钢骨-钢管高强混凝土柱抗火性能试验研究

朱思懿,朱美春,郑丽兰,杨静桦,王绿仪

(上海师范大学 建筑工程学院,上海 201418)

国内外学者对钢管混凝土力学性能和设计方法开展了深入细致的研究工作,取得丰硕成果[1].研究表明,钢管混凝土柱具有承载力高、塑性好、抗震性能好等优点,但其耐火性能不如钢骨混凝土柱,需要进行防火保护[1-3].由此,加拿大学者Lie和Kodur等人[4-8]提出在钢管内放置钢筋或钢纤维的方法来提高钢管混凝土柱的耐火能力.

图1 钢骨-钢管高强混凝土柱试件示意图

钢骨-钢管高强混凝土柱是一种重载柱设计的新模式,是在钢管内填充高强混凝土和型钢而形成.研究表明该组合柱具有很高的承载力和良好的延性[9-10],特别适合在高地震烈度区的结构中应用.除了优越的抗震性能以外,钢骨-钢管高强混凝土柱还具有良好的耐火性能.虽然可以预见钢骨-钢管高强混凝土组合柱具有良好的耐火性能,但是相关的研究还未见文献报道.本文作者拟通过试验方法对钢骨-钢管高强混凝土柱的抗火性能进行研究.

1 试验概况

1.1 试件设计

试验共包含两个试件,其中钢骨-圆钢管高强混凝土柱的截面形式如图1所示,圆钢管高强混凝土柱的混凝土内没有型钢,其他尺寸相同.圆钢管和钢骨均采用Q345B钢,钢管外径为300 mm,壁厚为8 mm,长度为1800 mm,钢骨采用H型钢.试件内填C55高强混凝土,没有进行防火保护.试验荷载比取为0.4(试验荷载与常温极限承载力的比值),其中常温下试件的极限承载力采用文献[1]中对钢管混凝土轴压构件的承载力设计公式确定,经计算钢骨-钢管高强混凝土柱的试验荷载为2800 kN,钢管高强混凝土柱的试验荷载为1720 kN.

1.2 试件制作

图2 试件加载全貌

对于钢骨-钢管高强混凝土柱,先将工字钢焊接在底板上,然后再将圆钢管焊在底板上,底板、工字钢和圆钢管三者要严格保证几何对中.对于钢管高强混凝土柱,将圆钢管焊在底板上,保证几何对中.混凝土采用分层灌入法,并用φ50振捣棒伸入钢管内部振捣,混凝土采用自然养护.试验前将试件表面磨平,然后焊上盖板,以保证钢管、钢骨和核心混凝土在受荷初期就能共同受力.在试件两端钢管与端板交界处,分别设计了一个直径为20 mm的半圆排气孔.

1.3 试验装置和试验方法

试验在上海师范大学建筑工程学院结构试验室进行.试验装置由加载框架、千斤顶、电热炉、油压、供电、控制及数据采集处理等系统组成,试件加载全貌如图2所示.电热炉的平面尺寸为800 mm×800 mm×1200 mm,额定功率为90 kW,炉温由布置在炉内的2个S分度的热点偶测得,温控采用可编程的SSR智能PID控制,试件的实际受火高度为1200 mm,轴向位移通过布置在炉外的4个对称布置的位移计测得.试验方法及具体步骤如下:

(1) 将试件吊入炉中,定位后用螺栓将试件底板与室内地槽连接好,试件盖板上放置球铰,试件两端的边界条件均为铰接;

(2) 施加轴向荷载至试件的设计荷载,并持荷30 min,记录试件在此阶段发生的轴向变形;

(3) 按ISO-834标准升温曲线进行升温,通过人工调节保持施加在试件上的荷载稳定不变;

(4) 当试验接近尾声时,试件的轴向变形急剧加快,根据ISO-834标准对柱构件达到耐火极限时的规定,即当①构件的轴向压缩量达到0.01 Hmm;或②构件的轴向压缩速率超过0.003 Hmm/min(H为构件的受火高度,以mm计)时,表明已达到耐火极限,即停止试验.

图3 炉内升温曲线与标准升温曲线的对比

2 试验结果与分析

2.1 升温曲线

图3给出了试验中电热炉内升温曲线和ISO-834标准升温曲线的对比,其中在燃烧前期因电热炉内壁吸收了较多的热量,故升温初期炉内环境温度上升较慢,在8 min后,炉体内壁热交换和辐射达到平衡后,与标准升温曲线吻合良好.

2.2 破坏形态

试验过程中,两类组合柱的中轴线始终保持直线状态,到试验结束时未出现明显的挠曲.待试件冷却后,发现两类组合柱的破坏形态类似(图4a和4b),构件表面铁皮剥落,局部产生明显鼓曲(图4c),表明构件破坏时这些部位的混凝土已经压碎.

图4 试件破坏形态

2.3 轴向变形-升温时间曲线

图5 试件的轴向变形-升温时间曲线

图5给出了两个试件的轴向变形-升温时间关系曲线.由图5可知,两类组合柱的轴向变形都经历了3个阶段的变化:第一阶段为初始膨胀变形阶段.受热初期,材料强度和弹性模量无明显降低,受热膨胀起控制作用,柱子出现随时间增长的轴向伸长;第二阶段为压缩变形稳定增长阶段.随受火时间的增长,柱截面的温度逐渐升高,对应的材料弹性模量和抗压强度的力学参数降低,柱子的承载能力下降,压缩变形逐渐起控制作用,这一阶段压缩变形的增长较为稳定;第三阶段为压缩变形急剧增长的破坏阶段,当钢材和核心混凝土的温度达到较高水平,材料的抗压强度大幅下降,承载能力急剧降低,导致局部混凝土被压碎,构件发生破坏.通过两条曲线的对比可知,在相同试验条件下,由于钢骨-钢管高强混凝土柱第二阶段的长度比钢管高强混凝土柱长很多,其耐火极限可达166 min,而钢管高强混凝土柱的耐火极限仅为46 min.这主要是由于钢骨-钢管高强混凝土柱中的型钢处于截面内部,周围被传热较慢的混凝土包围,因此升温较慢,力学性能下降幅度小,从而在整体上提高了组合柱在高温下的承载能力.因此,在钢管高强混凝土柱中加入型钢可显著提高柱子的耐火极限和耐火性能.

3 结 论

通过有无钢骨的钢管高强混凝土柱的对比抗火试验研究,可初步得到以下结论:

(1) 在相同的火灾升温和轴压力水平作用下,钢骨-钢管高强混凝土柱和普通钢管高强混凝土柱的轴向变形都经历初始膨胀、压缩变形稳定发展和压缩变形急剧增加3个阶段.

(2) 当轴压力水平为0.4时,未进行防火保护的钢管高强混凝土柱的耐火极限实测值为46 min,钢骨-钢管高强混凝土柱的耐火极限实测值为166 min,可见在钢管高强混凝土柱中加入型钢可显著提高柱子的耐火性能.

参考文献:

[1] 韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践[M].北京:科学出版社,2004.

[2] 韩林海,徐蕾.带保护层方钢管高强混凝土柱耐火极限的试验研究[J].土木工程学报,2000,33(6):63-69.

[3] 成晓娟,毛小勇.标准火灾下轴压型钢混凝土柱抗火性能研究[J].苏州科技学院学报:工程技术版,2010,23(3):36-39.

[4] LIE T T,KODUR V K R.Fire resistance of steel columns filled with bar-reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1996,122(1):30-36.

[5] KODUR V K R,LIE T T.Fire resistance of circular steel columns filled with fibre-reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1996,122(7):776-782.

[6] KODUR V K R.Performance-based fire resistance design of concrete-filled steel columns[J].Journal of Constructional Steel Research,1999,51:21-26.

[7] LIE T T,IRWIN R J.Fire Resistance of Rectangular Steel Columns Filled with Bar-Reinforced Concrete[J].Journal of Structural Engineering,ASCE,1995,121(5):797 -805.

[8] LIE T T.Fire resistance of circular steel columns filled with bar-reinforced concrete[J].Journal of Structural Engineering,1994,120(5):1489-1509.

[9] ZHU M C,LIU J X,WANG Q X.Experimental research on square steel tubular columns filled with steel-reinforced self-consolidating high-strength concrete under axial load[J].Engineering Structures,2010,32(8):2278-2286.

[10] 朱美春,刘建新,冯秀峰.钢骨-方钢管高强混凝土柱抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2011,44(7):55-63.