

TU392

A

0367-6234(2011)08-0016-05

2010-03-26.

國家自然科學基金資助項目(50878069).

呂俊利(1978—)，男，講師，博士研究生;

董毓利(1965—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 趙麗瑩)