軸向位移約束對(duì)工字鋼短柱高溫強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

徐文毅

(武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

軸向位移約束對(duì)工字鋼短柱高溫強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究

徐文毅

(武警學(xué)院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

通過對(duì)工字鋼短柱有、無軸向位移約束兩種工況進(jìn)行的高溫強(qiáng)度試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：有軸向位移約束的構(gòu)件，高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，且溫度越高，溫度應(yīng)力越大，溫度應(yīng)力可導(dǎo)致構(gòu)件屈服破壞，故進(jìn)行超靜定結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮溫度應(yīng)力；無軸向位移約束的構(gòu)件，溫度升高，構(gòu)件受熱膨脹，變形隨時(shí)間的延長逐漸減小，屈服后便進(jìn)入快速壓縮階段。

工字鋼短柱；軸向位移約束；溫度應(yīng)力；屈服破壞

0 引言

因?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、自重輕、抗震性好、施工周期短、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，所以在建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。但高溫時(shí)，鋼構(gòu)件強(qiáng)度會(huì)大幅度降低，如600 ℃左右鋼構(gòu)件強(qiáng)度將減半；另外鋼構(gòu)件多為槽型、工字型等薄壁形狀，其截面系數(shù)較大，從火場(chǎng)吸收熱量多；加之鋼材導(dǎo)熱系數(shù)大，高溫火災(zāi)更易損傷其內(nèi)部材料，因此，裸露的鋼結(jié)構(gòu)耐火極限很低，火災(zāi)中更易發(fā)生倒塌破壞[2]?，F(xiàn)階段國內(nèi)外火災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)耐火性能的研究是國際性的熱點(diǎn)課題，在該方面的研究也取得了一定的成果，但目前有關(guān)鋼構(gòu)件的高溫試驗(yàn)研究大多數(shù)集中于單獨(dú)的構(gòu)件上[3]。然而實(shí)際工程中，鋼結(jié)構(gòu)體系的每個(gè)構(gòu)件都不是孤立存在的，各構(gòu)件間相互連接，彼此形成相互約束，在高溫下各構(gòu)件的膨脹會(huì)受到相應(yīng)限制，這樣就必然會(huì)導(dǎo)致溫度應(yīng)力的產(chǎn)生，而溫度應(yīng)力又會(huì)引起構(gòu)件的屈服、失穩(wěn)等破壞。因此研究溫度應(yīng)力對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的影響更具有現(xiàn)實(shí)意義，它也是鋼結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)的重要課題。本文將對(duì)工字鋼短柱在有、無軸向位移約束兩種工況進(jìn)行高溫試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用型號(hào)為WAW-1000微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)控力精度為1%，最大加載能力為1 000 kN。配有高溫箱和筒式高溫爐，高溫箱用于壓縮試驗(yàn)，筒式高溫爐用于拉伸試驗(yàn)。高溫箱試驗(yàn)空間的長、寬、高分別為340 mm、300 mm、540 mm，最高溫度可達(dá)700 ℃，溫度波動(dòng)范圍±5 ℃，本試驗(yàn)配備能自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)的軟硬件，包括自動(dòng)記錄試件的受力、變形、加溫時(shí)間、試件溫度等數(shù)據(jù)。高溫試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 高溫試驗(yàn)設(shè)備

1.2 試驗(yàn)試件

試件選用的鋼材來自某鋼廠生產(chǎn)的I12-Q235工字鋼，其化學(xué)成分含0.14%C、0.17%Si、0.38%Mn、0.025%P、0.027%S。該鋼材的條件屈服強(qiáng)度為370 MPa，抗拉極限強(qiáng)度為475 MPa。本試驗(yàn)共制作8個(gè)試件，其中2個(gè)用于無軸向位移約束試驗(yàn)，6個(gè)用于有軸向位移約束試驗(yàn)，試件即工字鋼短柱的高度為100 mm，面積為1 780 mm2，如圖2所示。

圖2 工字鋼短柱

1.3 高溫試驗(yàn)過程

有軸向位移約束的高溫試驗(yàn)過程為：(1)給工字鋼短柱加初始載荷，使其產(chǎn)生一定的彈性變形，利用設(shè)備鎖定變形，這就相當(dāng)于給短柱加了軸向位移約束；(2)以約0.3～0.1 ℃·s-1速率加熱工字鋼短柱至指定溫度(試驗(yàn)溫度設(shè)定為300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃6個(gè)水平)，各自恒溫30 min；(3)記錄短柱所受力、加溫時(shí)間、短柱溫度三者之間的變化關(guān)系。由于工字鋼短柱在高溫箱中，不便觀察破壞過程，只有等試驗(yàn)結(jié)束后打開高溫箱取出短柱，再觀察其外觀變化和破壞情況。

無軸向位移約束高溫試驗(yàn)過程為：(1)給工字鋼短柱加初始載荷F0，使其產(chǎn)生一定的彈性變形，利用設(shè)備鎖定載荷；(2)以約0.3～0.1 ℃·s-1速率加熱工字鋼短柱至屈服破壞；(3)記錄短柱的變形、加溫時(shí)間、短柱溫度三者之間的變化關(guān)系。本組試驗(yàn)為F0=0.50Fs與F0=0.60Fs兩種情況，F(xiàn)s是條件屈服強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

有軸向位移約束高溫試驗(yàn)中，工字鋼短柱的受力與加溫時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。6個(gè)水平溫度所對(duì)應(yīng)的受力與溫度應(yīng)力σT如表2所示。結(jié)果表明：隨著加溫時(shí)間的延長，即隨著溫度的升高，工字鋼短柱在熱膨脹產(chǎn)生的溫度應(yīng)力σT與初始應(yīng)力σ0共同作用下，工字鋼短柱內(nèi)力迅速增加，溫度T越高，增加的溫度應(yīng)力σT越大。由表2和圖3可知：(1)當(dāng)溫度T≤350 ℃時(shí)，工字鋼短柱內(nèi)部產(chǎn)生的最大應(yīng)力σmax小于材料的條件屈服強(qiáng)度σs，350 ℃時(shí)，溫度應(yīng)力σT=82.3 MPa，溫度應(yīng)力σT較小，故短柱受熱時(shí)間可足夠長，恒溫30 min并未發(fā)生屈服破壞。(2)當(dāng)T=400 ℃，σ0/σs=0.50，σmax/σs=0.80，短柱有屈服跡象，此時(shí)短柱內(nèi)溫度應(yīng)力σT=111.2 MPa。隨著溫度的升高，雖然σ0/σs、σmax/σs逐漸減小，但短柱內(nèi)部的溫度應(yīng)力σT卻逐漸增大，工字鋼短柱的破壞也越來越嚴(yán)重。(3)設(shè)定升溫到500 ℃的工字鋼短柱，開始屈服的溫度約為480 ℃；設(shè)定升溫到550 ℃的工字鋼短柱，開始屈服的溫度約為490 ℃。試驗(yàn)結(jié)果表明：溫度應(yīng)力σT達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，足以造成工字鋼短柱的破壞，也因此導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的破壞。

1.T=300 ℃；2.T=350 ℃；3.T=400 ℃；4.T=450 ℃；5.T=500 ℃；6.T=550 ℃

試驗(yàn)溫度T/℃300350400450500550初應(yīng)力σ0/MPa246.6212.1183.5152.8123.391.8最大應(yīng)力σmax=σ0+σT/MPa316.9294.4294.7280.9252.5236.3初應(yīng)力與條件屈服強(qiáng)度比σ0/σs0.670.570.500.410.330.25最大應(yīng)力與條件屈服強(qiáng)度比σmax/σs0.870.800.800.760.680.64溫度應(yīng)力σT/MPa70.282.3111.2128.1129.2144.5屈服破壞溫度T/℃未屈服未屈服400440480490

無軸向位移約束高溫試驗(yàn)中，工字鋼短柱加溫后的變形與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示。兩組試驗(yàn)的變形初始值不是絕對(duì)數(shù)值，而是相對(duì)數(shù)值。試驗(yàn)結(jié)果表明：(1)隨著加溫時(shí)間的延長，即隨著溫度的升高，工字鋼短柱受熱膨脹，表現(xiàn)為變形值逐漸減小。(2)曲線上的最低點(diǎn)即拐點(diǎn)，表明工字鋼短柱在此開始屈服，此后就進(jìn)入快速壓縮階段。(3)K=σ0/σs=0.50試驗(yàn)中，拐點(diǎn)溫度為520 ℃，K=σ0/σs=0.60試驗(yàn)中，拐點(diǎn)溫度為445 ℃。

圖4 無軸向位移約束短柱升溫變形與時(shí)間的曲線圖

試驗(yàn)完畢取出工字鋼短柱，發(fā)現(xiàn)其腹板和翼緣都已屈服、失穩(wěn)破壞。破壞主要是由于腹板比較薄，內(nèi)部溫度比較高，在高溫下產(chǎn)生的溫度應(yīng)力σT導(dǎo)致工字鋼的腹板局部屈服、失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)構(gòu)件整體失穩(wěn)。工字鋼短柱試驗(yàn)前后外觀對(duì)比如圖5所示。

3 結(jié)論

通過對(duì)工字鋼短柱有、無軸向位移約束兩種工況下的高溫強(qiáng)度試驗(yàn)研究可得出如下結(jié)論：(1)有軸向位移約束的構(gòu)件，高溫時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力σT，溫度T越高，溫度應(yīng)力σT越大。(2)溫度應(yīng)力σT可導(dǎo)致構(gòu)件的屈服、失穩(wěn)破壞，所以對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐火設(shè)計(jì)時(shí)，溫度應(yīng)力σT是必須要考慮的因素。(3)無軸向位移約束的構(gòu)件，隨著試驗(yàn)溫度的升高，構(gòu)件受熱膨脹，變形隨時(shí)間的延長而逐漸減小，屈服后便進(jìn)入快速壓縮階段。(4)常溫下可保持局部穩(wěn)定性的薄壁型鋼，高溫時(shí)可出現(xiàn)局部失穩(wěn)，進(jìn)而引發(fā)構(gòu)件整體失穩(wěn)。

圖5 工字鋼短柱外觀圖

[1] 徐文毅,李煥群,彭天國.耐火鋼與普通結(jié)構(gòu)鋼高溫強(qiáng)度的比較試驗(yàn)[J].建筑結(jié)構(gòu),2008,38(10):27-28.

[2] 屈立軍,李煥群.Q420鋼材高溫強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].消防科學(xué)與技術(shù),2004,23(3):223-225.

[3] Eurocode3:Design of steel structures,Part 1.2:General rules/structural fire design: ENV1993-1-2[S].

(責(zé)任編輯 馬 龍)

An Experimental Study on the Strength of an I-profile Short Column about Axial Displacement Restraint at Elevated Temperature

XU Wenyi

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The experiment on the strength of an I-profile short column with or without axial displacement restraint at elevated temperature shows that the element with axial restraint produces a temperature stress at an elevated temperature, and the higher the temperature is, the stronger the temperature stress is, and a yield failure of the element is produced by temperature stress, so the temperature stress has to be considered in designing the fireproof in statically indeterminate structure. While the element without axial displacement restraint enlarges at an elevated temperature and the deformation degree will reduce, it turns into yielding and compressing stage after yielding failure.

I-profile short column; axial displacement restraint; temperature stress; yield failure

2016-05-26

徐文毅(1968— )，女，河北廊坊人，副教授。

TU391;D631.6

A

1008-2077(2016)12-0020-03