鉸接約束圓孔蜂窩組合梁抗火性能試驗研究與數(shù)值模擬*

張 鑫, 李汝凱, 楊立華, 呂俊利

(1 濟南市歷城區(qū)城鄉(xiāng)建設(shè)綜合服務(wù)中心，濟南 250100；2 山東建筑大學(xué)工程鑒定加固研究院有限公司，濟南 250013；3 山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，濟南 250101；4 山東建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室，濟南 250101)

0 引言

鋼-混凝土組合梁充分利用鋼材抗拉和混凝土抗壓的性能,具有承載力高、剛度大、構(gòu)件截面面積小等優(yōu)點。目前,在傳統(tǒng)組合梁研究的基礎(chǔ)上,對鋼梁、混凝土板和抗剪連接件進行改造設(shè)計,制作出可以滿足不同建筑使用要求的組合梁,并對不同類型組合梁在常溫[1-3]和火災(zāi)下[4-7]的受力性能進行研究。蜂窩組合梁是在傳統(tǒng)組合梁的基礎(chǔ)上,對鋼梁腹板進行不同形狀的開孔設(shè)計,以滿足節(jié)約鋼材、降低層高、方便管道鋪設(shè)等要求,可適用于大跨度結(jié)構(gòu)或多層建筑。

近年來,國內(nèi)外學(xué)者對蜂窩組合梁的抗火性能展開研究。賈連光等[8]對梁端簡支的圓孔和正六邊形孔縮尺蜂窩組合梁進行火災(zāi)試驗,研究發(fā)現(xiàn):高溫下圓孔蜂窩組合梁的整體穩(wěn)定性優(yōu)于正六邊形孔蜂窩組合梁。Naili和Bihina等[9-10]對梁端簡支、集中荷載作用的圓孔蜂窩組合梁進行抗火性能研究,發(fā)現(xiàn)圓孔蜂窩組合梁腹板易形成屈曲破壞。Wong、Nadjai和Bükülmez等[11-13]研究發(fā)現(xiàn)防火涂料將有效提升蜂窩組合梁的抗火性能。

實際建筑結(jié)構(gòu)中各構(gòu)件相互約束、相互作用,形成復(fù)雜的受力體系。國內(nèi)外學(xué)者在常規(guī)組合梁抗火性能研究的基礎(chǔ)上,逐步開展整體結(jié)構(gòu)中組合梁抗火性能研究,研究發(fā)現(xiàn):梁端約束組合梁臨界溫度是無梁端約束組合梁的1.2～1.5倍,跨中撓度是無梁端約束組合梁的60%～80%[14];梁端約束的不同和強弱會使組合梁表現(xiàn)出不同的抗火性能[15-17];與單個組合梁相比,梁端約束組合梁的承載性能和耐火性能更強[18-19]。

綜上所述,目前關(guān)于蜂窩組合梁抗火性能的研究較少,且已有研究主要集中在縮尺試件、梁端簡支試件和集中荷載作用下組合梁的耐火性能分析,目前筆者暫未查到梁端約束足尺蜂窩組合梁在均布荷載作用下的抗火性能研究;梁端約束的有無和強弱將顯著影響組合梁的位移變化和破壞形態(tài),甚至產(chǎn)生與簡支構(gòu)件截然不同的結(jié)果。因此,本文對鉸接約束圓孔蜂窩組合梁進行恒載升溫試驗和數(shù)值模擬分析,研究梁端約束圓孔蜂窩組合梁抗火性能。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計并制作1個鉸接約束作用下的足尺圓孔蜂窩組合梁,圓孔蜂窩組合梁側(cè)面圖見圖1(a),剖面圖見圖1(b)。圓孔蜂窩組合梁跨度4 500mm,凈跨4 300mm,翼板寬1 500mm,板厚120mm。圓孔蜂窩鋼梁采用HN 350×200×8×12的Q345熱軋工字鋼,開孔率(開孔直徑或高度與鋼梁截面高度比值的百分數(shù))為70%。鋼梁與混凝土板通過抗剪連接件栓釘連接。鋼柱采用HW 200×200×8×12的Q345熱軋H型鋼,柱高1 200mm。柱底通過預(yù)留在基礎(chǔ)梁內(nèi)的錨栓與基礎(chǔ)梁連接,鋼柱與基礎(chǔ)梁的錨栓節(jié)點見圖1(c)。鉸接節(jié)點由焊接在鋼柱翼緣的連接板和高強度摩擦型螺栓組成,鉸接節(jié)點見圖1(d)、(e)。圓孔蜂窩組合梁主要參數(shù)如表1所示。

表1 圓孔蜂窩組合梁主要參數(shù)

圖1 圓孔蜂窩組合梁試件尺寸和構(gòu)造

1.2 材性試驗

在澆筑混凝土板的同時,預(yù)留邊長150mm的標準立方體試塊,并在同條件下進行養(yǎng)護。同時進行混凝土抗壓強度試驗和火災(zāi)試驗時,測得現(xiàn)澆混凝土的立方體抗壓強度fcu,k和含水率w。對受火前后的鋼筋和熱軋型鋼切取試樣進行拉拔試驗,測得受火前后鋼筋和鋼材的屈服強度fy、極限強度fu和斷后伸長率A。受火前材料性能見表2,受火后材料性能見表3。

表2 受火前材料性能

表3 受火后材料性能

1.3 測量內(nèi)容及測點布置

試驗主要測量圓孔蜂窩組合梁不同位置處的截面溫度和豎向撓曲變形。

在不同截面布置熱電偶測得混凝土板、圓孔蜂窩鋼梁、鋼筋和栓釘溫度,溫度測點平面布置見圖2(a)。A組和D組、B組和C組熱電偶組沿截面高度布置方法相同,因此只選取C、D組進行介紹,C、D組溫度測點見圖2(b)、(c)。C組溫度測點共布置11個,其中C1～C5為混凝土測點,CG1～CG4為蜂窩鋼梁測點,CS1、CS2為栓釘測點。D組溫度測點共9個,其中D1～D5為混凝土測點,DJ1～DJ4為鋼筋測點?；炷翜y點和栓釘測點的間距均為20mm。蜂窩鋼梁溫度測點位于上下翼緣、孔間腹板和孔邊腹板,圓孔蜂窩鋼梁的溫度測點布置見圖2(d)。

通過布置位移計測得圓孔蜂窩組合梁跨中和1/4跨處的豎向位移。試件共設(shè)置5個位移測點,主要用于測量混凝土板的豎向撓曲變形和板面傾斜程度,位移測點平面布置見圖3。

圖3 位移測點平面布置

1.4 火災(zāi)試驗方案

在山東建筑大學(xué)火災(zāi)實驗室抗火試驗爐內(nèi)進行恒載升溫試驗,試驗爐內(nèi)壁尺寸9 500×5 000×1 500。試驗按照ISO-834標準升溫曲線升溫。火災(zāi)試驗前,對鋼柱和基礎(chǔ)梁包裹巖棉進行防火保護。爐內(nèi)試件布置見圖4(a)、(b)。

圖4 爐內(nèi)試件布置和均布荷載布置

在混凝土板面利用鑄鐵加載塊施加3.5kN/m2的均布荷載,每個鑄鐵加載塊的質(zhì)量為20kG,均布荷載布置見圖4(c)。

2 試驗現(xiàn)象

2.1 火災(zāi)下現(xiàn)象

點火后4min時,圓孔蜂窩組合梁端部板面出現(xiàn)縱向裂縫、橫向裂縫和斜裂縫,裂縫在升溫階段逐步延伸和擴展,見圖5(a)。13min時,板面出現(xiàn)大量橫向裂縫,并伴有水跡,見圖5(b)。25min時,板面出現(xiàn)大面積水汪,并開始出現(xiàn)水蒸氣,見圖5(c)。41min時,板面出現(xiàn)明顯的豎向撓曲變形,并形成大量的水蒸氣,見圖5(d)。52min時,板面傾斜明顯,且板面水跡逐漸變干,見圖5(e)。94min時,板面傾斜程度增大,水蒸氣消失,見圖5(f)。120min時,板面扭轉(zhuǎn)變形急劇增大,停止試驗,?；饡r板面見圖5(g)。?；鸷?2min時,板面出現(xiàn)新的縱向裂縫和斜裂縫,且原有縱向裂縫繼續(xù)擴展和延伸,見圖5(h)、(i)。

圖5 圓孔蜂窩組合梁火災(zāi)下現(xiàn)象

2.2 火災(zāi)后現(xiàn)象

圖6(a)為圓孔蜂窩組合梁板面裂縫,其中黑色線表示降至室溫后的板面裂縫,紅色線表示升溫階段的板端斜裂縫,圖6(b)為圓孔蜂窩組合梁板面裂縫現(xiàn)場圖。從圖6可以看出,鋼梁上部板面形成多條縱向裂縫,且縱向裂縫主要在降溫階段形成、擴展和延伸。分析原因:1)降溫階段,鋼梁溫度急速下降,促使混凝土板底受到鋼梁收縮形成的向上作用力;2)板側(cè)荷載使鋼梁上部板面承受負彎矩;3)受火后的混凝土材料性能降低。梁端約束的存在促使板端形成裂縫更加復(fù)雜、損傷更加嚴重。對比升溫階段和降溫階段產(chǎn)生的斜裂縫可以發(fā)現(xiàn),板端斜裂縫在升溫階段和降溫階段的發(fā)展方向相反,且升溫階段的板端斜裂縫在降溫階段基本消失。

圖6 圓孔蜂窩組合梁板面裂縫

圓孔蜂窩組合梁的板面出現(xiàn)嚴重傾斜,火災(zāi)后圓孔蜂窩組合梁板面變形見圖7(a)。圖7(b)為火災(zāi)后圓孔蜂窩組合梁整體變形,從圖中可以看出:混凝土板底爆裂嚴重,大面積混凝土脫落;鋼梁端部腹板和下翼緣局部屈曲嚴重,下翼緣局部屈曲主要位于梁端第一開孔處;孔間腹板存在不同程度的屈曲變形,端部孔間腹板呈“S”形變形,中部孔間腹板呈“C”形變形。

圖7 火災(zāi)后圓孔蜂窩組合梁變形現(xiàn)象

圖7(c)～(f)為火災(zāi)后圓孔蜂窩鋼梁端部變形和鉸接節(jié)點處變形,從圖中可以看出:在上部荷載和高溫共同作用下,梁端鉸接節(jié)點破壞嚴重,使梁柱連接板與上翼緣接觸擠壓、連接板產(chǎn)生較大變形、最上側(cè)螺栓和上翼緣之間腹板屈曲嚴重、鋼梁端部上翼緣向遠離連接板一側(cè)平移、最上側(cè)兩個螺栓接觸擠壓。

3 溫度場變化

試驗升溫120min,測得爐內(nèi)升溫曲線與ISO-834標準升溫曲線擬合良好,見圖8(a)。

圖8(b)～(c)為圓孔蜂窩組合梁A、B、C、D組測點混凝土升溫曲線。從圖中可以看出:混凝土板沿截面高度出現(xiàn)明顯的溫度梯度,且混凝土溫度達到100℃時,由于板內(nèi)水分蒸發(fā)所吸收熱量與混凝土吸熱量基本持平,升溫曲線出現(xiàn)不同程度的水平段;停止升溫后,距離板底20mm內(nèi)的混凝土降溫速率快,距離板頂40mm的混凝土溫度持續(xù)升高并維持較長時間。

圖8(d)為圓孔蜂窩組合梁A、D組測點鋼筋升溫曲線。從圖中可以看出:同一鋼筋溫度基本一致,上下部鋼筋存在明顯溫度差,最大溫度差達518.5℃;上部鋼筋溫度達到100℃時,升溫曲線同樣出現(xiàn)明顯水平段,說明鋼筋溫度與混凝土溫度直接相關(guān)。

圖8(e)為圓孔蜂窩組合梁B、C組測點栓釘升溫曲線。從圖中可以看出:同一截面栓釘溫度基本一致,沿截面高度存在溫度差,兩個測點最大溫差達245.6℃;停止升溫后,栓釘降溫速度快,說明在降溫階段,栓釘向混凝土板和鋼梁散熱。

圖8(f)為圓孔蜂窩組合梁B、C組測點鋼梁升溫曲線。從圖中可以看出:鋼梁腹板和下翼緣溫度基本一致;孔邊腹板溫度并沒有因孔洞加快熱量流動而比孔間腹板溫度高;由于混凝土板內(nèi)水分蒸發(fā)吸熱,使與混凝土板接觸的鋼梁上翼緣溫度低于腹板和下翼緣溫度;停止升溫后,鋼梁溫度迅速下降;腹板和下翼緣降溫速率大于上翼緣降溫速率。

4 豎向位移變化

標準升溫條件下,取組合梁跨中豎向位移達到梁跨度的1/20作為極限臨界狀態(tài),即跨中豎向位移達到225mm時達到耐火極限狀態(tài)。

圖9為圓孔蜂窩組合梁的豎向位移-時間曲線。從圖中可以看出:圓孔蜂窩組合梁板面傾斜嚴重,2、4測點最大位移差達50.2mm;停止升溫后,圓孔蜂窩組合梁經(jīng)歷收縮反拱階段、撓曲回落階段和變形恢復(fù)階段;停止升溫時,鋼梁溫度瞬時下降,引起鋼梁收縮變形,使組合梁在5～6min內(nèi)向上恢復(fù)變形20～30mm,此階段稱為收縮反拱階段;后隨混凝土板內(nèi)溫度繼續(xù)升高,整體剛度持續(xù)減小,組合梁又開始產(chǎn)生向下?lián)锨冃?此階段稱為撓曲回落階段;最終隨著整體溫度降低,組合梁重新恢復(fù)變形,此階段稱為變形恢復(fù)階段;鉸接約束圓孔蜂窩組合梁的耐火極限時間為78min。

圖9 圓孔蜂窩組合梁豎向位移-時間曲線

表4為圓孔蜂窩組合梁跨中變形恢復(fù)情況。由表可知:圓孔蜂窩組合梁變形恢復(fù)比例為10.8%。

表4 圓孔蜂窩組合梁跨中變形恢復(fù)

5 有限元模擬

5.1 模型建立

5.1.1 熱工參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系

蜂窩組合梁三面受火,蜂窩鋼梁腹板兩側(cè)、下翼緣表面、上翼緣下表面和側(cè)面以及混凝土板下表面和側(cè)面均為受火面,其余表面為絕熱面。模擬采用ISO-834國際標準升溫曲線,傳熱方式為瞬態(tài)傳熱,對流傳熱系數(shù)取1 500W/(m2·℃),鋼梁輻射系數(shù)取0.95,混凝土板輻射系數(shù)取0.5,Stefan-Boltzmann系數(shù)取3.4×10-6W/(m2·K4),絕對零度取-273℃。鋼材和混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容和熱膨脹系數(shù)均由歐洲規(guī)范EC3[20]和歐洲規(guī)范EC4[21]提供。

鋼材密度取7 850kg/m3,泊松比取0.3,混凝土密度取2 400kg/m3?；炷敛捎盟苄該p傷模型,其抗壓強度和彈性模量取自文獻[22],抗拉強度取自文獻[23],應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系取自歐洲規(guī)范EC4[21]。鋼材的屈服強度、彈性模量和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系取自歐洲規(guī)范EC3[20]。

5.1.2 單元選擇

利用ABAQUS軟件中的順序耦合法對蜂窩組合梁進行火災(zāi)下的數(shù)值模擬分析,各部件均采用實體單元,網(wǎng)格劃分見圖10。

圖10 圓孔蜂窩組合梁網(wǎng)格劃分

5.1.3 相互作用、荷載布置和邊界條件

混凝土板和蜂窩鋼梁采用抗剪連接件栓釘連接,栓釘?shù)撞亢附釉诜涓C鋼梁上翼緣表面,上部埋于混凝土板內(nèi)。有限元模擬中,栓釘?shù)撞颗c蜂窩鋼梁采用綁定連接,上部嵌入混凝土板內(nèi);分布鋼筋嵌入混凝土板內(nèi)。

在混凝土板面施加3.5kN/m2的均布荷載。有限元模擬中,在鋼柱底部設(shè)置U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0的邊界條件,其中U1、U2、U3表示沿X、Y、Z軸的水平位移,UR1、UR2、UR3表示繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)角位移。

5.2 溫度場分析

120min時圓孔蜂窩組合梁的截面溫度分布見圖11,有限元模擬與試驗的溫度-時間曲線見圖12。從圖12中可以看出,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好。

圖11 120min時圓孔蜂窩組合梁截面溫度分布/℃

圖12 B組測點有限元模擬與試驗的溫度-時間曲線

5.3 變形分析

120min時圓孔蜂窩組合梁有限元模擬與試驗的跨中(測點3)豎向位移-時間曲線見圖13,變形見圖14。從圖13中可以看出,模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的絕對誤差平均值為4.12mm,相對誤差平均值為1.42%,兩者吻合良好。

圖13 有限元模擬與試驗的跨中(測點3)豎向位移-時間曲線

圖14 120min時圓孔蜂窩組合梁變形/mm

6 結(jié)論

本文對鉸接約束足尺圓孔蜂窩組合梁的抗火性能進行試驗研究和數(shù)值模擬分析,得出以下主要結(jié)論:

(1)圓孔蜂窩組合梁的孔間腹板和孔邊腹板的溫度變化基本一致;停止升溫后,圓孔蜂窩組合梁經(jīng)歷收縮反拱、撓曲回落和變形恢復(fù)三個階段。

(2)鉸接約束的存在促使板端裂縫更復(fù)雜、破壞更嚴重;蜂窩鋼梁端部腹板和下翼緣形成明顯的局部屈曲,且下翼緣局部屈曲主要位于梁端第一開孔處。

(3)鉸接約束圓孔蜂窩組合梁的耐火極限時間為78min。

(4)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合良好,驗證有限元模型的正確性和有效性。

(5)在后續(xù)工程應(yīng)用中,建議對蜂窩鋼梁端部進行有效補強。