鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱抗火性能試驗(yàn)研究

朱思懿,朱美春,鄭麗蘭,楊靜樺,王綠儀

(上海師范大學(xué) 建筑工程學(xué)院,上海 201418)

國內(nèi)外學(xué)者對鋼管混凝土力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法開展了深入細(xì)致的研究工作,取得豐碩成果[1].研究表明,鋼管混凝土柱具有承載力高、塑性好、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),但其耐火性能不如鋼骨混凝土柱,需要進(jìn)行防火保護(hù)[1-3].由此,加拿大學(xué)者Lie和Kodur等人[4-8]提出在鋼管內(nèi)放置鋼筋或鋼纖維的方法來提高鋼管混凝土柱的耐火能力.

圖1 鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱試件示意圖

鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱是一種重載柱設(shè)計(jì)的新模式,是在鋼管內(nèi)填充高強(qiáng)混凝土和型鋼而形成.研究表明該組合柱具有很高的承載力和良好的延性[9-10],特別適合在高地震烈度區(qū)的結(jié)構(gòu)中應(yīng)用.除了優(yōu)越的抗震性能以外,鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱還具有良好的耐火性能.雖然可以預(yù)見鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土組合柱具有良好的耐火性能,但是相關(guān)的研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道.本文作者擬通過試驗(yàn)方法對鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱的抗火性能進(jìn)行研究.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共包含兩個試件,其中鋼骨-圓鋼管高強(qiáng)混凝土柱的截面形式如圖1所示,圓鋼管高強(qiáng)混凝土柱的混凝土內(nèi)沒有型鋼,其他尺寸相同.圓鋼管和鋼骨均采用Q345B鋼,鋼管外徑為300 mm,壁厚為8 mm,長度為1800 mm,鋼骨采用H型鋼.試件內(nèi)填C55高強(qiáng)混凝土,沒有進(jìn)行防火保護(hù).試驗(yàn)荷載比取為0.4(試驗(yàn)荷載與常溫極限承載力的比值),其中常溫下試件的極限承載力采用文獻(xiàn)[1]中對鋼管混凝土軸壓構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)公式確定,經(jīng)計(jì)算鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱的試驗(yàn)荷載為2800 kN,鋼管高強(qiáng)混凝土柱的試驗(yàn)荷載為1720 kN.

1.2 試件制作

圖2 試件加載全貌

對于鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱,先將工字鋼焊接在底板上,然后再將圓鋼管焊在底板上,底板、工字鋼和圓鋼管三者要嚴(yán)格保證幾何對中.對于鋼管高強(qiáng)混凝土柱,將圓鋼管焊在底板上,保證幾何對中.混凝土采用分層灌入法,并用φ50振搗棒伸入鋼管內(nèi)部振搗,混凝土采用自然養(yǎng)護(hù).試驗(yàn)前將試件表面磨平,然后焊上蓋板,以保證鋼管、鋼骨和核心混凝土在受荷初期就能共同受力.在試件兩端鋼管與端板交界處,分別設(shè)計(jì)了一個直徑為20 mm的半圓排氣孔.

1.3 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在上海師范大學(xué)建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行.試驗(yàn)裝置由加載框架、千斤頂、電熱爐、油壓、供電、控制及數(shù)據(jù)采集處理等系統(tǒng)組成,試件加載全貌如圖2所示.電熱爐的平面尺寸為800 mm×800 mm×1200 mm,額定功率為90 kW,爐溫由布置在爐內(nèi)的2個S分度的熱點(diǎn)偶測得,溫控采用可編程的SSR智能PID控制,試件的實(shí)際受火高度為1200 mm,軸向位移通過布置在爐外的4個對稱布置的位移計(jì)測得.試驗(yàn)方法及具體步驟如下:

(1) 將試件吊入爐中,定位后用螺栓將試件底板與室內(nèi)地槽連接好,試件蓋板上放置球鉸,試件兩端的邊界條件均為鉸接;

(2) 施加軸向荷載至試件的設(shè)計(jì)荷載,并持荷30 min,記錄試件在此階段發(fā)生的軸向變形;

(3) 按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫,通過人工調(diào)節(jié)保持施加在試件上的荷載穩(wěn)定不變;

(4) 當(dāng)試驗(yàn)接近尾聲時,試件的軸向變形急劇加快,根據(jù)ISO-834標(biāo)準(zhǔn)對柱構(gòu)件達(dá)到耐火極限時的規(guī)定,即當(dāng)①構(gòu)件的軸向壓縮量達(dá)到0.01 Hmm;或②構(gòu)件的軸向壓縮速率超過0.003 Hmm/min(H為構(gòu)件的受火高度,以mm計(jì))時,表明已達(dá)到耐火極限,即停止試驗(yàn).

圖3 爐內(nèi)升溫曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的對比

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 升溫曲線

圖3給出了試驗(yàn)中電熱爐內(nèi)升溫曲線和ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的對比,其中在燃燒前期因電熱爐內(nèi)壁吸收了較多的熱量,故升溫初期爐內(nèi)環(huán)境溫度上升較慢,在8 min后,爐體內(nèi)壁熱交換和輻射達(dá)到平衡后,與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合良好.

2.2 破壞形態(tài)

試驗(yàn)過程中,兩類組合柱的中軸線始終保持直線狀態(tài),到試驗(yàn)結(jié)束時未出現(xiàn)明顯的撓曲.待試件冷卻后,發(fā)現(xiàn)兩類組合柱的破壞形態(tài)類似(圖4a和4b),構(gòu)件表面鐵皮剝落,局部產(chǎn)生明顯鼓曲(圖4c),表明構(gòu)件破壞時這些部位的混凝土已經(jīng)壓碎.

圖4 試件破壞形態(tài)

2.3 軸向變形-升溫時間曲線

圖5 試件的軸向變形-升溫時間曲線

圖5給出了兩個試件的軸向變形-升溫時間關(guān)系曲線.由圖5可知,兩類組合柱的軸向變形都經(jīng)歷了3個階段的變化:第一階段為初始膨脹變形階段.受熱初期,材料強(qiáng)度和彈性模量無明顯降低,受熱膨脹起控制作用,柱子出現(xiàn)隨時間增長的軸向伸長;第二階段為壓縮變形穩(wěn)定增長階段.隨受火時間的增長,柱截面的溫度逐漸升高,對應(yīng)的材料彈性模量和抗壓強(qiáng)度的力學(xué)參數(shù)降低,柱子的承載能力下降,壓縮變形逐漸起控制作用,這一階段壓縮變形的增長較為穩(wěn)定;第三階段為壓縮變形急劇增長的破壞階段,當(dāng)鋼材和核心混凝土的溫度達(dá)到較高水平,材料的抗壓強(qiáng)度大幅下降,承載能力急劇降低,導(dǎo)致局部混凝土被壓碎,構(gòu)件發(fā)生破壞.通過兩條曲線的對比可知,在相同試驗(yàn)條件下,由于鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱第二階段的長度比鋼管高強(qiáng)混凝土柱長很多,其耐火極限可達(dá)166 min,而鋼管高強(qiáng)混凝土柱的耐火極限僅為46 min.這主要是由于鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱中的型鋼處于截面內(nèi)部,周圍被傳熱較慢的混凝土包圍,因此升溫較慢,力學(xué)性能下降幅度小,從而在整體上提高了組合柱在高溫下的承載能力.因此,在鋼管高強(qiáng)混凝土柱中加入型鋼可顯著提高柱子的耐火極限和耐火性能.

3 結(jié) 論

通過有無鋼骨的鋼管高強(qiáng)混凝土柱的對比抗火試驗(yàn)研究,可初步得到以下結(jié)論:

(1) 在相同的火災(zāi)升溫和軸壓力水平作用下,鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱和普通鋼管高強(qiáng)混凝土柱的軸向變形都經(jīng)歷初始膨脹、壓縮變形穩(wěn)定發(fā)展和壓縮變形急劇增加3個階段.

(2) 當(dāng)軸壓力水平為0.4時,未進(jìn)行防火保護(hù)的鋼管高強(qiáng)混凝土柱的耐火極限實(shí)測值為46 min,鋼骨-鋼管高強(qiáng)混凝土柱的耐火極限實(shí)測值為166 min,可見在鋼管高強(qiáng)混凝土柱中加入型鋼可顯著提高柱子的耐火性能.

參考文獻(xiàn):

[1] 韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu):理論與實(shí)踐[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[2] 韓林海,徐蕾.帶保護(hù)層方鋼管高強(qiáng)混凝土柱耐火極限的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2000,33(6):63-69.

[3] 成曉娟,毛小勇.標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下軸壓型鋼混凝土柱抗火性能研究[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報(bào):工程技術(shù)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,劉建新,馮秀峰.鋼骨-方鋼管高強(qiáng)混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2011,44(7):55-63.