单跨组合梁火灾变形性能研究

吕俊利，董毓利，杨志年

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，150090 哈尔滨，LJL1978@163.com;2.山东建筑大学山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室，250101 济南)

单跨组合梁火灾变形性能研究

吕俊利1，2，董毓利1，杨志年1

(1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，150090 哈尔滨，LJL1978@163.com;2.山东建筑大学山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室，250101 济南)

为研究整体结构中组合梁在火灾中的的变形性能，采用试验方法对2个组合梁进行研究，考虑组合梁在整体结构中所处位置的不同2种工况.试验中量测了炉温、组合梁沿截面高度不同测点的温度、组合梁的竖向变形.结果表明:在火灾试验过程中，组合梁同一截面存在较大的温度梯度，产生温度应力，而相邻构件的约束使得组合梁不能自由变形，以致组合梁的竖向变形在升温阶段就开始恢复，最后产生向上的变形;组合梁在整体结构中所处位置不同，其火灾变形性能也不同.整体结构中裸露的组合梁表现出很好的抗火性能.

钢结构框架楼;组合梁;试验;火灾

钢材的力学性能指标和弹性模量在高温下迅速降低，直接裸露在高温下的钢结构易发生破坏.因此，钢结构建筑物在进行设计时需要依据构件的耐火极限要求，采取相应的防火保护措施.实际钢结构建筑中楼板多采用现浇混凝土楼板，楼板与钢梁通过栓钉连接形成混凝土-钢组合梁.这种组合梁结构充分利用了钢材和混凝土的力学性能，受力合理且具有整体刚度大、施工方便等优点.国内学者［1-7］普遍认为裸露组合梁由于混凝土的吸热作用，钢梁温度明显低于无混凝土时裸露钢构件的温度，其抗火性能有较大改善，但试验对象仅限于单一构件或子结构模型.

实际结构中组合梁与其他构件连接在一起，其变形要受到与之相连构件的约束，而且钢梁之上的混凝土板在楼板平面内刚度无限大，可以有效抑制组合梁的变形.毫无疑问，实际结构中组合梁在火灾中的变形性能不同于单一构件在火灾中的变形性能.目前，国内学者未对整体结构中的构件在火灾中的变形性能进行试验研究和可靠的理论分析.国外学者［8-11］对此进行了一些有益的探索，Wang［8，10］，Bailey 等［9］在 Cardington 对一栋5×3跨的8层钢结构框架楼进行了一系列火灾试验，其中试验之一是针对9 m跨组合梁进行的火灾试验，组合梁在试验中跨中挠度达到了232 mm而未破坏，试验结束后恢复到113 mm，该试验表明整体结构中组合梁在火灾中具有很好的抗火性能，该试验中楼板形式为压型钢板组合楼板.

作者对3×3跨3层钢结构框架楼中不同位置的2个单跨组合梁在火灾作用下的变形性能进行了试验研究，钢框架楼采用现浇混凝土楼板.

1 试验方案

1.1 钢结构框架楼

钢结构框架楼一层层高3.5 m，二、三层层高3.0 m，柱跨度4.5 m，结构平面、楼板配筋及构造等情况见图1.钢梁、钢柱截面形式采用多高层钢结构建筑中常用的H形截面，钢柱采用HW200×200×8×12型钢，钢梁采用 HN250×125×6×9型钢，均为莱芜钢铁股份有限公司生产，楼板采用现浇混凝土楼板，板厚120 mm，钢梁顶设圆柱形栓钉Ø16@200.混凝土采用商品混凝土，立方体强度33.3 MPa.梁柱节点的连接在加工厂等强度熔焊，钢梁在施工现场与钢柱连接的拼接接点距离钢柱轴线300 mm，拼接接点上下翼缘现场焊接，腹板通过高强螺栓连接，接点见图2，全楼整体见图3.

图1 一～三层结构平面(mm)

1.2 试验目的及试验装置

为研究组合梁在正常使用状态下的火灾变形性能以及相临构件对组合梁火灾行为的不同约束程度，对框架楼中不同位置的2个单跨组合梁进行火灾试验研究，工况2在工况1完成后进行，由于单跨组合梁试验时，仅对组合梁升温，梁柱节点和柱不受火，故先完成的工况1试验可以认为对工况2试验没影响，具体情况见表1.

图2 梁柱拼接接点(mm)

图3 试验楼外貌

表1 组合梁基本情况

试验前楼面按照设计荷载2 kN/m2用砂袋加均布荷载.工况1设计建造试验炉尺寸为炉长4.2 m、宽 1.2 m、高 1.3 m，钢梁拼接接点位于炉体内受火，炉壁距柱边预留50 mm空隙.工况2设计建造的试验炉尺寸为炉长3.6 m、宽1.2 m、高1.3 m，钢梁拼接接点位于炉体外不受火，图4是试验炉示意图.2种工况下的炉壁顶与混凝土楼板底预留100 mm空隙，填充可以压缩的硅酸铝面毡，保证试验过程中钢梁和混凝土板可以向下挠曲变形.加温系统由4个燃油燃烧器组成，沿炉体长度方向每侧2个，交错布置于炉体五等分点上.

图4 试验炉装置示意

1.3 试验测试内容及测试位置

炉体内烟气温度，在炉体内三等分点处设置2个测点;组合梁在四等分点处沿截面高度的温度场;组合梁在四等分点处的竖向变形.

2 试验结果分析

2.1 温度场分析

图5为工况一和工况二炉温和组合梁同一截面不同测点的温度与时间的关系曲线，所注距离为热电偶所处位置，规定钢筋混凝土楼板上表面为零点，向下算起.混凝土楼板厚度为120 mm，当距离超过这个厚度时，表明测试热电偶已不在混凝土板中，而是位于H型钢梁的腹板或翼缘上，如370 mm曲线表示温度测试点距离混凝土板上表面370 mm，即钢梁下翼缘的温度与时间关系曲线.

由图5可知，试验炉很好地模拟了建筑火灾轰燃之后，火灾充分发展阶段快速升温的特点，表明所设计的试验炉能够满足试验的预定目的.

图5曲线表现出相同的规律:试验开始之后，裸露的钢梁温度随炉温的快速升高而快速升高，表现出和炉温基本一致的升温曲线;但混凝土楼板温度明显滞后，原因有:混凝土导热系数小，有效阻滞了温度的传导;当温度达到100℃之后，混凝土中的结晶水开始蒸发，消耗掉部分热量;整体结构中混凝土楼板吸收部分热量.停止升温之后，钢梁温度随炉温的快速降低而降低，而混凝土楼板不同厚度处的温度呈现出不同的现象，具体表现为:80、100 mm处混凝土温度随炉温的快速降低呈现出降低趋势，20、40、60 mm处混凝土温度随炉温的降低呈现出继续升高的趋势，最后各条温度曲线趋向相同.这是由于停止升温后，同一截面混凝土楼板不同厚度的温度梯度较大，存在一个热传递的过程.

图5 CB1和CB2截面温度炉温与时间曲线

2.2 组合梁变形性能对比分析

试验过程中量测了组合梁在四等分点截面的竖向变形，分别记为1/4 L、2/4 L、3/4 L.规定竖向位移以向下为正，向上为负.图6为 CB1和CB2整个试验过程中的竖向变形与时间的关系曲线.对于CB1，试验开始之后，随着温度的升高组合梁产生向下的变形，如在24 min时2/4 L处竖向位移达到最大值17.60 mm，此时炉内温度是557.7℃，之后炉内温度继续升高，而组合梁的竖向变形并没有继续增大，而是开始恢复，122 min停止升温，此时组合梁2/4 L处的竖向变形是11.68 mm，在停止升温后的 58 min，2/4 L处竖向变形恢复到初始位置，之后变形并未停止，产生向上的位移.对于CB2，试验开始之后，随着温度的升高组合梁产生向下的变形，在50 min时，组合梁2/4 L处截面达到最大竖向位移27.6 mm，此时炉内温度是817.3℃，之后炉内温度继续升高，而组合梁的竖向变形同样开始恢复，在136 min停止升温，炉温开始下降，此时组合梁2/4 L处14.80 mm，在停止升温后的 37.6 min，2/4 L 处竖向变形恢复到初始位置，之后变形并未停止，最后产生向上的位移.

从2种工况组合梁的整个变形过程看，CB2竖向变形更复杂，变形变化更剧烈，而2种组合梁的连接构造和升降温过程是一样的，所不同的是在整体结构中所处的位置不同，CB2位于整体结构的中部，受到周边构件的约束程度要比CB1所受到的约束更强.

图6 CB1和CB2竖向变形与时间的关系曲线

文献［7］进行了四榀组合钢框架的试验研究，采用的钢柱和钢梁的生产厂家和截面尺寸均与本文相同，仅钢梁跨度为 3.6 m.文献［7］中KJ1-B组合梁构造形式和受火工况与本文也相同，文献结果表明KJ1-B在受火后即产生向下的变形，达到最大值29.07 mm后，变形有一定程度恢复，但并未出现反向变形.其最大竖向变形明显大于本文最大竖向变形17.60 mm(本文组合梁跨度4.5 m).可见，整体结构中的组合梁由于受到相邻构件的约束，呈现出优于模型试验的抗火性能.

图7为2种工况在3个不同瞬时(组合梁跨中截面第一次达到最大变形量时、停止升温时、降温一段时间后)的竖向位移测点测量值的连线，水平轴表示组合梁的初始位置，图中规定测量值向下为负，向上为正，以其连线来刻画组合梁的挠曲变形示意图.可以看出工况2组合梁在火灾过程中挠曲变形更复杂，具体表现在同一瞬时，梁跨度范围内不同截面出现了2个方向的变形，而工况1组合梁并未出现该现象.这说明工况2组合梁受到了很大的轴力作用，而这个轴力正是组合梁受到火灾作用后相邻构件与组合梁相互约束产生的.

图7 CB1和CB2瞬时变形图

3 结论

1)火灾升温阶段，组合梁混凝土部分温度滞后钢梁温度，由于温度梯度的存在会产生较大温度应力，正是此温度应力的存在使得组合梁挠曲变形在升温阶段就开始恢复.火灾降温阶段，温度梯度仍会存在较长时间，最后同一截面不同测点温度趋向相同，组合梁的变形继续恢复，恢复到试验前的初始位置之后，产生向上的变形.

2)组合梁在整体结构中所处的位置不同，受到其他周边构件的约束程度也不同，在火灾中表现出不同的抗火性能.

3)整体结构中组合梁的火灾行为不同于构件试验中组合梁的火灾行为，表现出更好的抗火性能.

［1］毛小勇，肖岩.标准升温下轻钢-混凝土组合梁的抗火性能研究［J］.湖南大学学报:自然科学版，2005，32(2):64-70.

［2］李国强，周宏宇.钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究［J］.土木工程学报，2007，40(10):19-26.

［3］李国强，王银志，王孔藩.考虑结构整体的组合梁极限抗火性能分析［J］.力学季刊，2006，27(4):726-732.

［4］周宏宇，李国强，王银志.影响组合梁抗火性能的两个因素分析［J］.建筑钢结构进展，2006，8(5):40-45.

［5］董毓利，王德军.框架组合梁抗火性能试验［J］.哈尔滨工业大学学报，2008，40(2):178-181.

［6］YU lidong，PRASAD K.Experimental study on the behavior of full-scale composite steel frames under furnace loading［J］.Journal of Structural Engineering，2009，135(10):1278-1289.

［7］董毓利.两种组合钢框架火灾变形性能的试验研究［J］.工程力学，2008，25(2):197-203.

［8］WANG Y C.Tensile membrane action in slabs and its application to the Cardington fire tests［C］//Proceeding of the second Cardington conference.［S.l.］:BRE，1996:12-14.

［9］BAILEY C G，MOORE D B.The behaviour of ful-scale steel framed buildings subject to compartment fires［J］.The Structural Engineer，1999，77(8):15-21.

［10］WANG Y C.An analysis of the global structural behavior of the Cardington steel-framed building during the two BRE fire tests［J］.Engineering Structures，2000，22(5):401-412.

［11］KODUR V，DWAIKAT M，FIKE R.Hihg-temperature properties of steel for fire resistance modeling of structures［J］.Journal of Materials in Cicil Engineering，2010，22(5):423-434.

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.

国家自然科学基金资助项目(50878069).

吕俊利(1978—)，男，讲师，博士研究生;

董毓利(1965—)，男，教授，博士生导师.

(编辑 赵丽莹)