鋼管混凝土柱的抗火性能實(shí)驗(yàn)方式及結(jié)果分析

劉長(zhǎng)義

（佳木斯建成建筑有限公司，佳木斯 154002）

鋼管混凝土柱的抗火性能實(shí)驗(yàn)方式及結(jié)果分析

劉長(zhǎng)義

（佳木斯建成建筑有限公司，佳木斯 154002）

鋼管混凝土柱；火災(zāi)實(shí)驗(yàn)；耐火極限

引言

混凝土作為傳統(tǒng)的建筑材料，它具有很多的優(yōu)勢(shì)，比如抗壓強(qiáng)度大、耐高溫、耐腐蝕、制備簡(jiǎn)單方便，當(dāng)然也同樣具有很多明顯的劣勢(shì)，比如抗拉強(qiáng)度差，過于笨重等。鋼管混凝土柱是混凝土與鋼材的一種組合方式，兩種材料取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮了混凝土抗壓性能和鋼材的抗拉性能，達(dá)到優(yōu)化組合的作用效果。鋼管混凝土結(jié)構(gòu)由于具有承載力高、塑性韌性好、施工速度快、綜合效益好等工程特點(diǎn)，因而在高層、超高層建筑中的應(yīng)用越來越普遍。然而，在火災(zāi)作用下材料的力學(xué)性能有相當(dāng)大的下降，承載力也隨之下降。

1.試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

火災(zāi)試驗(yàn)的試件共有2個(gè)鋼管混凝土柱 Z1、Z2。采用 C40商品混凝土，PO42.5R水泥，粒徑10mm～20mm的硅質(zhì)粗骨料，中砂，摻加XTR-B外加劑，試驗(yàn)時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為38MPa；鋼管外徑為219mm，壁厚4mm的鋼管，鋼材屈服強(qiáng)度為280MPa，極限強(qiáng)度390MPa。在試件兩端的各留4個(gè)直徑20mm左右的排氣孔，用于受火后混凝土內(nèi)部的水汽排出。

1.2 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

室內(nèi)火災(zāi)的發(fā)展一般可分為火災(zāi)的初期增長(zhǎng)、充分發(fā)展和衰減熄滅三個(gè)階段?；馂?zāi)充分發(fā)展階段升溫速率快、溫度高，對(duì)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重。為了近似模擬快速升溫階段，采用燃油火災(zāi)試驗(yàn)爐通過噴嘴將輕柴油霧化，點(diǎn)燃后在爐體內(nèi)產(chǎn)生高溫。爐內(nèi)升溫由直徑為3mm的N型熱電偶測(cè)量?；馂?zāi)試驗(yàn)中試件由油壓千斤頂施加1600KN軸向壓力，并通過高壓油泵來控制和調(diào)整施加荷載的大小。試件上端部伸出爐蓋，防止高溫使千斤頂失效。試件下端部用砂子進(jìn)行維護(hù)，防止支座溫度過高，因此試件的實(shí)際受火高度約為2800mm左右。

試件軸向變形由量程為±200mm的2個(gè)差動(dòng)式位移傳感器測(cè)量，位移傳感器放置在柱頂千斤頂?shù)乃闹?。試件表面和核心混凝土?nèi)部的溫度由直徑為0.5mm的K型熱電偶測(cè)量。位移計(jì)和熱電偶測(cè)得的數(shù)據(jù)均由HP數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集并存儲(chǔ)。

2.高溫條件下混凝土的熱運(yùn)動(dòng)

混凝土在加熱過程中的形變受以下四種條件的影響,即:熱應(yīng)變，瞬時(shí)壓力相關(guān)應(yīng)變,瞬變應(yīng)變和蠕變應(yīng)變。因此,由負(fù)載引起的應(yīng)變是以下三種條件的總和。

熱應(yīng)變代表因?yàn)闇囟茸兓鸬拈L(zhǎng)度變化；它僅是以溫度為變量的函數(shù)，主要受到骨料的類型的影響。熱應(yīng)變通常是在無其他應(yīng)力作用的高溫下對(duì)試件進(jìn)行測(cè)量的。

在一定的溫度下，由于外部荷載的加載導(dǎo)致混凝土在高溫條件下發(fā)生順勢(shì)壓力應(yīng)變 （等于瞬時(shí)荷載引起的應(yīng)變）。通常的試驗(yàn)方式是在一個(gè)給定的溫度場(chǎng)下對(duì)試件進(jìn)行加熱，然后再通過簡(jiǎn)單的單方向受壓的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

瞬變也是由荷載加載過程引發(fā)的應(yīng)變，似乎跟水泥漿性能有很大關(guān)系。比如，它可以通過增加的聚集體的數(shù)量而降低?；炷翗?gòu)件的瞬變?cè)诩訜徇^程中起著非常重要的作用，因?yàn)槠鋵?duì)由負(fù)載引起的應(yīng)變具有最主要的影響。

在高溫下的蠕變與在室溫下的蠕變具有相同的基本特征，但其比室溫下的具有更高的價(jià)值，因?yàn)楦邷叵碌娜渥儗?duì)溫度和水在混凝土構(gòu)件中的毛細(xì)管和微凝膠孔之間的擴(kuò)散所產(chǎn)生的黏結(jié)鍵的比率。而具體的測(cè)量方式是通過在一個(gè)既定的恒溫恒壓的條件條件下的構(gòu)件的受壓試驗(yàn)中進(jìn)行測(cè)定。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，利用疊加原理，可以提出相應(yīng)的假設(shè)?？倯?yīng)變可以表述為：混凝土試件的瞬變和蠕變伴隨產(chǎn)生的由負(fù)荷引起的應(yīng)變顯著增加，從而使混凝土表觀強(qiáng)度降低。正如已經(jīng)提到的，這種影響既有優(yōu)點(diǎn)（由于熱應(yīng)力的松弛，熱膨脹的限制程度降低）又有缺點(diǎn)（二階效應(yīng)的影響更大）。無論是前者還是后者都不能起到預(yù)測(cè)的作用，因?yàn)檫@個(gè)問題涉及很多不確定因素，如幾何尺寸、結(jié)構(gòu)布置、邊界約束條件等。在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)的試驗(yàn)中，構(gòu)件的受火時(shí)長(zhǎng)已經(jīng)得到了一個(gè)普遍的共識(shí)，但是，相比于瞬變?cè)谠囼?yàn)中的影響，蠕變沒有這么重要，經(jīng)常被忽略或者集中到瞬變的計(jì)算中去。

3.構(gòu)件對(duì)鋼管混凝土柱耐火極限的影響

3.1 鋼管壁厚對(duì)鋼管混凝土柱耐火極限的影響

在常溫下，鋼管壁厚對(duì)鋼管混凝土柱的受力性能起到至關(guān)重要的作用。但是在受火條件下，由于鋼管裸露，溫度迅速升高，強(qiáng)度損失嚴(yán)重，因此鋼管壁的厚度對(duì)耐火極限的影響不大。當(dāng)結(jié)構(gòu)鋼的溫度在400℃以上時(shí)其強(qiáng)度迅速降低，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，其強(qiáng)度降低為常溫下的 1/2；700℃時(shí)降為常溫下的 1/4；800℃時(shí)降為常溫下的1/10；900℃以上時(shí)其強(qiáng)度基本完全喪失。

鋼管在強(qiáng)度降低以后，不但其軸向的承載能力降低，而且其對(duì)核心混凝土的約束能力也顯著降低.同時(shí)由于高溫下鋼管與內(nèi)核混凝土熱膨脹變形的差異，也導(dǎo)致了鋼管與內(nèi)核混凝土之間的組合作用迅速降低。在受火60min以后，鋼管的溫度已經(jīng)達(dá)到800℃以上，此時(shí)鋼管已經(jīng)基本上退出工作了。

3.2 配筋對(duì)鋼管混凝土柱耐火極限的影響

試驗(yàn)表明，配筋對(duì)提高鋼管混凝土柱的抗火性能的作用主要體現(xiàn)：鋼筋埋置在內(nèi)核混凝土中，有一定厚度的保護(hù)層，因此升溫較慢，縱筋的強(qiáng)度降低較小，所以對(duì)火災(zāi)下鋼管混凝土柱的承載力。

3.3 砂漿保護(hù)層對(duì)鋼管混凝土柱耐火極限的影響

常溫下，鋼管的“套箍”作用對(duì)鋼管混凝土柱的受力性能起到至關(guān)重要的作用。火災(zāi)下，鋼材的溫度在400℃以上時(shí)其強(qiáng)度迅速降低，當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)其強(qiáng)度約降低為常溫下的1/2。鋼管強(qiáng)度降低以后，不但其縱向的承載能力降低，而且對(duì)核心混凝土的約束能力也顯著降低，同時(shí)由于高溫下鋼管與核心混凝土熱膨脹變形的差異，導(dǎo)致鋼管與核心混凝土之間的組合作用迅速降低，因此鋼管對(duì)鋼管混凝土柱承載能力的貢獻(xiàn)隨著溫度的提高而迅速降低。

4.結(jié)論

砂漿保護(hù)層在火災(zāi)中沒有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，所以砂漿的存在可以提高鋼管混凝土柱的耐火極限；火災(zāi)下，鋼管強(qiáng)度降低，不但其縱向的承載能力降低，而且對(duì)核心混凝土的約束能力也顯著降低，因此受火后鋼管對(duì)鋼管混凝土柱承載能力的貢獻(xiàn)隨著鋼材溫度提高而迅速降低；第一次受火不是很嚴(yán)重的情況下，鋼管混凝土柱在第二次受火時(shí)，其耐火極限有顯著的降低?！?/p>

（編輯/穆楊）