單跨組合梁火災(zāi)變形性能研究

呂俊利，董毓利，楊志年

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱，LJL1978@163.com;2.山東建筑大學(xué)山東省建筑結(jié)構(gòu)鑒定加固與改造重點實驗室，250101 濟(jì)南)

單跨組合梁火災(zāi)變形性能研究

呂俊利1，2，董毓利1，楊志年1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱，LJL1978@163.com;2.山東建筑大學(xué)山東省建筑結(jié)構(gòu)鑒定加固與改造重點實驗室，250101 濟(jì)南)

為研究整體結(jié)構(gòu)中組合梁在火災(zāi)中的的變形性能，采用試驗方法對2個組合梁進(jìn)行研究，考慮組合梁在整體結(jié)構(gòu)中所處位置的不同2種工況.試驗中量測了爐溫、組合梁沿截面高度不同測點的溫度、組合梁的豎向變形.結(jié)果表明:在火災(zāi)試驗過程中，組合梁同一截面存在較大的溫度梯度，產(chǎn)生溫度應(yīng)力，而相鄰構(gòu)件的約束使得組合梁不能自由變形，以致組合梁的豎向變形在升溫階段就開始恢復(fù)，最后產(chǎn)生向上的變形;組合梁在整體結(jié)構(gòu)中所處位置不同，其火災(zāi)變形性能也不同.整體結(jié)構(gòu)中裸露的組合梁表現(xiàn)出很好的抗火性能.

鋼結(jié)構(gòu)框架樓;組合梁;試驗;火災(zāi)

鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)和彈性模量在高溫下迅速降低，直接裸露在高溫下的鋼結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞.因此，鋼結(jié)構(gòu)建筑物在進(jìn)行設(shè)計時需要依據(jù)構(gòu)件的耐火極限要求，采取相應(yīng)的防火保護(hù)措施.實際鋼結(jié)構(gòu)建筑中樓板多采用現(xiàn)澆混凝土樓板，樓板與鋼梁通過栓釘連接形成混凝土-鋼組合梁.這種組合梁結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材和混凝土的力學(xué)性能，受力合理且具有整體剛度大、施工方便等優(yōu)點.國內(nèi)學(xué)者［1-7］普遍認(rèn)為裸露組合梁由于混凝土的吸熱作用，鋼梁溫度明顯低于無混凝土?xí)r裸露鋼構(gòu)件的溫度，其抗火性能有較大改善，但試驗對象僅限于單一構(gòu)件或子結(jié)構(gòu)模型.

實際結(jié)構(gòu)中組合梁與其他構(gòu)件連接在一起，其變形要受到與之相連構(gòu)件的約束，而且鋼梁之上的混凝土板在樓板平面內(nèi)剛度無限大，可以有效抑制組合梁的變形.毫無疑問，實際結(jié)構(gòu)中組合梁在火災(zāi)中的變形性能不同于單一構(gòu)件在火災(zāi)中的變形性能.目前，國內(nèi)學(xué)者未對整體結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件在火災(zāi)中的變形性能進(jìn)行試驗研究和可靠的理論分析.國外學(xué)者［8-11］對此進(jìn)行了一些有益的探索，Wang［8，10］，Bailey 等［9］在 Cardington 對一棟5×3跨的8層鋼結(jié)構(gòu)框架樓進(jìn)行了一系列火災(zāi)試驗，其中試驗之一是針對9 m跨組合梁進(jìn)行的火災(zāi)試驗，組合梁在試驗中跨中撓度達(dá)到了232 mm而未破壞，試驗結(jié)束后恢復(fù)到113 mm，該試驗表明整體結(jié)構(gòu)中組合梁在火災(zāi)中具有很好的抗火性能，該試驗中樓板形式為壓型鋼板組合樓板.

作者對3×3跨3層鋼結(jié)構(gòu)框架樓中不同位置的2個單跨組合梁在火災(zāi)作用下的變形性能進(jìn)行了試驗研究，鋼框架樓采用現(xiàn)澆混凝土樓板.

1 試驗方案

1.1 鋼結(jié)構(gòu)框架樓

鋼結(jié)構(gòu)框架樓一層層高3.5 m，二、三層層高3.0 m，柱跨度4.5 m，結(jié)構(gòu)平面、樓板配筋及構(gòu)造等情況見圖1.鋼梁、鋼柱截面形式采用多高層鋼結(jié)構(gòu)建筑中常用的H形截面，鋼柱采用HW200×200×8×12型鋼，鋼梁采用 HN250×125×6×9型鋼，均為萊蕪鋼鐵股份有限公司生產(chǎn)，樓板采用現(xiàn)澆混凝土樓板，板厚120 mm，鋼梁頂設(shè)圓柱形栓釘?16@200.混凝土采用商品混凝土，立方體強(qiáng)度33.3 MPa.梁柱節(jié)點的連接在加工廠等強(qiáng)度熔焊，鋼梁在施工現(xiàn)場與鋼柱連接的拼接接點距離鋼柱軸線300 mm，拼接接點上下翼緣現(xiàn)場焊接，腹板通過高強(qiáng)螺栓連接，接點見圖2，全樓整體見圖3.

圖1 一～三層結(jié)構(gòu)平面(mm)

1.2 試驗?zāi)康募霸囼炑b置

為研究組合梁在正常使用狀態(tài)下的火災(zāi)變形性能以及相臨構(gòu)件對組合梁火災(zāi)行為的不同約束程度，對框架樓中不同位置的2個單跨組合梁進(jìn)行火災(zāi)試驗研究，工況2在工況1完成后進(jìn)行，由于單跨組合梁試驗時，僅對組合梁升溫，梁柱節(jié)點和柱不受火，故先完成的工況1試驗可以認(rèn)為對工況2試驗沒影響，具體情況見表1.

圖2 梁柱拼接接點(mm)

圖3 試驗樓外貌

表1 組合梁基本情況

試驗前樓面按照設(shè)計荷載2 kN/m2用砂袋加均布荷載.工況1設(shè)計建造試驗爐尺寸為爐長4.2 m、寬 1.2 m、高 1.3 m，鋼梁拼接接點位于爐體內(nèi)受火，爐壁距柱邊預(yù)留50 mm空隙.工況2設(shè)計建造的試驗爐尺寸為爐長3.6 m、寬1.2 m、高1.3 m，鋼梁拼接接點位于爐體外不受火，圖4是試驗爐示意圖.2種工況下的爐壁頂與混凝土樓板底預(yù)留100 mm空隙，填充可以壓縮的硅酸鋁面氈，保證試驗過程中鋼梁和混凝土板可以向下?lián)锨冃?加溫系統(tǒng)由4個燃油燃燒器組成，沿爐體長度方向每側(cè)2個，交錯布置于爐體五等分點上.

圖4 試驗爐裝置示意

1.3 試驗測試內(nèi)容及測試位置

爐體內(nèi)煙氣溫度，在爐體內(nèi)三等分點處設(shè)置2個測點;組合梁在四等分點處沿截面高度的溫度場;組合梁在四等分點處的豎向變形.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

圖5為工況一和工況二爐溫和組合梁同一截面不同測點的溫度與時間的關(guān)系曲線，所注距離為熱電偶所處位置，規(guī)定鋼筋混凝土樓板上表面為零點，向下算起.混凝土樓板厚度為120 mm，當(dāng)距離超過這個厚度時，表明測試熱電偶已不在混凝土板中，而是位于H型鋼梁的腹板或翼緣上，如370 mm曲線表示溫度測試點距離混凝土板上表面370 mm，即鋼梁下翼緣的溫度與時間關(guān)系曲線.

由圖5可知，試驗爐很好地模擬了建筑火災(zāi)轟燃之后，火災(zāi)充分發(fā)展階段快速升溫的特點，表明所設(shè)計的試驗爐能夠滿足試驗的預(yù)定目的.

圖5曲線表現(xiàn)出相同的規(guī)律:試驗開始之后，裸露的鋼梁溫度隨爐溫的快速升高而快速升高，表現(xiàn)出和爐溫基本一致的升溫曲線;但混凝土樓板溫度明顯滯后，原因有:混凝土導(dǎo)熱系數(shù)小，有效阻滯了溫度的傳導(dǎo);當(dāng)溫度達(dá)到100℃之后，混凝土中的結(jié)晶水開始蒸發(fā)，消耗掉部分熱量;整體結(jié)構(gòu)中混凝土樓板吸收部分熱量.停止升溫之后，鋼梁溫度隨爐溫的快速降低而降低，而混凝土樓板不同厚度處的溫度呈現(xiàn)出不同的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為:80、100 mm處混凝土溫度隨爐溫的快速降低呈現(xiàn)出降低趨勢，20、40、60 mm處混凝土溫度隨爐溫的降低呈現(xiàn)出繼續(xù)升高的趨勢，最后各條溫度曲線趨向相同.這是由于停止升溫后，同一截面混凝土樓板不同厚度的溫度梯度較大，存在一個熱傳遞的過程.

圖5 CB1和CB2截面溫度爐溫與時間曲線

2.2 組合梁變形性能對比分析

試驗過程中量測了組合梁在四等分點截面的豎向變形，分別記為1/4 L、2/4 L、3/4 L.規(guī)定豎向位移以向下為正，向上為負(fù).圖6為 CB1和CB2整個試驗過程中的豎向變形與時間的關(guān)系曲線.對于CB1，試驗開始之后，隨著溫度的升高組合梁產(chǎn)生向下的變形，如在24 min時2/4 L處豎向位移達(dá)到最大值17.60 mm，此時爐內(nèi)溫度是557.7℃，之后爐內(nèi)溫度繼續(xù)升高，而組合梁的豎向變形并沒有繼續(xù)增大，而是開始恢復(fù)，122 min停止升溫，此時組合梁2/4 L處的豎向變形是11.68 mm，在停止升溫后的 58 min，2/4 L處豎向變形恢復(fù)到初始位置，之后變形并未停止，產(chǎn)生向上的位移.對于CB2，試驗開始之后，隨著溫度的升高組合梁產(chǎn)生向下的變形，在50 min時，組合梁2/4 L處截面達(dá)到最大豎向位移27.6 mm，此時爐內(nèi)溫度是817.3℃，之后爐內(nèi)溫度繼續(xù)升高，而組合梁的豎向變形同樣開始恢復(fù)，在136 min停止升溫，爐溫開始下降，此時組合梁2/4 L處14.80 mm，在停止升溫后的 37.6 min，2/4 L 處豎向變形恢復(fù)到初始位置，之后變形并未停止，最后產(chǎn)生向上的位移.

從2種工況組合梁的整個變形過程看，CB2豎向變形更復(fù)雜，變形變化更劇烈，而2種組合梁的連接構(gòu)造和升降溫過程是一樣的，所不同的是在整體結(jié)構(gòu)中所處的位置不同，CB2位于整體結(jié)構(gòu)的中部，受到周邊構(gòu)件的約束程度要比CB1所受到的約束更強(qiáng).

圖6 CB1和CB2豎向變形與時間的關(guān)系曲線

文獻(xiàn)［7］進(jìn)行了四榀組合鋼框架的試驗研究，采用的鋼柱和鋼梁的生產(chǎn)廠家和截面尺寸均與本文相同，僅鋼梁跨度為 3.6 m.文獻(xiàn)［7］中KJ1-B組合梁構(gòu)造形式和受火工況與本文也相同，文獻(xiàn)結(jié)果表明KJ1-B在受火后即產(chǎn)生向下的變形，達(dá)到最大值29.07 mm后，變形有一定程度恢復(fù)，但并未出現(xiàn)反向變形.其最大豎向變形明顯大于本文最大豎向變形17.60 mm(本文組合梁跨度4.5 m).可見，整體結(jié)構(gòu)中的組合梁由于受到相鄰構(gòu)件的約束，呈現(xiàn)出優(yōu)于模型試驗的抗火性能.

圖7為2種工況在3個不同瞬時(組合梁跨中截面第一次達(dá)到最大變形量時、停止升溫時、降溫一段時間后)的豎向位移測點測量值的連線，水平軸表示組合梁的初始位置，圖中規(guī)定測量值向下為負(fù)，向上為正，以其連線來刻畫組合梁的撓曲變形示意圖.可以看出工況2組合梁在火災(zāi)過程中撓曲變形更復(fù)雜，具體表現(xiàn)在同一瞬時，梁跨度范圍內(nèi)不同截面出現(xiàn)了2個方向的變形，而工況1組合梁并未出現(xiàn)該現(xiàn)象.這說明工況2組合梁受到了很大的軸力作用，而這個軸力正是組合梁受到火災(zāi)作用后相鄰構(gòu)件與組合梁相互約束產(chǎn)生的.

圖7 CB1和CB2瞬時變形圖

3 結(jié)論

1)火災(zāi)升溫階段，組合梁混凝土部分溫度滯后鋼梁溫度，由于溫度梯度的存在會產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力，正是此溫度應(yīng)力的存在使得組合梁撓曲變形在升溫階段就開始恢復(fù).火災(zāi)降溫階段，溫度梯度仍會存在較長時間，最后同一截面不同測點溫度趨向相同，組合梁的變形繼續(xù)恢復(fù)，恢復(fù)到試驗前的初始位置之后，產(chǎn)生向上的變形.

2)組合梁在整體結(jié)構(gòu)中所處的位置不同，受到其他周邊構(gòu)件的約束程度也不同，在火災(zāi)中表現(xiàn)出不同的抗火性能.

3)整體結(jié)構(gòu)中組合梁的火災(zāi)行為不同于構(gòu)件試驗中組合梁的火災(zāi)行為，表現(xiàn)出更好的抗火性能.

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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.

國家自然科學(xué)基金資助項目(50878069).

呂俊利(1978—)，男，講師，博士研究生;

董毓利(1965—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 趙麗瑩)