钢筋混凝土柱温度场试验研究

项 凯，潘雁翀，王国辉

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

钢筋混凝土柱温度场试验研究

项 凯*，潘雁翀，王国辉

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

研究钢筋混凝土柱在升温、降温加热曲线作用下的截面温度场分布。完成了1根边长700 mm方形钢筋混凝土柱的四面受火温度场试验，加热曲线升温段为ISO- 834标准升温曲线，降温段为随炉冷却降温曲线。试验过程中测得了柱截面内不同位置的温度变化。建立有限元模型对试验结果进行了模拟分析。结果表明：方形柱截面内不同位置的升温速率、降温速率受其距受火面距离影响较大；截面内距离受火面越远的位置，升温滞后现象越明显；在ISO- 834标准升温和随炉降温加热曲线作用下，当方形柱的截面边长大于等于700 mm时，柱截面内的温度分布可反映大截面尺寸钢筋混凝土柱在火灾升、降温阶段的温度分布变化。

柱；钢筋混凝土；截面尺寸；温度场

0 引言

火灾对各类建筑结构和构件力学性能的影响主要表现为各种建筑材料受到高温影响，其火灾中和火灾后的力学性能发生劣化，不同建筑材料间的力学性能受到高温影响，其火灾中和火灾后的粘结强度发生劣化，由此可见，研究建筑结构和构件的温度场分布是明晰火灾中和火灾后建筑结构和构件力学性能的前提条件。柱构件是建筑结构主要的受力构件，对于钢筋混凝土柱的抗火性能国内外已经开展了相关的试验研究[1]。

钢筋混凝土柱温度场的研究方面，苏等[2]报道了ASTM E119升温曲线作用的，37根方形、矩形、圆形钢筋混凝土柱的温度场试验，截面尺寸203 mm×203 mm、305 mm×305 mm、406 mm×406 mm、305 mm×457 mm、203 mm×914 mm、356 mm。Jau和 Huang[3]报道了标准升温曲线作用的，6根钢筋混凝土角柱，非对称两面受火的温度场试验，升温时间2 h、4 h，截面尺寸300 mm×450 mm。Chen等[4]报道了标准升温曲线作用的，6根钢筋混凝土柱温度场试验，升温时间2 h、4 h，截面尺寸300 mm×450 mm。Xu和Wu[5]报道了标准升温曲线作用的，12根L形、+形、T形、方形钢筋混凝土柱的温度场试验，受火方式考虑不同面受火的情况，方形柱截面尺寸400 mm×400 mm。Martins和Rodrigues[6]报道了标准升温曲线作用的，11根方形钢筋混凝土柱的温度场试验，截面尺寸160 mm×160 mm、250 mm×250 mm。Huo等[7]报道了电炉加热的，考虑降温段的18根方形钢筋混凝土柱的温度场试验，截面尺寸150 mm×150 mm。时等[8]报道了电炉加热的，12根矩形钢筋混凝土柱的三面受火温度场试验，试验温度20 ℃～950 ℃，截面尺寸100 mm×200 mm。吴等[9]报道了电炉加热的，3根方形钢筋混凝土柱的温度场试验，截面尺寸200 mm×200 mm。吴等[10]报道了标准升温曲线作用的，7根方形高强和普通钢筋混凝土柱的温度场试验，受火方式为两面、三面、四面受火，截面尺寸300 mm×300 mm。成和李[11]报道了标准升温曲线作用的，6根钢筋混凝土柱的三面受火温度场试验，截面尺寸250 mm×300 mm、300 mm×300 mm。袁等[12]报道了电炉加热的，12根矩形钢筋混凝土柱在经历不同加热温度(250 ℃、450 ℃、650 ℃)，不同冷却方式(喷水与自然冷却)情况下的温度场试验,截面尺寸100 mm×150 mm。徐等[13]报道了标准升温曲线和随炉冷却降温曲线作用的，7根方形钢筋混凝土柱的温度场试验，升温时间60 min、90 min、120 min，截面尺寸300 mm×300 mm。Liu等[14]报道了标准升温、降温曲线作用的，21根圆形钢管约束钢筋混凝土短柱的温度场试验，截面尺寸200 mm、250 mm。Yang等[15]报道了标准升温、降温曲线作用的，14根圆形钢管约束钢筋混凝土长柱的温度场试验，截面尺寸200 mm、250 mm。

由上述的研究成果可以看出，已有的研究成果多为相对较小截面尺寸的钢筋混凝土柱的温度场试验，并且考虑升温、降温曲线作用的试验相对较少。随着建筑高度的不断增加，相应的实际建筑结构构件的截面尺寸也不断增大，需要研究相对较大截面尺寸结构构件的温度场分布。并且研究表明[16, 17]，加热曲线降温段对结构构件力学性能的影响十分重要，荷载较大时试件可能在降温段发生破坏。本文以ISO- 834标准升温曲线和随炉冷却降温曲线作用的，1根截面边长为700 mm方形钢筋混凝土柱的四面受火的温度场试验为基础，详细分析了截面边长400 mm～1300 mm范围内的方形钢筋混凝土柱在加热曲线升温段、降温段的截面温度场分布特点，采用ABAQUS软件分析了截面尺寸变化对柱截面内温度场影响规律，研究成果为相对较大截面尺寸钢筋混凝土柱的火灾中和火灾后的力学性能分析提供了可靠的温度场研究基础。

1 试验概况

1.1 试件设计

设计制作了1根方形截面钢筋混凝土柱试件Z1，试件高度3700 mm，截面尺寸700 mm×700 mm。纵筋采用12根直径22 mm钢筋，方形截面的每一侧布置4根纵筋，箍筋采用直径8 mm钢筋，在柱上下端700 mm范围内箍筋间距100 mm，沿柱纵向的其余区域，箍筋间距200 mm，混凝土保护层厚度为50 mm，钢筋混凝土柱试件的示意图如图1所示。在钢筋混凝土柱的上下两端设置端板，端板厚度均为30 mm，端板尺寸1 000 mm×1 000 mm，上部端板设置吊钩。

1.2 材料性能

纵筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB300级钢筋，混凝土采用C40商品混凝土，其质量配合比为：水泥∶细骨料∶粗骨料∶水∶外加剂∶掺合料=1∶2.33∶3.64∶0.58∶0.03∶0.49。混凝土的立方体抗压强度依据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB50081- 2002)规定的方法测试得到，28天时混凝土的立方体抗压强度为45.8 MPa，试验时混凝土立方体抗压强度为47.0 MPa。试验时混凝土龄期为64天。

图1 钢筋混凝土柱详图Fig.1 Details of RC column

1.3 温度场试验

试验在“国家固定灭火系统和耐火构件质量监督检验中心”进行。为了模拟实际情况，本试验测得的是加载柱的温度场分布。首先对试验试件施加柱截面设计极限承载力的0.2倍的轴力，再依据ISO- 834标准升温曲线，对试验柱进行四面受火实体火灾试验，试验柱的两端为铰接支撑，试件的温度场试验示意图，如图2所示。受火后的混凝土表面有少量混凝土剥落，混凝土颜色发生变化，受火后混凝土表面呈浅黄色。

图2 钢筋混凝土柱的火灾试验Fig.2 Fire test of RC column

图3 热电偶布置(单位：mm)Fig.3 Arrangement of thermocouples(unit:mm)

钢筋混凝土柱的竖向中部截面内布置热电偶测量混凝土的温度，热电偶的布置方式如图3所示，在浇筑混凝土前，按图3所示将热电偶固定在柱中指定位置。布置的1号～7号热电偶，在x轴方向分别距离柱受火面10 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm和350 mm，在y轴方向距离柱受火面均为350 mm。

2 试验结果

2.1 升降温曲线

试验时，实测的炉内温度(T)-时间(t)升降温曲线如图4所示，试验时间300 min，包括按照标准升温曲线加热的升温段180 min以及炉内通风冷却状态下的降温段120 min。试验测得的炉内升温曲线与标准升温曲线吻合较好。在降温段，当炉内温度降至约230 ℃时，由于试验炉处于密闭状态，升温试验时炉壁的保温隔热材料已经蓄积了较多热量，使得炉内通风冷却状态下，当炉内温度下降到一定温度时，试验炉内的温度在短期内无法继续降低，故在255 min～300 min试验期间，实测的炉内降温曲线温度在230 ℃上下波动。

图4 炉内实测温度与ISO- 834标准火灾温度Fig.4 Comparisons of measured furnace temperatures with ISO- 834 standard fire temperatures

2.2 温度分布

试验柱截面内不同测点的实测T-t曲线如图5所示，图例“Z1- 1”表示编号Z1柱，对应图3热电偶布置的“1”号点的T-t曲线，其余图例以此类推。升温阶段和降温阶段，试验柱截面内不同测点在不同时刻的温度分别如图6(a)和图6(b)所示，图中横坐标“d”代表测温点距离受火面的最近距离。

图5 实测的柱截面内温度Fig.5 Measured cross- sectional temperatures of column

图6 距受火面不同距离的实测温度 Fig.6 Measured temperatures of different distances from heated surface

由图5可知：(1)方形柱截面内不同位置的升温速率、降温速率受其距受火面距离影响较大。试验的升温段，距受火面越近的位置，其温度升高的速率越快；试验的降温段，距受火面越近的位置，其温度降低的速率越快。(2)截面内距离受火面越远的位置，升温滞后现象越明显。标准升温曲线升温180 min，随炉冷却降温120 min过程中，距受火面在150 mm内的位置可看到明显的温度升高降低过程，而距受火面超过200 mm的位置，其温度几乎始终保持升高。(3)T-t曲线的平台段不明显，平台段是指测量点混凝土温度上升至100 ℃左右时，出现随着加热时间的增加温度变化较小的现象。这主要因为：Z1- 1、Z1- 2测量点距离受火面较近，Z1- 1测量点混凝土的水分蒸发较快，平台段不明显，Z1- 2测量点距离受火面50 mm，可以观察到平台段，此现象与相对较小截面柱比较类似；Z1- 3和Z1- 4的平台段不明显，这主要与试验试件的尺寸相对较大有关；平台段一般在试验升温阶段出现，本试验升温结束(180 min)时，Z1- 5、Z1- 6、Z1- 7尚未达到100 ℃，故没有出现平台段。

由图6可知：(1)炉温的升温、降温段，截面内温度分布差别较大。试验的升温段，随着时间的增加，距受火面不同距离的位置温度均逐渐升高，如图6(a)；试验的降温段，随着时间的增加，距受火面相对较近的位置，温度逐渐降低；而距受火面相对较远的位置，温度逐渐升高，如图6(b)。(2)试验的不同时刻，截面内的温度梯度差别较大。试验的升温段，随着时间增加，不同时刻截面内的温度梯度逐渐增加，如图6(a)中30 min和60 min对应的曲线；试验的降温段，随着时间增加，不同时刻截面内的温度梯度逐渐减小，如图6(b)中180 min和210 min对应的曲线。(3)距受火面不同距离，截面内的温度梯度差别较大。试验的升温段，随着距受火面距离的增加，截面内的温度梯度逐渐减小，如图6(a)；试验的降温段，随着距受火面距离的增加，截面内的温度梯度在不同时刻的规律变化较大。

本试验的截面尺寸700 mm方形钢筋混凝土柱截面内各点的温度变化特点主要体现在：(1)由于试件截面尺寸相对较大，本试验的测温点主要受到x轴方向受火面的作用，y轴方向受火面对试验结果影响较小，试验测得的结果接近单面受火柱的情况。(2)对于大尺寸的钢筋混凝土试件，距受火面越远位置的混凝土，其升温时间越长，故大尺寸钢筋混凝土试件受火后冷却到室温需要的时间较长。(3)无论是升温段还是降温段，在距离受火面150 mm范围内，混凝土的温度梯度较大，由于混凝土的热传导性能相对较差，距离受火面超过200 mm时，截面内部混凝土的温度变化并不明显。

钢筋混凝土柱截面内距受火面不同距离位置的温度值如表1所示。表中编号“1～7”表示对应图3中的“1～7”号热电偶；T180表示试验180 min时，截面内各测点的实测温度；T300表示试验300 min时，截面内各测点的实测温度；Tmax表示试验从0 min～300 min内，截面内各测点实测的最高温度；tTmax表示截面内各测点的实测温度达到最高时，所对应的试验时间。

由表1可知：(1)试验的升温阶段，180 min时，距离受火面越近的位置，其温度越高，如表1中T180列。(2)试验的降温阶段，300 min时，与180 min时相比，距受火面相对较近位置(10 mm、50 mm)的温度降低，并且距受火面越近温度降低幅度越大；距受火面相对较远位置(100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、350 mm)的温度继续升高，并且距受火面越远温度增幅越大，如表1中T300/T180列。(3)升温滞后现象明显。试验升、降温全过程中，距受火面不同距离位置的混凝土达到最高温度的时间也不相同，距受火面越近的位置，其达到最高温度的时间相对越快，而距受火面越远的位置，其达到最高温度的时间相对越慢，如表1中tTmax列。(4)截面内经历的最高温度与升温试验结束时相同测点的温度相比，距受火面越远的位置，其温度增幅越大，如表1中Tmax/T180列。

表1 截面温度

3 数值模拟

3.1 温度场模拟

采用ABAQUS软件计算钢筋混凝土柱的温度场分布，钢筋和混凝土的热工参数根据欧洲规范取值[18, 19]，试验时未测得混凝土含水率，通过试算发现混凝土的含水率取5%时，计算值与试验值吻合较好，故计算时含水率取5%。混凝土采用八节点三维实体热分析单元DC3D8，钢筋采用二节点Truss热分析单元DC1D2，热分析时，钢筋与混凝土之间采用Tie的方式建立热量传递的接触关系。根据欧洲规范[20]，温度场计算时，试件表面的对流换热系数受火面取25 W/(m2·K)，综合辐射系数0.7。模拟的试件截面T-t曲线如图7所示。图例“FEM- 1””表示对应图3热电偶布置的“1”号点T-t曲线的计算值，其余图例以此类推。由图7可知，计算值与试验值吻合较好。

图7 实测值与计算值比较Fig.7 Comparison between measured and calculated temperatures

3.2 截面尺寸对温度场影响分析

采用试验测得的加热升温、降温曲线，计算相同配筋率，不同截面尺寸钢筋混凝土柱(400 mm、550 mm、700 mm、1000 mm、1300 mm)截面内的温度分布。根据图3所示的热电偶相对位置，选取x轴方向距受火面10 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm，y轴方向位于截面中部的位置进行温度分析。距受火面相同距离位置，不同截面尺寸柱的T-t曲线如图8所示。由图8可知：(1) 截面尺寸越小，相同时刻、相同位置的温度越高。(2) 随着钢筋混凝土柱截面尺寸的增大，在截面内，方形柱的四边边长之和与截面面积的比值逐渐减小。当距受火面相同距离时，随着截面尺寸增大，温度- 时间曲线在100 ℃左右的平台段逐渐不明显。(3) 柱截面尺寸变化时，当柱截面尺寸大于等于700 mm时，距受火面相同距离位置的温度变化较为一致。说明试验选取的柱截面尺寸可以反映大尺寸柱试件升温、降温火灾试验的温度变化。试验相同时刻(60 min、120 min、180 min、240 min、300 min)，柱截面尺寸不同时，截面内的温度(T)- 距离(d)曲线如图9所示。由图9可知：(1)柱截面尺寸不同时，距受火面相同距离范围内的温度梯度有变化；(2)升温阶段，不同截面尺寸柱，距受火面相同距离范围内温度梯度的变化比较一致且相对变化较小，截面尺寸越小，温度梯度差别越小，当柱截面尺寸大于等于700 mm时，温度梯度几乎保持一致；(3)降温阶段，不同截面尺寸的柱，距受火面相同距离范围内温度梯度的变化不一致，距受火面相对较近的位置，可能产生与升温阶段正负符号相反的温度梯度差别。当柱截面尺寸大于等于700 mm时，降温120 min时间内温度梯度的变化趋势比较一致。

图8 不同截面尺寸，距受火面相同距离的温度Fig.8 Temperatures of the same distance from heated surface under different section sizes

图9 相同时刻，不同截面尺寸的温度Fig.9 Temperatures of different section sizes at the same moment

炉温升温180 min时，不同截面尺寸柱在截面内的温度分布如图10所示，随炉降温120 min时，不同截面尺寸柱在截面内的温度分布如图11所示。由图10、图11可知：(1) 升温阶段，截面内的温度分布由外向内，温度逐渐递减，距受火面越远的位置，其温度越低；(2) 降温阶段，截面内的温度分布相对较为复杂，在方形截面柱的角部区域温度相对较高，在截面的中心位置温度相对较低。

图10 180 min时，不同截面尺寸的温度分布Fig.10 Temperatures distribution of different section sizes at 180 min

图11 300 min时，不同截面尺寸的温度分布Fig.11 Temperatures distribution of different section sizes at 300 min

4 结论

本文对相对较大截面尺寸方形钢筋混凝土柱的温度场进行了试验研究，详细分析了试验结果，采用有限元方法对试验结果进行了数值模拟，并进一步完成了尺寸效应分析，可得出以下结论：

(1)柱截面内不同位置的升温速率、降温速率与其距受火面距离明显相关。截面内距离受火面越远的位置，升温滞后现象越明显。截面内经历的最高温度与升温试验结束时相同测点的温度相比，距受火面越远的位置，其温度增幅越大。

(2)在ISO- 834标准升温和随炉降温加热曲线作用下，当方形柱的截面尺寸大于等于700 mm时，柱的温度分布可反映大尺寸钢筋混凝土柱的温度分布。

(3)在火灾的降温阶段，不同截面尺寸的柱，距受火面相同距离范围内温度梯度的变化不一致，距受火面相对较近的位置，可能产生与升温阶段正负符号相反的温度梯度差别。当柱截面尺寸大于等于700 mm时，降温120 min时间内温度梯度的变化趋势比较一致。

(4) 在火灾的降温阶段，截面内的温度分布相对较为复杂，在方形截面柱的角部区域温度相对较高，在截面的中心位置温度相对较低。

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Experimentalstudyontemperaturedistributionofreinforcedconcretecolumns

XIANG Kai, PAN Yanchong, WANG Guohui

(Tianjin Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Tianjin 300381, China)

This paper intends to study the temperature distribution of reinforced concrete (RC) columns under heating and cooling phase fire curves. One square section RC column with 700 mm side length is constructed for four- side surfaces exposed to fire. The heating phase of fire curve is ISO- 834 standard fire curve and the cooling phase is furnace cooling curve. During the experiment, the temperature distribution of cross- section of square section RC column is measured. Finite element (FE) models are developed and used to analyze the test results of experiment. The results show that the distance from the heated surface has significant effect on the performance of the heating and cooling rates for the cross- section of square section RC column. The heating duration time of cross- section concrete reaching the maximum temperature delays with the distance from the heated surface. Under ISO- 834 standard heating and furnace cooling fire curves, when the cross- section side length of the square section column is greater than or equal to 700 mm, the temperature distribution in the cross- section of square section column can reflect the variation of temperature distribution of reinforced concrete column with large cross- section scale under heating and cooling phases.

Column; Reinforced concrete; Cross- section scale; Temperature distribution

1004- 5309(2017)- 00183- 08

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.08

2016- 12- 23；修改日期2017- 04- 05

国家自然科学基金青年科学基金项目(51408134)

项凯(1980- )，男，辽宁人，博士，副研究员，主要从事工程结构抗火研究。

项凯，Email: xiangkai0304@163.com

TU375.3; X932

A