火灾后地铁站圆钢管混凝土柱轴压性能试验研究

摘要：为了研究高温或火灾后圆钢管混凝土柱轴压力学性能，文章采用温度、混凝土强度、长细比等参数，设计了圆钢管混凝土试件经高温后进行轴压试验，研究试件在高温后的破坏形态，获取了荷载-位移全过程曲线，并对影响钢管混凝土试件轴压性能的因素进行了分析。研究结果表明：试件表观颜色随温度升高逐渐加深;高温后圆钢管混凝土试件加载初期抗压强度增速一致;混凝土强度与试件抗压强度成正比;温度与试件抗压强度成反比，800 ℃时最低;长细比对试件抗压强度影响较为明显。

关键词：火灾;高温;地铁;钢管混凝土;轴压性能

0 引言

圆钢管混凝土是指在圆钢管中填充混凝土共同协调受力的组合结构，具有承载能力高、塑性好、刚度大、耐火性好、经济、施工方便等一系列优点，因此在超高层建筑、桥梁、地铁车站等重要工程中应用越来越广泛[1-2]。2018年，我国地铁车站总数超过4 000座，由于地铁车站修建在地下，为了提高空间利用率，大多数地铁站往往采用钢管混凝土柱来代替钢筋混凝土柱，钢管混凝土柱的承载力高、断面尺寸小，很适合于地铁车站及其他需提高空间利用率的建筑。

对于圆钢管混凝土柱的轴心受压承载力研究已经取得了较为丰硕的成果，早期，钟善桐等[3-4]研究了钢管混凝土轴心受压构件承载力计算方法，为我国的钢管混凝土组合结构承载力计算做出了重要贡献;李娜[5]等研究了自密实圆钢管混凝土轴心受压构件承载力，观察了其破坏形态、荷载曲线等，最后提出了自密实圆钢管混凝土柱的承载力计算公式;陈宗平等[6-7]研究了高温后钢管再生混凝土的破坏形态，获取了荷载破坏曲线，提出了高温后再生混凝土、型钢混凝土的轴心受压承载力计算方法。本文课题组通过完成10个试件的升温、轴心受压试验过程，研究了高温后圆钢管混凝土柱轴压性能，为今后的设计、维修加固提供理论依据。

1 试验简介

1.1 试验设计与试件制作

试件以历经温度、长细比、混凝土强度这三个参数为基础，设计了3组共10个圆钢管混凝土试件。其中，试件中的钢管采用壁厚为4 mm、165 mm的直焊缝圆钢管，在试件制作前后未对钢管进行任何的防火及其他处理。试件设计的具体方案如表1所示，试件的几何尺寸与参数如图1所示。

试件制作时，首先对钢管进行平整度处理，确保钢管在竖直状态下的受力均衡。为了试验的方便与直观，在试验过程中将上端称为固定端，而另一端则称为加载端。

1.2 试验材料

本次试验的混凝土采用海螺牌P·O42.5普通硅酸盐水泥、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。本次试验预留了混凝土试块，并且保证了试块与试件在浇筑、养护等方面条件一致，并完成了对混凝土试块的抗压强度测试，得出了C30、C40、C50混凝土在常温下抗压强度分别为39.3 MPa、62.9 MPa、66.8 MPa。

1.3 高温设备及试验方法

考虑到火灾燃烧的随机性、不可控性，升温采用RX3-45-9箱式工业电阻炉模拟四面受火燃烧的火灾现场。电阻炉自带加热温控系统及温度传感器，电阻炉极限温度为950 ℃，是自动控制升温设备。

试件按照不同温度依次放置于电阻炉内进行升温，至目标温度后再恒温60 min后，关闭电源、打开炉门进行自然冷却。试件温度上升曲线变化如图2所示。

1.4 轴压试验方案

试件升温、自然冷却至常温后，采用千吨液压试验机进行加载试验。加载装置如图3所示。为了保证仪器的正常工作和数据的精准，减小试验误差，通常在每次正式试验之前，对试件进行预加载试验和卸载，最后才开始正式试验。试验速率为2 mm/min，试验设备自动获取荷载-位移曲线。

2 试验结果及分析

2.1 试件表观形态

常温时试件颜色为棕色，随着温度的升高试件表面的颜色逐渐加深，在800 ℃时变为黑色。同时试件在高温情况下体积增大，超出钢管底部，核心混凝土与钢管间缝隙明显，如图4所示。

2.2 轴压破坏过程及形态

试件在加载初期，外观变化不明显，承载力增速较缓;持续加载，试件轴向荷载增速逐渐变大，呈直线上升趋势，试件的外观开始出现变形，表面呈现轻微的凸凹不平;达到峰值荷载后，随着位移的增大，荷载保持稳定，此时试件表面变形明显，出现较大鼓曲。如图5所示。

2.3 荷载-位移曲线

试件荷载-位移全过程曲线如图6所示，分为上升段、下降段、近似水平段。

3 轴压性能影响因素分析

3.1 混凝土强度影响

混凝土不同强度对试件轴压性能的影响如图7所示。

从图7可知，C30、C40、C50混凝土在加载初期荷载-位移曲线基本一致，承载能力的增速接近;随着试件位移的增大，不同试件出现荷载峰值，无论目标温度是20 ℃、400 ℃还是800 ℃，曲线总体表现一致，C30、C40、C50混凝土试件的抗压强度依次增大，与混凝土试块抗压强度保持一致。

3.2 温度影响

不同温度对试件轴压性能的影响如图8所示。

由图8可知，试件抗压强度与温度高低呈反比，800 ℃时抗压强度最低;C40混凝土试件由20 ℃升高至800 ℃时，抗压强度降低42.4%;C50混凝土试件由20 ℃升高至800 ℃时，抗压强度降低40.7%。

3.3 长细比影响

长细比对试件轴压性能的影响如图9所示。

由图9可知，长细比与试件抗压强度呈反比例关系，对于C30混凝土试件，L=440比L=275试件的抗压强度降低了42.5%。

4 结语

（1）高温后试件的表观颜色逐渐加深，800 ℃时变为黑色;试件的加载初期，不论强度、温度如何变化，抗压强度增速一致。

（2）混凝土强度与高温后试件的抗壓强度成正比，C50混凝土试件强度最大，C30最小。

（3）温度对抗压强度的影响明显，20 ℃的试件升高至800 ℃时，抗压强度降低了40%左右。

（4）长细比对抗压强度的影响明显，长细比从2.667降到1.667时，抗压强度提高了42.5%。

参考文献：

[1]韩林海，杨有福.现代钢管混凝土结构技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构[M].北京：人民交通出版社，2003.

[3]钟善桐，王用纯.钢管混凝土轴心受压构件计算理论的研究[J].建筑结构学报，1980（1）：61-71.

[4]钟善桐，苗若愚.钢管混凝土轴心受压构件承载力计算的研究[J].建筑结构学报，1984（6）：38-48.

[5]李 娜，卢亦焱，李 杉，等.圆钢管自应力自密实混凝土短柱轴心受压性能研究[J].建筑结构学报，2019（11）：162-171.

[6]陈宗平，周春恒，李 伊.高温后再生混凝土力学性能研究[J].建筑结构学报，2017，38（12）：105-113.

[7]陈宗平，周春恒，谭秋虹.高温后型钢再生混凝土柱轴压性能及承载力计算[J].建筑结构学报，2015，36（12）：70-81.

作者简介：谢旺军（1985—），工程硕士，讲师，工程师，主要从事钢管混凝土组合结构研究工作。

基金项目：2018年度广西高校中青年教师基础能力提升项目（2018KY1024）;国家自然科学基金项目（51578163）;“八桂学者”专项经费资助项目