火災(zāi)后地鐵站圓鋼管混凝土柱軸壓性能試驗研究

摘要：為了研究高溫或火災(zāi)后圓鋼管混凝土柱軸壓力學(xué)性能，文章采用溫度、混凝土強度、長細比等參數(shù)，設(shè)計了圓鋼管混凝土試件經(jīng)高溫后進行軸壓試驗，研究試件在高溫后的破壞形態(tài)，獲取了荷載-位移全過程曲線，并對影響鋼管混凝土試件軸壓性能的因素進行了分析。研究結(jié)果表明：試件表觀顏色隨溫度升高逐漸加深;高溫后圓鋼管混凝土試件加載初期抗壓強度增速一致;混凝土強度與試件抗壓強度成正比;溫度與試件抗壓強度成反比，800 ℃時最低;長細比對試件抗壓強度影響較為明顯。

關(guān)鍵詞：火災(zāi);高溫;地鐵;鋼管混凝土;軸壓性能

0 引言

圓鋼管混凝土是指在圓鋼管中填充混凝土共同協(xié)調(diào)受力的組合結(jié)構(gòu)，具有承載能力高、塑性好、剛度大、耐火性好、經(jīng)濟、施工方便等一系列優(yōu)點，因此在超高層建筑、橋梁、地鐵車站等重要工程中應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。2018年，我國地鐵車站總數(shù)超過4 000座，由于地鐵車站修建在地下，為了提高空間利用率，大多數(shù)地鐵站往往采用鋼管混凝土柱來代替鋼筋混凝土柱，鋼管混凝土柱的承載力高、斷面尺寸小，很適合于地鐵車站及其他需提高空間利用率的建筑。

對于圓鋼管混凝土柱的軸心受壓承載力研究已經(jīng)取得了較為豐碩的成果，早期，鐘善桐等[3-4]研究了鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件承載力計算方法，為我國的鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)承載力計算做出了重要貢獻;李娜[5]等研究了自密實圓鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件承載力，觀察了其破壞形態(tài)、荷載曲線等，最后提出了自密實圓鋼管混凝土柱的承載力計算公式;陳宗平等[6-7]研究了高溫后鋼管再生混凝土的破壞形態(tài)，獲取了荷載破壞曲線，提出了高溫后再生混凝土、型鋼混凝土的軸心受壓承載力計算方法。本文課題組通過完成10個試件的升溫、軸心受壓試驗過程，研究了高溫后圓鋼管混凝土柱軸壓性能，為今后的設(shè)計、維修加固提供理論依據(jù)。

1 試驗簡介

1.1 試驗設(shè)計與試件制作

試件以歷經(jīng)溫度、長細比、混凝土強度這三個參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了3組共10個圓鋼管混凝土試件。其中，試件中的鋼管采用壁厚為4 mm、165 mm的直焊縫圓鋼管，在試件制作前后未對鋼管進行任何的防火及其他處理。試件設(shè)計的具體方案如表1所示，試件的幾何尺寸與參數(shù)如圖1所示。

試件制作時，首先對鋼管進行平整度處理，確保鋼管在豎直狀態(tài)下的受力均衡。為了試驗的方便與直觀，在試驗過程中將上端稱為固定端，而另一端則稱為加載端。

1.2 試驗材料

本次試驗的混凝土采用海螺牌P·O42.5普通硅酸鹽水泥、河砂、5～25 mm的碎石等材料配制、拌和而成。混凝土配合比如表2所示。本次試驗預(yù)留了混凝土試塊，并且保證了試塊與試件在澆筑、養(yǎng)護等方面條件一致，并完成了對混凝土試塊的抗壓強度測試，得出了C30、C40、C50混凝土在常溫下抗壓強度分別為39.3 MPa、62.9 MPa、66.8 MPa。

1.3 高溫設(shè)備及試驗方法

考慮到火災(zāi)燃燒的隨機性、不可控性，升溫采用RX3-45-9箱式工業(yè)電阻爐模擬四面受火燃燒的火災(zāi)現(xiàn)場。電阻爐自帶加熱溫控系統(tǒng)及溫度傳感器，電阻爐極限溫度為950 ℃，是自動控制升溫設(shè)備。

試件按照不同溫度依次放置于電阻爐內(nèi)進行升溫，至目標溫度后再恒溫60 min后，關(guān)閉電源、打開爐門進行自然冷卻。試件溫度上升曲線變化如圖2所示。

1.4 軸壓試驗方案

試件升溫、自然冷卻至常溫后，采用千噸液壓試驗機進行加載試驗。加載裝置如圖3所示。為了保證儀器的正常工作和數(shù)據(jù)的精準，減小試驗誤差，通常在每次正式試驗之前，對試件進行預(yù)加載試驗和卸載，最后才開始正式試驗。試驗速率為2 mm/min，試驗設(shè)備自動獲取荷載-位移曲線。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件表觀形態(tài)

常溫時試件顏色為棕色，隨著溫度的升高試件表面的顏色逐漸加深，在800 ℃時變?yōu)楹谏Ｍ瑫r試件在高溫情況下體積增大，超出鋼管底部，核心混凝土與鋼管間縫隙明顯，如圖4所示。

2.2 軸壓破壞過程及形態(tài)

試件在加載初期，外觀變化不明顯，承載力增速較緩;持續(xù)加載，試件軸向荷載增速逐漸變大，呈直線上升趨勢，試件的外觀開始出現(xiàn)變形，表面呈現(xiàn)輕微的凸凹不平;達到峰值荷載后，隨著位移的增大，荷載保持穩(wěn)定，此時試件表面變形明顯，出現(xiàn)較大鼓曲。如圖5所示。

2.3 荷載-位移曲線

試件荷載-位移全過程曲線如圖6所示，分為上升段、下降段、近似水平段。

3 軸壓性能影響因素分析

3.1 混凝土強度影響

混凝土不同強度對試件軸壓性能的影響如圖7所示。

從圖7可知，C30、C40、C50混凝土在加載初期荷載-位移曲線基本一致，承載能力的增速接近;隨著試件位移的增大，不同試件出現(xiàn)荷載峰值，無論目標溫度是20 ℃、400 ℃還是800 ℃，曲線總體表現(xiàn)一致，C30、C40、C50混凝土試件的抗壓強度依次增大，與混凝土試塊抗壓強度保持一致。

3.2 溫度影響

不同溫度對試件軸壓性能的影響如圖8所示。

由圖8可知，試件抗壓強度與溫度高低呈反比，800 ℃時抗壓強度最低;C40混凝土試件由20 ℃升高至800 ℃時，抗壓強度降低42.4%;C50混凝土試件由20 ℃升高至800 ℃時，抗壓強度降低40.7%。

3.3 長細比影響

長細比對試件軸壓性能的影響如圖9所示。

由圖9可知，長細比與試件抗壓強度呈反比例關(guān)系，對于C30混凝土試件，L=440比L=275試件的抗壓強度降低了42.5%。

4 結(jié)語

（1）高溫后試件的表觀顏色逐漸加深，800 ℃時變?yōu)楹谏?試件的加載初期，不論強度、溫度如何變化，抗壓強度增速一致。

（2）混凝土強度與高溫后試件的抗壓強度成正比，C50混凝土試件強度最大，C30最小。

（3）溫度對抗壓強度的影響明顯，20 ℃的試件升高至800 ℃時，抗壓強度降低了40%左右。

（4）長細比對抗壓強度的影響明顯，長細比從2.667降到1.667時，抗壓強度提高了42.5%。

參考文獻：

[1]韓林海，楊有福.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]蔡紹懷.現(xiàn)代鋼管混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]鐘善桐，王用純.鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件計算理論的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1980（1）：61-71.

[4]鐘善桐，苗若愚.鋼管混凝土軸心受壓構(gòu)件承載力計算的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，1984（6）：38-48.

[5]李 娜，盧亦焱，李 杉，等.圓鋼管自應(yīng)力自密實混凝土短柱軸心受壓性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2019（11）：162-171.

[6]陳宗平，周春恒，李 伊.高溫后再生混凝土力學(xué)性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2017，38（12）：105-113.

[7]陳宗平，周春恒，譚秋虹.高溫后型鋼再生混凝土柱軸壓性能及承載力計算[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2015，36（12）：70-81.

作者簡介：謝旺軍（1985—），工程碩士，講師，工程師，主要從事鋼管混凝土組合結(jié)構(gòu)研究工作。

基金項目：2018年度廣西高校中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目（2018KY1024）;國家自然科學(xué)基金項目（51578163）;“八桂學(xué)者”專項經(jīng)費資助項目