常溫及火災(zāi)后異形鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李 建

(內(nèi)蒙古科技大學(xué), 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

常溫及火災(zāi)后異形鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

李 建

(內(nèi)蒙古科技大學(xué), 內(nèi)蒙古 包頭 014010)

通過對8根試件中6根受火后的T形鋼管混凝土短柱軸及2根未受火T形鋼管混凝土短柱軸受力性能的對比試驗(yàn)，分析了混凝土短柱軸火災(zāi)后軸壓力學(xué)性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土短柱軸無論受火溫度為多少，其荷載隨著位移的增加而增加，在增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。隨著混凝土應(yīng)變的增大，盡管受火溫度不同，但混凝土短柱的應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增大呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。隨著火溫持續(xù)時(shí)間的延長，T形鋼管混凝土短柱的剪力滯比基本呈上升趨勢，當(dāng)火溫持續(xù)120 min時(shí)，剪力滯比最大值接近7.0。隨著撓度的升高，溫度隨撓度升高而呈非線性增加，在撓度達(dá)500 nm后，溫度增長速度變快。未受火災(zāi)的T形鋼管混凝土在混凝土變形ε/με為2000時(shí)，荷載出現(xiàn)最大值；而火災(zāi)作用后，在ε/με為6000時(shí)，荷載出現(xiàn)最大值。

常溫； 火災(zāi)； 異形鋼管； 混凝土； 短柱軸； 壓力學(xué)

1 概述

當(dāng)前，學(xué)者們對火災(zāi)中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能有關(guān)方面的研究主要的研究思路是對比火災(zāi)前后其力學(xué)性能出現(xiàn)的變化以及混凝土的結(jié)構(gòu)性能變化等[1-3]。鋼筋混凝土構(gòu)件所使用的材料是由兩種構(gòu)成，這兩種材料的力學(xué)性能存在一定的差異，組合件的作用是要承受不同的荷載，在高溫的作用下，鋼筋與混凝土兩者的粘結(jié)力以及各自的力學(xué)性能都會相應(yīng)的減弱，其承載力以及構(gòu)建截面也會因此而有所降低[4-7]。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有自己的特性，在完成彈塑性或塑性后，其構(gòu)件內(nèi)力重分布或者是局部截面，火災(zāi)發(fā)生前后的部位具有不確定性，容易導(dǎo)致多樣性及不確定性的結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)與形式[8]。此外，在火災(zāi)發(fā)生后，鋼筋混凝土中結(jié)構(gòu)上的活荷載會消失，雖然表面上構(gòu)件和結(jié)構(gòu)并未倒塌破壞，但實(shí)際上結(jié)構(gòu)重新承受荷載的能力、耐久性、結(jié)構(gòu)的抗震性能已經(jīng)發(fā)生了變化，必須進(jìn)行重新鑒定和評估且安全后方可使用[9]。

在中國橋梁建設(shè)中，T形梁橋以其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢占有絕對數(shù)量，因此T 形梁橋發(fā)生火災(zāi)的概率相對較高，為了減少造成資源浪費(fèi)，必須要對橋梁火災(zāi)很好地把控，因此了解火災(zāi)下橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)效應(yīng)，從而形成整套預(yù)測與評價(jià)技術(shù)是十分必要的[11-13]。異形鋼管混凝土柱是組成結(jié)構(gòu)體系的基本構(gòu)件，為了解火災(zāi)下節(jié)點(diǎn)及整體結(jié)構(gòu)受力性能，學(xué)者們進(jìn)行了其高溫力學(xué)性能的研究。以往對異形鋼管混凝土力學(xué)性能的研究報(bào)道非常少，目前我國尚缺乏異形鋼管混凝土耐火性能和抗火設(shè)計(jì)的有關(guān)規(guī)程或規(guī)范，因此有必要開展這方面的研究工作。近幾年來，人們越來越重視異形鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能，不斷深入研究火災(zāi)后鋼管混凝土柱殘余力學(xué)性能。但至今為止，對T形鋼管混凝土的研究還很少，本文通過對常溫及火災(zāi)后異形鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性能進(jìn)行分析，研究火災(zāi)后對異形鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)性能的影響。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料與參數(shù)

本試驗(yàn)主要研究常溫及火災(zāi)后異形鋼管混凝土短柱軸的壓力學(xué)性能，試件采用T異形鋼管截面形式(見圖1)。主要考慮實(shí)驗(yàn)試件受火溫度等因素對試件壓力學(xué)性能的影響，制作了8個(gè)試件，其中7 個(gè)受火、1個(gè)不受火進(jìn)行對比，表1為試件的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。

混凝土原料為河砂、硅酸鹽水泥 (P·C32.5R)泥、工業(yè)用水、骨料，骨料為 10～25 mm連續(xù)級配，堆積密度為1421 kg/m3。混凝土強(qiáng)度等級均為C70，碎石最大粒徑為30 mm，堆積密度為1342 kg/m3，混凝土強(qiáng)度為31 MPa。

圖1 試件截面示意圖(單位: mm)Figure 1 The section sketch of specimen(unit: mm)

按照實(shí)驗(yàn)所要求的截面尺寸加工空鋼管，保證兩端平齊。加工時(shí)在鋼管等分位置處對稱開設(shè)兩個(gè)直徑5 mm的圓孔，目的是為了保證火災(zāi)升溫時(shí)混凝土內(nèi)部水分的散發(fā)，防止試件

在高溫的作用下出現(xiàn)爆炸現(xiàn)象。此外，為了確保混凝土足夠密實(shí)，在澆筑的過程中，分三層進(jìn)行澆筑，澆筑工作完成后，還會采取有關(guān)措施將上部分填平，使得混凝土的高度比鋼管壁上表面，一般是高出1 mm。養(yǎng)護(hù)持續(xù)25 d后，再打磨平整混凝土上表面，將另一蓋板焊上。

表1 試件相關(guān)參數(shù)Table1 Themaincorrelatedfactorsofspecimens試件編號鋼管尺寸(D/mm×L/mm×H/mm)配合比含鋼率/α受火溫度T/℃T1155×4×580210∶488∶512∶1120007520T2155×4×580210∶488∶512∶11200075200T3155×4×580210∶488∶512∶11200075300T4155×4×580210∶488∶512∶11200075400T5155×4×580210∶488∶512∶11200075500T6155×4×580210∶488∶512∶11200075600T7155×4×580210∶488∶512∶11200075700T8155×4×580210∶488∶512∶11200075800

表1中的T表示受火時(shí)的最高爐溫；受火溫度分為20、200、300、400、500、600、700、800 ℃共8 個(gè)主要參數(shù)。這里的T1=20 ℃，即表示常溫，本次試驗(yàn)研究的混凝土單位體積質(zhì)量配合比為水:水泥:砂:骨料為210∶488∶512∶1120。經(jīng)測定，異形鋼管混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為50.8 MPa，彈性模量為2.64×103 MPa。

2.2 試驗(yàn)過程與加載過程

在常溫下，試驗(yàn)首先采用DH3816 對鋼管中部表面的環(huán)向、縱向應(yīng)變進(jìn)行連續(xù)觀測及靜態(tài)應(yīng)變采集。具體測試在混凝土澆筑完成8 h后進(jìn)行，并對鋼管混凝土短柱軸進(jìn)行25 d的連續(xù)應(yīng)變采集。

在受火過程中，通過分布在RXa — 45 — 9工業(yè)電阻爐內(nèi)的4個(gè)熱電偶測定爐溫，通過置于鋼管表面的K型熱電偶測定試件表面及核心混凝土的響應(yīng)溫度。升溫過程由升溫控制系統(tǒng)全程控制，達(dá)到預(yù)定溫度后恒溫2 h，于空氣中自然冷卻，24 h后開始試驗(yàn)，試件的部分升溫曲線如圖2所示。

圖2 試件的升溫曲線Figure 2 The temperature rising curve

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載 — 位移關(guān)系

圖3為受火后試件的荷載 — 位移曲線圖，由圖3可以看出: T形鋼管混凝土短柱軸在常溫及受火溫度為600、800 ℃時(shí)，其荷載隨著位移的增加而增加，在增加到一定程度后趨于穩(wěn)定；其中常溫下，在位移大于2 mm后，荷載趨于穩(wěn)定；600、800 ℃分別在位移大于7、8 mm后，荷載趨于穩(wěn)定。在位移相同時(shí)，常溫及受火溫度為600、800 ℃的荷載排列順序?yàn)槌亍?00、800 ℃。所有試件明顯的線彈性變形階段在火災(zāi)后軸壓試驗(yàn)的加載初期出現(xiàn)，未受火試件的線剛度明顯高于同樣規(guī)格的受火后試件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，火災(zāi)溫度及自應(yīng)力明顯影響受火后的T形鋼管混凝土短柱軸試件線剛度。在加載后期變形已經(jīng)很大的情況下，荷載仍可穩(wěn)步上升，這一現(xiàn)象顯然受火災(zāi)溫度的影響較大。

圖3 試件受火后荷載 — 位移曲線Figure 3 The load-displacement curves of specimens after fire

3.2 荷載 — 應(yīng)變關(guān)系

圖4為火災(zāi)后混凝土應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系圖，從常溫及受火溫度為200、300、400、500、600、700、800 ℃的T形鋼管混凝土短柱軸的應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系曲線可以看出，隨著混凝土應(yīng)變的增大，盡管受火溫度不同，但混凝土短柱的應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增大呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。其中，常溫及受火溫度為200、300、400、500、600、700、800 ℃出現(xiàn)應(yīng)力最大值分別為35、33、31、26.5、18.7、17、12、8、2.9 MPa。這是由于鋼管混凝土的力學(xué)性能在高溫作用后發(fā)生了很大的變化，而且這種變化是與T形鋼管及混凝土的相互協(xié)同工作密切相關(guān)。因此，必須分析T形鋼管和混凝土受高溫作用后性能發(fā)生的變化，通常認(rèn)為T形鋼管在高溫后其力學(xué)性基本能恢復(fù)，與常溫條件下相同的屈服極限和彈性模量相比，高溫后降低很少，其應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系與常溫時(shí)的情況差別不大，可表示為理想彈塑性或硬化彈塑性的形式。在常溫條件下，T形鋼管混凝土短柱軸的強(qiáng)度下降較小，仍保持良好的整體性?；馂?zāi)后T形鋼管混凝土短柱軸的應(yīng)力 — 應(yīng)變曲線規(guī)律主要表現(xiàn)在：第一，溫度越高，混泥土的強(qiáng)度越小，變形的幅度也就越大；第二應(yīng)力 — 應(yīng)變在上升的區(qū)間其關(guān)系會比較接近，不過在下降的區(qū)間，其差別會相對比較大；第三溫度超過600 ℃以后，應(yīng)力 — 應(yīng)變下降段的曲線會比較難得到，下降段的混凝土強(qiáng)度在結(jié)構(gòu)中也很難利用。

圖4 火災(zāi)后混凝土應(yīng)力 — 應(yīng)變關(guān)系Figure 4 The stress-strain relationship of concrete after fire

3.3 火溫持續(xù)對剪力滯比的影響

圖5為火溫持續(xù)對剪力滯比的影響，由圖5可以看出: 隨著火溫持續(xù)時(shí)間的延長，T形鋼管混凝土短柱軸的剪力滯比基本呈上升趨勢，當(dāng)火溫持續(xù)0～100 min時(shí)間內(nèi)，剪力滯比走勢平坦，當(dāng)火溫持續(xù)100～120 min時(shí)間內(nèi)，剪力滯比突增；當(dāng)火溫持續(xù)120 min時(shí)，剪力滯比最大值接近7.0，整個(gè)變化過程其增長趨勢表現(xiàn)為指數(shù)曲線狀態(tài)，隨著火溫的持續(xù)，所有剪力滯比均大于1.0，同時(shí)曲線表現(xiàn)出明顯的負(fù)剪力滯比分布狀態(tài)。

圖5 火溫持續(xù)對剪力滯比的影響Figure 5 The effect of fire temperature on shear lag ratio

3.4 撓度與溫度的關(guān)系

圖6(a)為火災(zāi)后T形鋼管混凝土短柱軸的撓度與溫度關(guān)系趨勢圖，由圖6(a)可以看出: 隨著撓度的增加，溫度呈非線性增加，在撓度為20～500 nm，溫度增長較慢；在撓度大于500 nm以后，溫度增長速度變快，表現(xiàn)為曲線的斜率變大，這主要是由于隨溫度升高，T形鋼管混凝土短柱軸的彈性模量衰減速率增快所致。

3.5 主拉應(yīng)力與溫度的關(guān)系

圖6(b)為火災(zāi)后T形鋼管混凝土短柱軸主拉應(yīng)力與溫度關(guān)系圖，由圖6(b)可看出: 主拉應(yīng)力隨著溫度升高呈非線性增加，在溫度為20～400 ℃時(shí)，主拉應(yīng)力增長較快；在溫度大于400 ℃后，主拉應(yīng)力增長速度變慢，隨后趨于平穩(wěn)，這主要是在200 ℃后，由于混凝土抗拉強(qiáng)度小于T形鋼管混凝土短柱軸主拉應(yīng)力，這時(shí)混凝土梁已經(jīng)開裂，可以預(yù)見，混凝土梁隨著溫度的升高的過早開裂，且比較嚴(yán)重，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷破壞，裂縫增多，從而使其承載能力迅速下降。

圖6 撓度和主拉應(yīng)力與溫度的關(guān)系Figure 6 The relation between deflection & the principal tensile stress and temperature

3.6 荷載 — 變形關(guān)系

圖7為火災(zāi)全過程中T形鋼管混凝土短柱軸荷載 — 變形關(guān)系全曲線，由圖7可以看出: 隨著混凝土變形關(guān)系的增大，混凝土的荷載呈現(xiàn)先增長隨后趨于平穩(wěn)。其中未受火災(zāi)的T形鋼管混凝土ε/με為2000時(shí)，荷載出現(xiàn)最大值；而火災(zāi)作用后，在ε/με為6000時(shí)，荷載出現(xiàn)最大值；圖7中不難發(fā)現(xiàn): 火災(zāi)全過程中，荷載 — 變形關(guān)系曲線大致會經(jīng)歷五個(gè)階段： 第一個(gè)階段為起始階段，溫度處于不斷上升期，荷載 — 變形關(guān)系曲線幾乎成線性；第二是受熱不斷膨脹的階段，在這個(gè)階段，軸向上的荷載基本保持不變，室內(nèi)的溫度會不斷升高，而構(gòu)件也會因?yàn)椴粩嗍軣岬年P(guān)系而膨脹，平均縱向應(yīng)變表現(xiàn)為拉應(yīng)變；第三，是溫度逐漸下降的階段，構(gòu)件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體溫度仍然呈上升的趨勢，軸向方向上的膨脹會繼續(xù)向前發(fā)展，軸向伸長的值達(dá)到最大的時(shí)候，該曲線會表現(xiàn)為平均縱向拉應(yīng)變達(dá)到最大值；四是溫度繼續(xù)下降階段，室內(nèi)環(huán)境溫度繼續(xù)下降，不過構(gòu)件內(nèi)部的溫度卻不會整體開始下降，而構(gòu)件軸向的伸長量則會慢慢縮小，當(dāng)室內(nèi)的溫度下降到常溫的狀態(tài)下的時(shí)候，構(gòu)件平均縱向應(yīng)變?nèi)詾槔瓚?yīng)變；第五是保持常溫的階段，當(dāng)室內(nèi)溫度已經(jīng)到達(dá)常溫，構(gòu)件內(nèi)部的溫度則會開始往下降，平均縱向應(yīng)變由拉應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變，直到構(gòu)件內(nèi)部溫度又恢復(fù)到常溫的狀態(tài)，仍存在殘余軸向壓縮變形。

圖7 火災(zāi)全過程荷載 — 變形關(guān)系Figure 7 The load-deformation curve of the whole process fire

4 結(jié)論

① 混凝土短柱軸的荷載 — 位移表明，無論受火溫度為多少，其荷載隨著位移的增加而增加，在增加到一定程度后趨于穩(wěn)定。隨著混凝土應(yīng)變的增大，盡管受火溫度不同，但混凝土短柱的應(yīng)力均隨著應(yīng)變的增大呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。

② 隨著火溫持續(xù)時(shí)間的延長，T形鋼管混凝土短柱軸的剪力滯比基本呈上升趨勢，當(dāng)火溫持續(xù)0～100 min時(shí)間內(nèi)，剪力滯比走勢平坦，當(dāng)火溫持續(xù)100～120 min時(shí)間內(nèi)，剪力滯比突增；當(dāng)火溫持續(xù)120 min時(shí)，剪力滯比最大值接近7.0。在相同溫度作用下，隨著恒溫時(shí)間的延長，混凝土的各項(xiàng)力學(xué)性能降幅逐漸增大。

③ 隨著撓度的升高，溫度隨撓度升高而呈非線性增加，在撓度為20～500 nm時(shí)，溫度增長較慢；在撓度大于500 nm后，溫度增長速度變快，T形鋼管混凝土短柱軸的彈性模量衰減速率增快所致。隨著溫度的升高，主拉應(yīng)力呈非線性增加，在溫度為20～400 ℃，主拉應(yīng)力增長較快；在溫度達(dá)400 ℃后，主拉應(yīng)力增長速度變慢。

④ 未受火災(zāi)的T形鋼管混凝土在混凝土變形ε/με為2000時(shí)，荷載出現(xiàn)最大值；而火災(zāi)作用后，在ε/με為6000時(shí)，荷載出現(xiàn)最大值。

[1] 王新堂,周明,王萬禎.輕骨料鋼管混凝土短柱受火后力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2011,44(12):34-41．

[2] 蘇益聲,孟二從,陳宗平,等.常溫下再生混凝土三軸受力性能試驗(yàn)研究[J].混凝土,2015(3):46-50．

[3] 張崗,姜長安,劉揚(yáng),等.單側(cè)火災(zāi)下預(yù)應(yīng)力混凝土多梁肋T型結(jié)構(gòu)翹曲分析[J].建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2015,32(2):52-58．

[4] 張崗,王翠娟,賀拴海,等.橋面火災(zāi)下多梁式混凝土T型梁橋抗火性能[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2013,33(5):52-56．

[5] 李毅,王志濱.方鋼管混凝土短柱的火災(zāi)后剩余承載力研究[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2015,13(6):79-85．

[6] 李毅,王志濱.恒溫下結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào),2013,41(4):735-740．

[7] 張崗,王翠娟,宣紀(jì)明,等.多肋火災(zāi)下混凝土T形梁橋?qū)嶓w剪力滯比研究[J].橋梁建設(shè),2014,44(5):75-80．

[8] 馮兆琦,余志偉,潘毅.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)環(huán)境下的性能探討[J].江西建材,2016(3):234-235．

[9] 梁靖宜,馮兆琦,紀(jì)思源.火災(zāi)對鋼管混凝土構(gòu)件的性能影響分析[J].山西建材,2016,42(2):16-18．

[10] 韓金生.火災(zāi)下鋼管混凝土柱受熱分析模型[J].特種結(jié)構(gòu), 2009,26(4):29-34．

[11] 呂學(xué)濤.非均勻火災(zāi)作用下方鋼管混凝土柱受力機(jī)理研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2013,34(3):35-44．

[12] 張宏仁,于飛.火災(zāi)高溫下軸心受壓型鋼混凝土柱的應(yīng)力分析[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,11(1):9-12．

[13] 李國強(qiáng)，周宏宇.鋼 — 混凝土組合梁抗火性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2007,40(10):19-26．

Experimental Study on the Axial Compression Behavior of Special Shaped Steel Tubular Short Columns at Room Temperature and After Fire

LI Jian

(Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou, Inner Mongolia 014010，China)

In this paper, based on 8 specimens of 6 under fire after the T-shaped steel pipe concrete short columns and 2 without fire T-shaped concrete-filled steel tubular short column by the contrast test of mechanical properties, analysis the concrete short columns in fire rear axle pressure performance. The results show that the load of concrete short column increases with the increase of the displacement, and it tends to be stable after increasing to a certain degree. With the increase of concrete strain, the stress of concrete short columns increases first and then decreases with the increase of the strain, even though the temperature of the fire is different. With the extension of the duration of fire temperature, the shear lag ratio of T shaped steel tube concrete short columns is increasing, and the maximum value of the shear lag ratio is close to 7 when the fire temperature is 120 min. With the increase of deflection, the temperature increases with the increase of the deflection, and the temperature increases quickly after the deflection reaches 500 nm. Without fire of T-shaped concrete-filled steel tube in concrete deformation ε/με is 2000, load up to a maximum value; and after fire, at ε/με 6000, the load appears maximum.

normal temperature; fire; special shaped steel tube; concrete; short column shaft; pressure

2016 — 09 — 27

內(nèi)蒙古科技大學(xué)校級重點(diǎn)教學(xué)改革項(xiàng)目(30734061)

李 建(1977-)，男，山西大同人，碩士，職稱：講師，研究方向：BIM技術(shù)應(yīng)用、建筑信息化。

U 448.34

A

1674 — 0610(2016)06 — 0089 — 04