不同受火方式下钢筋混凝土柱耐火极限研究

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发布时间：2021-09-06

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不同受火方式下钢筋混凝土柱耐火极限研究
唐贵和黄金林
( 华南农业大学水利与土木工程学院广州510642)
摘要: 通过2 根钢筋混凝土柱的足尺明火试验, 考察了不同受火方式对柱的破坏形态、轴向变形和耐火极限的
影响, 编制了不同受火方式下钢筋混凝土柱耐火极限计算程序, 其结果与试验值较吻合, 表明其耐火性能优劣顺
序依次为相邻两面受火、三面受火和四面受火, 对实际结构抗火设计有一定的参考作用。
关键词: 受火方式; 钢筋混凝土; 柱; 耐火极限; 高温
1 前言
柱是结构的主要承重构件之一, 其耐火性能对
整个结构的火灾安全影响巨大, 国内外学者已开展
了一定数量的钢筋混凝土柱耐火试验[ 1～3] , 并取得了
一些研究成果。但现有研究成果几乎都是针对四面
受火情况获得的, 实际工程中由于柱在结构中的位
置不同, 还可能遭受三面受火、相邻两面受火、单面
受火等各种受火方式, 而目前国内外还缺乏这些不
同受火情况下的试验数据。K.H.Tan 曾对不同受火
方式下钢筋混凝土柱的耐火极限进行计算分析[ 4],
但未进行相关的试验。
2 试验概况
2.1 试件设计
我们取2 根轴心受压钢筋混凝土柱进行不同受
火方式下的耐火试验, 柱长均为3.81m, 各试件的具
体参数见表1 和图1[5]。
试件的纵筋均为4Φ25, 中部箍筋为f 8@200, 端
部箍筋为f 8@100, 纵筋和箍筋的实测屈服强度分别
为349.7, 370.0MPa, 极限抗拉强度分别为536.5,
464.5MPa。纵筋直接焊接在Q345B 的端部钢板上。
混凝土采用硅质骨料, NC1 和NC2 的混凝土28d 实
测立方体强度均为32.2MPa, 试验当天的混凝土实测
强度见表1。
试件的受火方式见表1。未受火面的处理方法是
先在混凝土表面采用高温胶粘贴陶纤甩丝毯( 防火
棉) , 其上用钼丝包绑双层防火棉, 钼丝间距300mm。
2.2 试验方法
试验在华南理工大学结构耐火试验室进行, 垂
直构件耐火试验炉的炉膛尺寸为2.5m×2.5m×3m, 最
大竖向加载能力为5000kN。试件的实际受火高度为
3m, 计算长度
取为2.0m[1～2]。
为了更好地模
拟实际情况,
试件浇筑后晾
干2 个月再进
行试验。试验
过程中通过计
算机自动控制
炉膛内的升温
过程, 使其与
ISO834 标准
升温曲线尽可
能接近, 如图
2 所示。
图2 ISO834 标准升温曲线与试验炉内
升温曲线的比较
1200
1000
800
600
400
200
0
0 50 10 0 150 200
IS0834 标准升温曲线
NC1 实测升温曲线
NC2 实测升温曲线
温度
(℃ )
时间( min )
图1 试件尺寸
660 660×660×30
660
f 8@200
2Φ25
300
660×660×30
30
2Φ25
2- 2
f 8@200
2Φ25
300
2Φ25
1 1
2 2
3 0
3 8 1 0
3 7 5
2 4 0 0
6 0 0
6 0 0
1 0 5
1 0 5
30
1- 1
8
图3 不同受火方式下钢筋混凝土柱的高温计算模型
X
N Y( Z)
eoy N
( eoy)
( umz)
umz
Y
L 2
L 2
(y, z)
0 Z
Y Z
X X
y z
e
e0
f z
e
f y
e 0
2006年12 月第12 期唐贵和等: 不同受火方式下钢筋混凝土柱耐火极限研究DEC 2006 No.12
试件吊装到位后, 安装加载系统及位移和温度
量测系统。先施加预定荷载的20%, 压实防火棉并
检查各量测系统是否正常, 随后卸载; 逐级加载至预
定荷载并持荷10min, 以使荷载和轴向位移达到稳定。
点火后, 按照ISO834 标准升温曲线对炉膛内的气体
温度进行控制, 整个升温过程中荷载基本保持不变。
根据GB T 9978- 1999《建筑构件耐火试验方
法》的规定, 试件达到耐火极限的判定准则为试件无
法再继续承受预定的竖向荷载, 或轴向变形>0.01H
(mm) , 或轴向变形速率>0.003H(mm min) (H 为试
件的受火高度) 。
3 计算程序的编制
3.1 温度场分析
为简化分析过程, 采用以下假设: ①温度场分析
独立于结构内力和变形分析; ②忽略钢筋表面和混
凝土之间的热阻, 钢筋直接采用中心处混凝土温度;
③温度场沿柱高保持不变, 即采用二维的温度场。
有限元- 有限差分法是分析瞬态温度场的常用
方法, 该法充分发挥了有限元法在空间域划分上的
优点和差分法在时间域推进上的优点, 在时间域上
采用两点向后差分格式, 此格式的特点是算法稳定。
混凝土的热工参数按文献[ 2] 中的公式确定, 混凝土
中的含水量按照EC4- 1- 2 的近似处理方法。
3.2 结构分析
⑴ 高温热- 力耦合本构关系
混凝土在温度和应力作用下有着复杂的耦合本
构关系, 其总应变由4 个部分组成, 即: 应力作用产
生的应变e s 、自由膨胀应变e th、瞬态热应变e tr 和
短期高温徐变e cr。假设应力受压为正, 受拉为负; 应
变以缩短为正, 伸长为负, 则可建立以下微分关系[6]:
de c =de th - de th +de tr +de cr ⑴
定义函数式s c=fs (e s , T) , e th=fth( T) , e tr=ftr( s c,T)
和e cr=fcr( s c, T, t) , 则可得混凝土应力增量式为[6]:
ds c =Es de c - ET dT+Et dt ⑵
式中: Es 、ET 和E 分别为混凝土的应力切线模量、温
度切线模量和时间切线模量。混凝土应力应变的增
量△e s 与总应变增量△e c、温度增量△T