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    鋼筋混凝土柱溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究

    2017-12-28 09:29:16潘雁翀王國(guó)輝
    火災(zāi)科學(xué) 2017年3期
    關(guān)鍵詞:火面溫度場(chǎng)降溫

    項(xiàng) 凱,潘雁翀,王國(guó)輝

    (公安部天津消防研究所,天津,300381)

    鋼筋混凝土柱溫度場(chǎng)試驗(yàn)研究

    項(xiàng) 凱*,潘雁翀,王國(guó)輝

    (公安部天津消防研究所,天津,300381)

    研究鋼筋混凝土柱在升溫、降溫加熱曲線作用下的截面溫度場(chǎng)分布。完成了1根邊長(zhǎng)700 mm方形鋼筋混凝土柱的四面受火溫度場(chǎng)試驗(yàn),加熱曲線升溫段為ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,降溫段為隨爐冷卻降溫曲線。試驗(yàn)過程中測(cè)得了柱截面內(nèi)不同位置的溫度變化。建立有限元模型對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明:方形柱截面內(nèi)不同位置的升溫速率、降溫速率受其距受火面距離影響較大;截面內(nèi)距離受火面越遠(yuǎn)的位置,升溫滯后現(xiàn)象越明顯;在ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫和隨爐降溫加熱曲線作用下,當(dāng)方形柱的截面邊長(zhǎng)大于等于700 mm時(shí),柱截面內(nèi)的溫度分布可反映大截面尺寸鋼筋混凝土柱在火災(zāi)升、降溫階段的溫度分布變化。

    柱;鋼筋混凝土;截面尺寸;溫度場(chǎng)

    0 引言

    火災(zāi)對(duì)各類建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為各種建筑材料受到高溫影響,其火災(zāi)中和火災(zāi)后的力學(xué)性能發(fā)生劣化,不同建筑材料間的力學(xué)性能受到高溫影響,其火災(zāi)中和火災(zāi)后的粘結(jié)強(qiáng)度發(fā)生劣化,由此可見,研究建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布是明晰火災(zāi)中和火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件力學(xué)性能的前提條件。柱構(gòu)件是建筑結(jié)構(gòu)主要的受力構(gòu)件,對(duì)于鋼筋混凝土柱的抗火性能國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究[1]。

    鋼筋混凝土柱溫度場(chǎng)的研究方面,蘇等[2]報(bào)道了ASTM E119升溫曲線作用的,37根方形、矩形、圓形鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸203 mm×203 mm、305 mm×305 mm、406 mm×406 mm、305 mm×457 mm、203 mm×914 mm、356 mm。Jau和 Huang[3]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的,6根鋼筋混凝土角柱,非對(duì)稱兩面受火的溫度場(chǎng)試驗(yàn),升溫時(shí)間2 h、4 h,截面尺寸300 mm×450 mm。Chen等[4]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的,6根鋼筋混凝土柱溫度場(chǎng)試驗(yàn),升溫時(shí)間2 h、4 h,截面尺寸300 mm×450 mm。Xu和Wu[5]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的,12根L形、+形、T形、方形鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),受火方式考慮不同面受火的情況,方形柱截面尺寸400 mm×400 mm。Martins和Rodrigues[6]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的,11根方形鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸160 mm×160 mm、250 mm×250 mm。Huo等[7]報(bào)道了電爐加熱的,考慮降溫段的18根方形鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸150 mm×150 mm。時(shí)等[8]報(bào)道了電爐加熱的,12根矩形鋼筋混凝土柱的三面受火溫度場(chǎng)試驗(yàn),試驗(yàn)溫度20 ℃~950 ℃,截面尺寸100 mm×200 mm。吳等[9]報(bào)道了電爐加熱的,3根方形鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸200 mm×200 mm。吳等[10]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的,7根方形高強(qiáng)和普通鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),受火方式為兩面、三面、四面受火,截面尺寸300 mm×300 mm。成和李[11]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的,6根鋼筋混凝土柱的三面受火溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸250 mm×300 mm、300 mm×300 mm。袁等[12]報(bào)道了電爐加熱的,12根矩形鋼筋混凝土柱在經(jīng)歷不同加熱溫度(250 ℃、450 ℃、650 ℃),不同冷卻方式(噴水與自然冷卻)情況下的溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸100 mm×150 mm。徐等[13]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和隨爐冷卻降溫曲線作用的,7根方形鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),升溫時(shí)間60 min、90 min、120 min,截面尺寸300 mm×300 mm。Liu等[14]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線作用的,21根圓形鋼管約束鋼筋混凝土短柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸200 mm、250 mm。Yang等[15]報(bào)道了標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線作用的,14根圓形鋼管約束鋼筋混凝土長(zhǎng)柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),截面尺寸200 mm、250 mm。

    由上述的研究成果可以看出,已有的研究成果多為相對(duì)較小截面尺寸的鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)試驗(yàn),并且考慮升溫、降溫曲線作用的試驗(yàn)相對(duì)較少。隨著建筑高度的不斷增加,相應(yīng)的實(shí)際建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸也不斷增大,需要研究相對(duì)較大截面尺寸結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度場(chǎng)分布。并且研究表明[16, 17],加熱曲線降溫段對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能的影響十分重要,荷載較大時(shí)試件可能在降溫段發(fā)生破壞。本文以ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和隨爐冷卻降溫曲線作用的,1根截面邊長(zhǎng)為700 mm方形鋼筋混凝土柱的四面受火的溫度場(chǎng)試驗(yàn)為基礎(chǔ),詳細(xì)分析了截面邊長(zhǎng)400 mm~1300 mm范圍內(nèi)的方形鋼筋混凝土柱在加熱曲線升溫段、降溫段的截面溫度場(chǎng)分布特點(diǎn),采用ABAQUS軟件分析了截面尺寸變化對(duì)柱截面內(nèi)溫度場(chǎng)影響規(guī)律,研究成果為相對(duì)較大截面尺寸鋼筋混凝土柱的火災(zāi)中和火災(zāi)后的力學(xué)性能分析提供了可靠的溫度場(chǎng)研究基礎(chǔ)。

    1 試驗(yàn)概況

    1.1 試件設(shè)計(jì)

    設(shè)計(jì)制作了1根方形截面鋼筋混凝土柱試件Z1,試件高度3700 mm,截面尺寸700 mm×700 mm。縱筋采用12根直徑22 mm鋼筋,方形截面的每一側(cè)布置4根縱筋,箍筋采用直徑8 mm鋼筋,在柱上下端700 mm范圍內(nèi)箍筋間距100 mm,沿柱縱向的其余區(qū)域,箍筋間距200 mm,混凝土保護(hù)層厚度為50 mm,鋼筋混凝土柱試件的示意圖如圖1所示。在鋼筋混凝土柱的上下兩端設(shè)置端板,端板厚度均為30 mm,端板尺寸1 000 mm×1 000 mm,上部端板設(shè)置吊鉤。

    1.2 材料性能

    縱筋采用HRB335級(jí)鋼筋,箍筋采用HPB300級(jí)鋼筋,混凝土采用C40商品混凝土,其質(zhì)量配合比為:水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水∶外加劑∶摻合料=1∶2.33∶3.64∶0.58∶0.03∶0.49?;炷恋牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50081- 2002)規(guī)定的方法測(cè)試得到,28天時(shí)混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度為45.8 MPa,試驗(yàn)時(shí)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為47.0 MPa。試驗(yàn)時(shí)混凝土齡期為64天。

    圖1 鋼筋混凝土柱詳圖Fig.1 Details of RC column

    1.3 溫度場(chǎng)試驗(yàn)

    試驗(yàn)在“國(guó)家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心”進(jìn)行。為了模擬實(shí)際情況,本試驗(yàn)測(cè)得的是加載柱的溫度場(chǎng)分布。首先對(duì)試驗(yàn)試件施加柱截面設(shè)計(jì)極限承載力的0.2倍的軸力,再依據(jù)ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線,對(duì)試驗(yàn)柱進(jìn)行四面受火實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn),試驗(yàn)柱的兩端為鉸接支撐,試件的溫度場(chǎng)試驗(yàn)示意圖,如圖2所示。受火后的混凝土表面有少量混凝土剝落,混凝土顏色發(fā)生變化,受火后混凝土表面呈淺黃色。

    圖2 鋼筋混凝土柱的火災(zāi)試驗(yàn)Fig.2 Fire test of RC column

    圖3 熱電偶布置(單位:mm)Fig.3 Arrangement of thermocouples(unit:mm)

    鋼筋混凝土柱的豎向中部截面內(nèi)布置熱電偶測(cè)量混凝土的溫度,熱電偶的布置方式如圖3所示,在澆筑混凝土前,按圖3所示將熱電偶固定在柱中指定位置。布置的1號(hào)~7號(hào)熱電偶,在x軸方向分別距離柱受火面10 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm和350 mm,在y軸方向距離柱受火面均為350 mm。

    2 試驗(yàn)結(jié)果

    2.1 升降溫曲線

    試驗(yàn)時(shí),實(shí)測(cè)的爐內(nèi)溫度(T)-時(shí)間(t)升降溫曲線如圖4所示,試驗(yàn)時(shí)間300 min,包括按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加熱的升溫段180 min以及爐內(nèi)通風(fēng)冷卻狀態(tài)下的降溫段120 min。試驗(yàn)測(cè)得的爐內(nèi)升溫曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合較好。在降溫段,當(dāng)爐內(nèi)溫度降至約230 ℃時(shí),由于試驗(yàn)爐處于密閉狀態(tài),升溫試驗(yàn)時(shí)爐壁的保溫隔熱材料已經(jīng)蓄積了較多熱量,使得爐內(nèi)通風(fēng)冷卻狀態(tài)下,當(dāng)爐內(nèi)溫度下降到一定溫度時(shí),試驗(yàn)爐內(nèi)的溫度在短期內(nèi)無法繼續(xù)降低,故在255 min~300 min試驗(yàn)期間,實(shí)測(cè)的爐內(nèi)降溫曲線溫度在230 ℃上下波動(dòng)。

    圖4 爐內(nèi)實(shí)測(cè)溫度與ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度Fig.4 Comparisons of measured furnace temperatures with ISO- 834 standard fire temperatures

    2.2 溫度分布

    試驗(yàn)柱截面內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)T-t曲線如圖5所示,圖例“Z1- 1”表示編號(hào)Z1柱,對(duì)應(yīng)圖3熱電偶布置的“1”號(hào)點(diǎn)的T-t曲線,其余圖例以此類推。升溫階段和降溫階段,試驗(yàn)柱截面內(nèi)不同測(cè)點(diǎn)在不同時(shí)刻的溫度分別如圖6(a)和圖6(b)所示,圖中橫坐標(biāo)“d”代表測(cè)溫點(diǎn)距離受火面的最近距離。

    圖5 實(shí)測(cè)的柱截面內(nèi)溫度Fig.5 Measured cross- sectional temperatures of column

    圖6 距受火面不同距離的實(shí)測(cè)溫度 Fig.6 Measured temperatures of different distances from heated surface

    由圖5可知:(1)方形柱截面內(nèi)不同位置的升溫速率、降溫速率受其距受火面距離影響較大。試驗(yàn)的升溫段,距受火面越近的位置,其溫度升高的速率越快;試驗(yàn)的降溫段,距受火面越近的位置,其溫度降低的速率越快。(2)截面內(nèi)距離受火面越遠(yuǎn)的位置,升溫滯后現(xiàn)象越明顯。標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫180 min,隨爐冷卻降溫120 min過程中,距受火面在150 mm內(nèi)的位置可看到明顯的溫度升高降低過程,而距受火面超過200 mm的位置,其溫度幾乎始終保持升高。(3)T-t曲線的平臺(tái)段不明顯,平臺(tái)段是指測(cè)量點(diǎn)混凝土溫度上升至100 ℃左右時(shí),出現(xiàn)隨著加熱時(shí)間的增加溫度變化較小的現(xiàn)象。這主要因?yàn)椋篫1- 1、Z1- 2測(cè)量點(diǎn)距離受火面較近,Z1- 1測(cè)量點(diǎn)混凝土的水分蒸發(fā)較快,平臺(tái)段不明顯,Z1- 2測(cè)量點(diǎn)距離受火面50 mm,可以觀察到平臺(tái)段,此現(xiàn)象與相對(duì)較小截面柱比較類似;Z1- 3和Z1- 4的平臺(tái)段不明顯,這主要與試驗(yàn)試件的尺寸相對(duì)較大有關(guān);平臺(tái)段一般在試驗(yàn)升溫階段出現(xiàn),本試驗(yàn)升溫結(jié)束(180 min)時(shí),Z1- 5、Z1- 6、Z1- 7尚未達(dá)到100 ℃,故沒有出現(xiàn)平臺(tái)段。

    由圖6可知:(1)爐溫的升溫、降溫段,截面內(nèi)溫度分布差別較大。試驗(yàn)的升溫段,隨著時(shí)間的增加,距受火面不同距離的位置溫度均逐漸升高,如圖6(a);試驗(yàn)的降溫段,隨著時(shí)間的增加,距受火面相對(duì)較近的位置,溫度逐漸降低;而距受火面相對(duì)較遠(yuǎn)的位置,溫度逐漸升高,如圖6(b)。(2)試驗(yàn)的不同時(shí)刻,截面內(nèi)的溫度梯度差別較大。試驗(yàn)的升溫段,隨著時(shí)間增加,不同時(shí)刻截面內(nèi)的溫度梯度逐漸增加,如圖6(a)中30 min和60 min對(duì)應(yīng)的曲線;試驗(yàn)的降溫段,隨著時(shí)間增加,不同時(shí)刻截面內(nèi)的溫度梯度逐漸減小,如圖6(b)中180 min和210 min對(duì)應(yīng)的曲線。(3)距受火面不同距離,截面內(nèi)的溫度梯度差別較大。試驗(yàn)的升溫段,隨著距受火面距離的增加,截面內(nèi)的溫度梯度逐漸減小,如圖6(a);試驗(yàn)的降溫段,隨著距受火面距離的增加,截面內(nèi)的溫度梯度在不同時(shí)刻的規(guī)律變化較大。

    本試驗(yàn)的截面尺寸700 mm方形鋼筋混凝土柱截面內(nèi)各點(diǎn)的溫度變化特點(diǎn)主要體現(xiàn)在:(1)由于試件截面尺寸相對(duì)較大,本試驗(yàn)的測(cè)溫點(diǎn)主要受到x軸方向受火面的作用,y軸方向受火面對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響較小,試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果接近單面受火柱的情況。(2)對(duì)于大尺寸的鋼筋混凝土試件,距受火面越遠(yuǎn)位置的混凝土,其升溫時(shí)間越長(zhǎng),故大尺寸鋼筋混凝土試件受火后冷卻到室溫需要的時(shí)間較長(zhǎng)。(3)無論是升溫段還是降溫段,在距離受火面150 mm范圍內(nèi),混凝土的溫度梯度較大,由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能相對(duì)較差,距離受火面超過200 mm時(shí),截面內(nèi)部混凝土的溫度變化并不明顯。

    鋼筋混凝土柱截面內(nèi)距受火面不同距離位置的溫度值如表1所示。表中編號(hào)“1~7”表示對(duì)應(yīng)圖3中的“1~7”號(hào)熱電偶;T180表示試驗(yàn)180 min時(shí),截面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度;T300表示試驗(yàn)300 min時(shí),截面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度;Tmax表示試驗(yàn)從0 min~300 min內(nèi),截面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的最高溫度;tTmax表示截面內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)溫度達(dá)到最高時(shí),所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)時(shí)間。

    由表1可知:(1)試驗(yàn)的升溫階段,180 min時(shí),距離受火面越近的位置,其溫度越高,如表1中T180列。(2)試驗(yàn)的降溫階段,300 min時(shí),與180 min時(shí)相比,距受火面相對(duì)較近位置(10 mm、50 mm)的溫度降低,并且距受火面越近溫度降低幅度越大;距受火面相對(duì)較遠(yuǎn)位置(100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、350 mm)的溫度繼續(xù)升高,并且距受火面越遠(yuǎn)溫度增幅越大,如表1中T300/T180列。(3)升溫滯后現(xiàn)象明顯。試驗(yàn)升、降溫全過程中,距受火面不同距離位置的混凝土達(dá)到最高溫度的時(shí)間也不相同,距受火面越近的位置,其達(dá)到最高溫度的時(shí)間相對(duì)越快,而距受火面越遠(yuǎn)的位置,其達(dá)到最高溫度的時(shí)間相對(duì)越慢,如表1中tTmax列。(4)截面內(nèi)經(jīng)歷的最高溫度與升溫試驗(yàn)結(jié)束時(shí)相同測(cè)點(diǎn)的溫度相比,距受火面越遠(yuǎn)的位置,其溫度增幅越大,如表1中Tmax/T180列。

    表1 截面溫度

    3 數(shù)值模擬

    3.1 溫度場(chǎng)模擬

    采用ABAQUS軟件計(jì)算鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)分布,鋼筋和混凝土的熱工參數(shù)根據(jù)歐洲規(guī)范取值[18, 19],試驗(yàn)時(shí)未測(cè)得混凝土含水率,通過試算發(fā)現(xiàn)混凝土的含水率取5%時(shí),計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好,故計(jì)算時(shí)含水率取5%?;炷敛捎冒斯?jié)點(diǎn)三維實(shí)體熱分析單元DC3D8,鋼筋采用二節(jié)點(diǎn)Truss熱分析單元DC1D2,熱分析時(shí),鋼筋與混凝土之間采用Tie的方式建立熱量傳遞的接觸關(guān)系。根據(jù)歐洲規(guī)范[20],溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí),試件表面的對(duì)流換熱系數(shù)受火面取25 W/(m2·K),綜合輻射系數(shù)0.7。模擬的試件截面T-t曲線如圖7所示。圖例“FEM- 1””表示對(duì)應(yīng)圖3熱電偶布置的“1”號(hào)點(diǎn)T-t曲線的計(jì)算值,其余圖例以此類推。由圖7可知,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

    圖7 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較Fig.7 Comparison between measured and calculated temperatures

    3.2 截面尺寸對(duì)溫度場(chǎng)影響分析

    采用試驗(yàn)測(cè)得的加熱升溫、降溫曲線,計(jì)算相同配筋率,不同截面尺寸鋼筋混凝土柱(400 mm、550 mm、700 mm、1000 mm、1300 mm)截面內(nèi)的溫度分布。根據(jù)圖3所示的熱電偶相對(duì)位置,選取x軸方向距受火面10 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm,y軸方向位于截面中部的位置進(jìn)行溫度分析。距受火面相同距離位置,不同截面尺寸柱的T-t曲線如圖8所示。由圖8可知:(1) 截面尺寸越小,相同時(shí)刻、相同位置的溫度越高。(2) 隨著鋼筋混凝土柱截面尺寸的增大,在截面內(nèi),方形柱的四邊邊長(zhǎng)之和與截面面積的比值逐漸減小。當(dāng)距受火面相同距離時(shí),隨著截面尺寸增大,溫度- 時(shí)間曲線在100 ℃左右的平臺(tái)段逐漸不明顯。(3) 柱截面尺寸變化時(shí),當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時(shí),距受火面相同距離位置的溫度變化較為一致。說明試驗(yàn)選取的柱截面尺寸可以反映大尺寸柱試件升溫、降溫火災(zāi)試驗(yàn)的溫度變化。試驗(yàn)相同時(shí)刻(60 min、120 min、180 min、240 min、300 min),柱截面尺寸不同時(shí),截面內(nèi)的溫度(T)- 距離(d)曲線如圖9所示。由圖9可知:(1)柱截面尺寸不同時(shí),距受火面相同距離范圍內(nèi)的溫度梯度有變化;(2)升溫階段,不同截面尺寸柱,距受火面相同距離范圍內(nèi)溫度梯度的變化比較一致且相對(duì)變化較小,截面尺寸越小,溫度梯度差別越小,當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時(shí),溫度梯度幾乎保持一致;(3)降溫階段,不同截面尺寸的柱,距受火面相同距離范圍內(nèi)溫度梯度的變化不一致,距受火面相對(duì)較近的位置,可能產(chǎn)生與升溫階段正負(fù)符號(hào)相反的溫度梯度差別。當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時(shí),降溫120 min時(shí)間內(nèi)溫度梯度的變化趨勢(shì)比較一致。

    圖8 不同截面尺寸,距受火面相同距離的溫度Fig.8 Temperatures of the same distance from heated surface under different section sizes

    圖9 相同時(shí)刻,不同截面尺寸的溫度Fig.9 Temperatures of different section sizes at the same moment

    爐溫升溫180 min時(shí),不同截面尺寸柱在截面內(nèi)的溫度分布如圖10所示,隨爐降溫120 min時(shí),不同截面尺寸柱在截面內(nèi)的溫度分布如圖11所示。由圖10、圖11可知:(1) 升溫階段,截面內(nèi)的溫度分布由外向內(nèi),溫度逐漸遞減,距受火面越遠(yuǎn)的位置,其溫度越低;(2) 降溫階段,截面內(nèi)的溫度分布相對(duì)較為復(fù)雜,在方形截面柱的角部區(qū)域溫度相對(duì)較高,在截面的中心位置溫度相對(duì)較低。

    圖10 180 min時(shí),不同截面尺寸的溫度分布Fig.10 Temperatures distribution of different section sizes at 180 min

    圖11 300 min時(shí),不同截面尺寸的溫度分布Fig.11 Temperatures distribution of different section sizes at 300 min

    4 結(jié)論

    本文對(duì)相對(duì)較大截面尺寸方形鋼筋混凝土柱的溫度場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,詳細(xì)分析了試驗(yàn)結(jié)果,采用有限元方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了數(shù)值模擬,并進(jìn)一步完成了尺寸效應(yīng)分析,可得出以下結(jié)論:

    (1)柱截面內(nèi)不同位置的升溫速率、降溫速率與其距受火面距離明顯相關(guān)。截面內(nèi)距離受火面越遠(yuǎn)的位置,升溫滯后現(xiàn)象越明顯。截面內(nèi)經(jīng)歷的最高溫度與升溫試驗(yàn)結(jié)束時(shí)相同測(cè)點(diǎn)的溫度相比,距受火面越遠(yuǎn)的位置,其溫度增幅越大。

    (2)在ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫和隨爐降溫加熱曲線作用下,當(dāng)方形柱的截面尺寸大于等于700 mm時(shí),柱的溫度分布可反映大尺寸鋼筋混凝土柱的溫度分布。

    (3)在火災(zāi)的降溫階段,不同截面尺寸的柱,距受火面相同距離范圍內(nèi)溫度梯度的變化不一致,距受火面相對(duì)較近的位置,可能產(chǎn)生與升溫階段正負(fù)符號(hào)相反的溫度梯度差別。當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時(shí),降溫120 min時(shí)間內(nèi)溫度梯度的變化趨勢(shì)比較一致。

    (4) 在火災(zāi)的降溫階段,截面內(nèi)的溫度分布相對(duì)較為復(fù)雜,在方形截面柱的角部區(qū)域溫度相對(duì)較高,在截面的中心位置溫度相對(duì)較低。

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    Experimentalstudyontemperaturedistributionofreinforcedconcretecolumns

    XIANG Kai, PAN Yanchong, WANG Guohui

    (Tianjin Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Tianjin 300381, China)

    This paper intends to study the temperature distribution of reinforced concrete (RC) columns under heating and cooling phase fire curves. One square section RC column with 700 mm side length is constructed for four- side surfaces exposed to fire. The heating phase of fire curve is ISO- 834 standard fire curve and the cooling phase is furnace cooling curve. During the experiment, the temperature distribution of cross- section of square section RC column is measured. Finite element (FE) models are developed and used to analyze the test results of experiment. The results show that the distance from the heated surface has significant effect on the performance of the heating and cooling rates for the cross- section of square section RC column. The heating duration time of cross- section concrete reaching the maximum temperature delays with the distance from the heated surface. Under ISO- 834 standard heating and furnace cooling fire curves, when the cross- section side length of the square section column is greater than or equal to 700 mm, the temperature distribution in the cross- section of square section column can reflect the variation of temperature distribution of reinforced concrete column with large cross- section scale under heating and cooling phases.

    Column; Reinforced concrete; Cross- section scale; Temperature distribution

    1004- 5309(2017)- 00183- 08

    10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.08

    2016- 12- 23;修改日期2017- 04- 05

    國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51408134)

    項(xiàng)凱(1980- ),男,遼寧人,博士,副研究員,主要從事工程結(jié)構(gòu)抗火研究。

    項(xiàng)凱,Email: xiangkai0304@163.com

    TU375.3; X932

    A

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