鋼骨-鋼管高強混凝土柱抗火性能試驗研究

朱思懿,朱美春,鄭麗蘭,楊靜樺,王綠儀

(上海師范大學 建筑工程學院,上海 201418)

國內(nèi)外學者對鋼管混凝土力學性能和設(shè)計方法開展了深入細致的研究工作,取得豐碩成果[1].研究表明,鋼管混凝土柱具有承載力高、塑性好、抗震性能好等優(yōu)點,但其耐火性能不如鋼骨混凝土柱,需要進行防火保護[1-3].由此,加拿大學者Lie和Kodur等人[4-8]提出在鋼管內(nèi)放置鋼筋或鋼纖維的方法來提高鋼管混凝土柱的耐火能力.

圖1 鋼骨-鋼管高強混凝土柱試件示意圖

鋼骨-鋼管高強混凝土柱是一種重載柱設(shè)計的新模式,是在鋼管內(nèi)填充高強混凝土和型鋼而形成.研究表明該組合柱具有很高的承載力和良好的延性[9-10],特別適合在高地震烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用.除了優(yōu)越的抗震性能以外,鋼骨-鋼管高強混凝土柱還具有良好的耐火性能.雖然可以預見鋼骨-鋼管高強混凝土組合柱具有良好的耐火性能,但是相關(guān)的研究還未見文獻報道.本文作者擬通過試驗方法對鋼骨-鋼管高強混凝土柱的抗火性能進行研究.

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗共包含兩個試件,其中鋼骨-圓鋼管高強混凝土柱的截面形式如圖1所示,圓鋼管高強混凝土柱的混凝土內(nèi)沒有型鋼,其他尺寸相同.圓鋼管和鋼骨均采用Q345B鋼,鋼管外徑為300 mm,壁厚為8 mm,長度為1800 mm,鋼骨采用H型鋼.試件內(nèi)填C55高強混凝土,沒有進行防火保護.試驗荷載比取為0.4(試驗荷載與常溫極限承載力的比值),其中常溫下試件的極限承載力采用文獻[1]中對鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的承載力設(shè)計公式確定,經(jīng)計算鋼骨-鋼管高強混凝土柱的試驗荷載為2800 kN,鋼管高強混凝土柱的試驗荷載為1720 kN.

1.2 試件制作

圖2 試件加載全貌

對于鋼骨-鋼管高強混凝土柱,先將工字鋼焊接在底板上,然后再將圓鋼管焊在底板上,底板、工字鋼和圓鋼管三者要嚴格保證幾何對中.對于鋼管高強混凝土柱,將圓鋼管焊在底板上,保證幾何對中.混凝土采用分層灌入法,并用φ50振搗棒伸入鋼管內(nèi)部振搗,混凝土采用自然養(yǎng)護.試驗前將試件表面磨平,然后焊上蓋板,以保證鋼管、鋼骨和核心混凝土在受荷初期就能共同受力.在試件兩端鋼管與端板交界處,分別設(shè)計了一個直徑為20 mm的半圓排氣孔.

1.3 試驗裝置和試驗方法

試驗在上海師范大學建筑工程學院結(jié)構(gòu)試驗室進行.試驗裝置由加載框架、千斤頂、電熱爐、油壓、供電、控制及數(shù)據(jù)采集處理等系統(tǒng)組成,試件加載全貌如圖2所示.電熱爐的平面尺寸為800 mm×800 mm×1200 mm,額定功率為90 kW,爐溫由布置在爐內(nèi)的2個S分度的熱點偶測得,溫控采用可編程的SSR智能PID控制,試件的實際受火高度為1200 mm,軸向位移通過布置在爐外的4個對稱布置的位移計測得.試驗方法及具體步驟如下:

(1) 將試件吊入爐中,定位后用螺栓將試件底板與室內(nèi)地槽連接好,試件蓋板上放置球鉸,試件兩端的邊界條件均為鉸接;

(2) 施加軸向荷載至試件的設(shè)計荷載,并持荷30 min,記錄試件在此階段發(fā)生的軸向變形;

(3) 按ISO-834標準升溫曲線進行升溫,通過人工調(diào)節(jié)保持施加在試件上的荷載穩(wěn)定不變;

(4) 當試驗接近尾聲時,試件的軸向變形急劇加快,根據(jù)ISO-834標準對柱構(gòu)件達到耐火極限時的規(guī)定,即當①構(gòu)件的軸向壓縮量達到0.01 Hmm;或②構(gòu)件的軸向壓縮速率超過0.003 Hmm/min(H為構(gòu)件的受火高度,以mm計)時,表明已達到耐火極限,即停止試驗.

圖3 爐內(nèi)升溫曲線與標準升溫曲線的對比

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 升溫曲線

圖3給出了試驗中電熱爐內(nèi)升溫曲線和ISO-834標準升溫曲線的對比,其中在燃燒前期因電熱爐內(nèi)壁吸收了較多的熱量,故升溫初期爐內(nèi)環(huán)境溫度上升較慢,在8 min后,爐體內(nèi)壁熱交換和輻射達到平衡后,與標準升溫曲線吻合良好.

2.2 破壞形態(tài)

試驗過程中,兩類組合柱的中軸線始終保持直線狀態(tài),到試驗結(jié)束時未出現(xiàn)明顯的撓曲.待試件冷卻后,發(fā)現(xiàn)兩類組合柱的破壞形態(tài)類似(圖4a和4b),構(gòu)件表面鐵皮剝落,局部產(chǎn)生明顯鼓曲(圖4c),表明構(gòu)件破壞時這些部位的混凝土已經(jīng)壓碎.

圖4 試件破壞形態(tài)

2.3 軸向變形-升溫時間曲線

圖5 試件的軸向變形-升溫時間曲線

圖5給出了兩個試件的軸向變形-升溫時間關(guān)系曲線.由圖5可知,兩類組合柱的軸向變形都經(jīng)歷了3個階段的變化:第一階段為初始膨脹變形階段.受熱初期,材料強度和彈性模量無明顯降低,受熱膨脹起控制作用,柱子出現(xiàn)隨時間增長的軸向伸長;第二階段為壓縮變形穩(wěn)定增長階段.隨受火時間的增長,柱截面的溫度逐漸升高,對應(yīng)的材料彈性模量和抗壓強度的力學參數(shù)降低,柱子的承載能力下降,壓縮變形逐漸起控制作用,這一階段壓縮變形的增長較為穩(wěn)定;第三階段為壓縮變形急劇增長的破壞階段,當鋼材和核心混凝土的溫度達到較高水平,材料的抗壓強度大幅下降,承載能力急劇降低,導致局部混凝土被壓碎,構(gòu)件發(fā)生破壞.通過兩條曲線的對比可知,在相同試驗條件下,由于鋼骨-鋼管高強混凝土柱第二階段的長度比鋼管高強混凝土柱長很多,其耐火極限可達166 min,而鋼管高強混凝土柱的耐火極限僅為46 min.這主要是由于鋼骨-鋼管高強混凝土柱中的型鋼處于截面內(nèi)部,周圍被傳熱較慢的混凝土包圍,因此升溫較慢,力學性能下降幅度小,從而在整體上提高了組合柱在高溫下的承載能力.因此,在鋼管高強混凝土柱中加入型鋼可顯著提高柱子的耐火極限和耐火性能.

3 結(jié) 論

通過有無鋼骨的鋼管高強混凝土柱的對比抗火試驗研究,可初步得到以下結(jié)論:

(1) 在相同的火災升溫和軸壓力水平作用下,鋼骨-鋼管高強混凝土柱和普通鋼管高強混凝土柱的軸向變形都經(jīng)歷初始膨脹、壓縮變形穩(wěn)定發(fā)展和壓縮變形急劇增加3個階段.

(2) 當軸壓力水平為0.4時,未進行防火保護的鋼管高強混凝土柱的耐火極限實測值為46 min,鋼骨-鋼管高強混凝土柱的耐火極限實測值為166 min,可見在鋼管高強混凝土柱中加入型鋼可顯著提高柱子的耐火性能.

參考文獻:

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[10] 朱美春,劉建新,馮秀峰.鋼骨-方鋼管高強混凝土柱抗震性能試驗研究[J].土木工程學報,2011,44(7):55-63.