轴压混凝土柱受火试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 2 期 2012 年 2 月 Vol. 33No. 2Feb． 2012 004 文章编号 1000-6869 2012 02-0026-07 轴压混凝土柱受火试验研究 苗吉军 1，刘才玮2，刘延春1，李乌江1 1． 青岛理工大学 土木工程学院，山东青岛 266033; 2． 北京工业大学 空间结构研究中心，北京 100124 摘要 通过对 3 根轴压混凝土柱进行受火试验研究， 分析了混凝土柱的受火反应和破坏状态， 测试了截面温度场的分布和 柱的轴向变形。试验结果表明 高温作用下， 混凝土柱承载能力迅速降低， 主要体现在混凝土截面承载力衰减、 变形增大和 工作性能的衰减和破坏等。应用 ANSYS 有限元程序， 对柱截面内部温度场的分布进行了模拟计算， 数值模拟计算结果与 试验结果吻合较好。提出了适用于工程实际应用的混凝土柱受火承载力简化计算模型， 通过试验和理论分析比较表明， 建 议的受火承载力计算式正确可靠。 关键词 混凝土柱;火灾试验;截面温度场;承载力 中图分类号 TU375. 3TU317. 1文献标志码 A Fire test on RC columns under axial load MIAO Jijun1，LIU Caiwei2，LIU Yanchun1，LI Wujiang1 1． College of Civil Engineering，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，China; 2． Spatial Structures Research Center，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China AbstractThe full- scale fire tests of three RC columns under axial load were carried out with standard heating curves． The immediate reactions and collapse states of tested columns were analyzed and the temperature distribution of sections and axial deations were measured． The degradation of bearing capacity of RC columns was found mainly on the following respectsthe degradation of concrete strength，the increase of axial deations and the destructions of working perances． Computer simulation compiled by author was done using the finite element ． The numerical results agree well with test data． A simplified calculation ula is put forward for RC column bearing capacity under fire，which is proved to be reliable according to the comparisons between test record and calculation results． KeywordsRC column;fire test;temperature distribution of section;bearing capacity 基金项目 国家自然科学基金项目 51179081 。 作者简介 苗吉军 1970 ， 男， 山东高密人， 工学博士， 副教授。E- mail msyu_990421 sina. com 收稿日期 2011 年 4 月 62 0引言 混凝土柱是混凝土框架结构中的重要构件， 作 为主要承重和抗侧力构件， 火灾作用下混凝土柱丧 失其承载力， 可能导致建筑物局部甚至整体坍塌破 坏。因此， 混凝土柱抗火性能一直是各国学者研究 的重点， 国内外学者分别就不同工况下混凝土柱的 高温性能进行了试验研究， 文献［ 1- 5］ 主要针对混凝 土柱在受火状态下的受力性能和物理状态分析， 即 构件长细比、 偏心率、 保护层厚度、 受压区承载能力、 加载途径， 以及高温的持续作用时间、 温度场的分布 等。有关火灾作用下混凝土柱承载能力及二面、 三 面受火工况研究较 多， 而 四 面 受 火 工 况 研 究 较 少 ［6- 7 ］; 对混凝土柱耐火性能研究较多， 而对火灾行 为研究相对较少。 本文在以往研究成果基础上， 采用标准温升曲 线， 设计了3 根足尺轴心受压柱的火灾行为试验。对 试验柱的受火反应和破坏状态进行分析， 研究了截 面温度场分布和试验柱的轴向变形等， 并进行了同 火灾环境下的对比试验。 1试验概况 1. 1试件设计 试验设计了 3 个试件， 试件编号为 Z1 ～ Z3， 试件 几何尺寸为 400 mm 400 mm 2 400 mm。采用 C30 商品混凝土浇筑， 纵筋采用 422 HRB400 钢筋， 箍 筋采用8200 HPB235 钢筋， 柱底和柱顶箍筋加密 区高度均为500 mm， 混凝土保护层厚度为30 mm。试 件几何尺寸及配筋见图 1 受长轴试验机行程限制， 柱两端找平后坐浆并粘贴 20 mm 厚的钢板， 直接与 球铰及刀口支座相连， 故不再设加载台座 。试件所 用钢筋均截取出 3 段长 400 mm 的试样， 在万能试验 机上进行单调加载试验， 钢筋基本力学性能指标如 表 1 所示， 其中 fy、fu、 Es分别为钢筋的屈服强度、 抗 拉强度和弹性模量。试件制作期间， 同条件下养护 预留试块 150 mm 150 mm 150 mm 立方体 ， 龄期 为 28 d， 在静力试验机上进行实测， 得到抗压强度的 实测平均值为 28. 6 MPa。 表 1钢筋实测力学指标 Tabel 1Mechanical properties of steel bars 钢筋类型 fy/MPafu/MPaEs/MPa 224216202. 0 105 82483172. 0 105 图 1试件几何尺寸及配筋 Fig． 1Dimensions and reinforcement of specimens 1. 2试验方案 试验装置包括加载、 供火、 测量记录和冷却等部 分， 试验在青岛理工大学结构工程实验中心完成， 采 用垂直火灾试验炉。 3 个试件加载工况如表 2 所示。将试件吊装到 火灾炉内， 通过液压千斤顶施加轴向压力。试验采 用恒载加温法， 加载完毕后开始点火试验， 试验装置 如图 2 所示。试件 Z2 与 Z3 在同一燃烧室内同时受 火， 待达到耐火极限后停火， 二者受火状况相同。炉 温恢复常温后， 用钢筋绑扎牢固并将受火后的试件 Z3 吊装在加载试验设备上， 混凝土柱火灾后的加载 试验是在 500 t 长柱试验机上进行， 实测其剩余承载 力。试件 Z3 剩余承载力以等效温度截面法为依据， 预估极限荷载为 774. 4 kN， 将其等分为 10 级进行加 载。火灾后的静载试验如图 3、 4 所示。 表 2试件加载工况 Table 2Loading cases 试件编号 轴压比 温升曲线受火时间/min备注 Z10. 2ISO 834112实测耐火极限 Z20. 2ISO 834135实测耐火极限 Z3ISO 834135实测剩余承载力 图 2火灾试验装置示意图 Fig． 2Setup for fire test 72 图 3火灾后静载试验加载装置示意图 Fig． 3Setup for static test 图 4试件 Z3 剩余承载力试验现场 Fig． 4Residual capacity test of Z3 1. 3量测内容 试验量测内容包括位移和温度测量， 位移测量 采用差动式位移传感器， 温度测量采用热电偶， 在试 验柱中部截面处预埋 4 个镍硅- 镍铬热电偶， 如图 5 所示， 编号为 1 ～4， 数据采集时间间隔为 10 s。 图 5测温点布置 Fig． 5Temperature measuring points 2试验现象 试件 Z1 在轴压力作用下受火 112 min 后， 发生 耐火极限破坏。待燃烧室恢复常温后发现， 柱身中 下段整个截面发生粉碎性破坏， 凿开混凝土后发现， 柱表面以下 8 cm 范围内混凝土颜色由灰黄色向暗红 色渐变。混凝土剥落区域纵向钢筋与核心区混凝土 发生脱离， 纵筋发生弯曲变形， 如图 6 所示。在纵向 图 6试件 Z1 纵筋压屈破坏 Fig． 6Buckling reinforcement of Z1 钢筋与箍筋的接触部位， 箍筋亦发生弯曲变形， 箍筋 与核心区混凝土发生黏结破坏。 试件 Z2 在轴向力作用下受火 135 min 后， 发生 耐火极限破坏。待燃烧室恢复常温后发现， 柱身并 未发生类似试件 Z1 的粉碎性破坏， 但柱身中部纵筋 位置出现严重的类似劈裂裂缝， 混凝土表层分布细 微裂缝， 且外围混凝土表现为灰黄色， 敲击易碎， 如 图 7 所示。凿开混凝土后发现， 柱表面以下 8 cm 范 围内混凝土颜色由灰黄色向暗红色渐变。纵筋表面 颜色并无明显改变， 但是钢筋与混凝土的黏结面已 处于脱离状态， 保护层混凝土存在环向放射状裂缝。 图 7试件 Z2 纵向劈裂破坏 Fig． 7Vertical crack of Z2 试件 Z3 受火冷却后进行静力试验， 当加载至 542 kN 时， 柱身出现 “噼啪” 声响， 柱表面出现细微沿 纵筋方向的劈裂裂缝， 纵筋达到受压屈服。继续增 加荷载， 纵向裂缝向柱顶逐渐发展， 持荷过程中裂缝 和轴向位移缓慢达到稳定。当加载至 697 kN 时， 柱 上部纵向裂缝急剧开展至1/3 柱身长度， 部分区域宽 度超过 5 mm， 下部裂缝也迅速向上发展。同时， 轴向 位移也随之增加， 表明混凝土柱已达到承载力极限 状态。 3试验结果及分析 3. 1温度分布 图 8 给出了火灾试验炉内环境温度和试件截面 82 内温度分布曲线。试验炉温曲线基本符合 ISO 标准 温升曲线， 其中在燃烧前期因燃烧炉内壁吸收了较 多的热量， 故升温初期炉内环境温度上升较慢， 在 58 min后， 炉体内壁热交换和辐射达到平衡后， 与标 准曲线吻合较好。在受火后期， 试件及燃烧炉内壁 热量交换达到平衡后， 热量损失较小。 图 8试件温升曲线 Fig． 8Temperature curves of specimens 图 9、 10 分别给出了试件测温点的温升曲线， 从 图中可以看出， 试件 Z1、 Z2 在近似相同的燃烧环境 和温升曲线下， 截面内温度分布和上升趋势特点如 下 ［8 ］ 1 混凝土作为热传递的不良导体， 以混凝土表 面为分界点， 温度分布逐渐下降， 且下降趋势逐渐增 大， 表明柱截面内温度分布梯度差距较大。以试件 Z1 为例， 40 min、 80 min、 100 min 时测点1、 3 的温度差 值分别为 440 ℃、 530 ℃、 610 ℃。 2 距混凝土表面距离越大的测点， 温度变化幅 度越小， 且变化越平缓。以试件 Z1 为例， 受火 100 min 时， 测点 2、 3 温度变化幅度分别为 185 ℃和 110 ℃。 3 随燃烧时间的延长， 各测温点的温度上升速 率在逐渐增大， 表现为混凝土受热后热传导性能的 变化。 4 试件核心区混凝土温度上升较慢。在达到 耐火极限时， 核心区混凝土温度不超过 300 ℃， 表明 试件在达到耐火极限前核心区混凝土损伤较小。 图 9试件 Z1 温升曲线 Fig． 9Temperature curves of Z1 图 10试件 Z2 温升曲线 Fig． 10Temperature curves of Z2 3. 2变形 试件变形包括温度和荷载两部分作用产生的变 形。升温前由预加荷载作用产生的初始变形很小， 因此试验时以温度作用产生变形为主， 考虑到试件 升温时的刚度退化和内力重分布， 试验时荷载产生 的变形稍有增大 ［9 ］。试件 Z1、 Z2 在竖向恒载和受火 环境共同作用的竖向变形曲线如图 11 所示， 由图 可见 1 在热环境的影响下， 升温初期柱身由于受热 膨胀导致柱顶发生了反向变形， 以试件 Z1 为例， 反 向变形最大达 0. 95 mm。 2 由于加载装置两端的约束， 在试验初油压千 斤顶示数也有所上升， 表明此时在热环境影响下， 柱 身温度应力较大。 3 约 15 min 后， 柱顶变形逐渐回落， 试件表面 混凝土发生损伤。 4 在试验中后期， 柱顶变形缓慢增大。 图 11火灾下试件竖向变形曲线 Fig． 11Displacement- time curves of specimens 试件 Z3 与 Z2 同环境受火， 冷却至室温， 然后在 500 t 长轴试验机上进行静载试验。预估极限荷载为 774. 4 kN， 分 10 级进行加载。图 12 为试件 Z3 竖向 变形曲线。由图可见， 在加载初期， 柱轴向位移变化 较为平缓， 但是随试验荷载的增大， 其竖向位移增长 速率也逐渐增大。 92 图 12试件 Z3 竖向变形- 轴力曲线 Fig． 12Displacement- axial force curves of Z3 4有限元分析 采用 ANSYS 10. 0 对混凝土柱截面温度场进行 分析和模拟， 混凝土选用 SOLID70 单元， 钢筋采用 LINK33 单元 ［10 ］。 4. 1柱截面温度场分布 模型柱截面尺寸为 400 mm 400 mm， 混凝土保 护层 厚 度 取 30 mm， 受 火 时 间 分 别 取 试 验 时 间 115 min和135 min。截面温度分布云图如图13、 14 所 示。图中温度分布云图的分割网格单位为 20 mm， 受 火时间 135 min 时温度场分布近似见表 3 以沿柱截 面中心线温度分布为例， 网格排序自左至右代表自 柱中心至表面的距离 。 表 3柱截面中心线温度场分布 Table 3Temperature distributions along section central line 网格划分4 202 201 201 201 201 20 T /℃25140254368483710 图 13受火 115 min 时温度分布云图 Fig． 13Temperature contour at 115 min 4. 2温度场梯度 结合 ANSYS 输出温度计算结果及试验所得数据 可以看出 图 14受火 135 min 时温度分布云图 Fig． 14Temperature contour at 135 min 1 由表 3 可知， 受火后柱截面内部温度场分布 不均匀， 越靠近截面内部， 温度落差越大， 网格数 4 20 范围内混凝土温度仅为 25 ℃， 说明核心区温度变 化较小。 2 虽然本文建立的是三维计算模型， 热量可以 在任意方向上传递， 但是从有限元计算结果看， 沿柱 高度方向， 各截面温度没有差异 ［8 ］。因此， 可认为柱 高度方向， 各截面受热条件和结果是相同的。 3 对于矩形截面混凝土柱， 角部温度明显高于 其他位置， 是整个截面受热的薄弱部位， 由图 13、 14 可得出角部混凝土温度均大于 900 ℃; 4 随受火时间的延长， 试件在四面受火情况 下， 截面内等温线分布逐步趋向于同心圆分布。 5 对比截面相同位置点试验监测数据和计算 输出温度结果可以看出， 计算温度与试验温度变化 趋势基本相同。从图 15 中可以看出， 在受火前期试 验温度略低于计算温度， 而在受火后期， 试验温度高 于计算温度。由于受火时间的延长， 柱截面外围混 凝土阻热性能逐渐衰减以及混凝土出现大裂缝可能 导致截面温度上升较快。试件 Z1 不同测温点试验 温度与计算温度对比图如图 15 所示。由图可见， ANSYS 有限元计算结果与试验结果吻合较好。 图 15试件 Z1 测温点试验结果与计算结果对比 Fig． 15Comparison of test and calculation temperature 03 5高温后柱剩余承载力计算 5. 1基本假定 对混凝土柱进行热- 力耦合作用下的承载能力分 析， 本文作如下基本假设 ［8 ］ 1 钢筋强度折减系数 ks按式 1 确定， 混凝土 的抗压强度折减系数 kc按式 2 确定。 ks 1. 0 T 20 ℃ 0. 9 20 ℃ ＜ T ≤ 200 ℃ 1 － 0. 9 T － 200 600 200 ℃ ＜ T ≤ 600 ℃ { 1 kc 1 T ≤ 300 ℃ 1 － T － 300 300 300 ℃ ＜ T ≤ 600 ℃ { 2 2 在火灾持续作用过程中， 柱截面始终符合平 截面假定。 3 忽略剪力对柱变形的影响。 4 柱两端为铰接。 5 柱为四面受火， 各表面温度变化完全相同。 且柱截面内温度场分布沿轴线方向不变， 热量传递 与混凝土的应力状态无关。 5. 2常温下轴压柱承载力 对轴压柱施加轴心荷载， 按 GB 500102002混 凝土结构设计规范 中相关规定施加， 轴压承载力为 N ≤ 0. 9φ fcAc fyAs 3 其中 0. 9 为结构可靠度调整系数; fc为混凝土轴心 抗压强度设计值; Ac为柱截面面积;As为全部纵向 钢筋的截面面积; φ 为混凝土受压柱稳定系数。 5. 3算例 试件 Z2 截 面 尺 寸 400 mm 400 mm， 箍 筋 8200， fc13. 7 N/mm2， Ac160 000 mm2， fy 380 N/mm2， As1519 mm2， φ 1. 0。 试件在常温下的受压承载力为 N 0. 9 fcAc fyAs 2 492. 3 kN 由有限元计算给出受火试验柱截面温度分布结 果， 以 10 min 为计算间隔， 计算得出 300 ℃、 400 ℃、 500 ℃、 600 ℃时等温线所包含的面积 A3～ A6。 30 min 时的截面温度场分布如图 16 所示， 以30 min时为例 计算承载力如下 A314 693 mm2; A4 4 731 mm2; A54 216 mm2; A64 123 mm2 NT 30 0. 9 f T3 c A3 f T4 c A4 f T5 c A5 f T6 c A6 fsAs 2 376. 8 kN 其中f T3 c 、f T4 c 、f T5 c 、f T6 c 、f T7 c 分别为 300 ℃、 400 ℃、 500 ℃、 600 ℃、 700 ℃时混凝土的抗压强度。 图 16t 30 min 时截面温度场分布 Fig． 16Temperature field distribution at 30 min 根据上述计算方法， 本文以 10 min 为计算阶段， 计算试件在不同受火时间的轴向力衰减曲线， 如图 17 所示。可以看出 1 在受火的前 30 min 轴向力变化较小， 说明火 灾 高温 环境在短时间内对柱的轴向力影响较小。 2 在受火 40 min 后， 曲线出现第一个拐点， 这 是由于此时间段角部钢筋达到 600 ℃以上而逐渐退 出工作。随环境热交换的逐渐平衡， 曲线变化逐渐 趋向于稳定。 3 在受火 110 min 后， 随外层混凝土导热性能 的逐渐恶化， 截面内部混凝土温度上升较快， 试件轴 向力下降进一步加快， 曲线出现第二个拐点。由图 17 可得， 110 min 时试件轴向力为 748 kN， 仅为原轴 向力的 30。 从计算结果看， 简化计算结果与试验值基本吻 合， 但略小于实际承载力试验值， 表明计算结果偏于 安全。 图 17试验柱轴向力衰减曲线 Fig． 17Axial bearing capacity degradation curve of test column 6结论 1 轴压混凝土柱破坏后混凝土保护层发生沿 13 纵筋方向的劈裂破坏， 且纵向钢筋与混凝土发生黏 结破坏， 部分区域纵筋产生压屈变形， 表明受火期间 混凝土柱截面内部存在应力重分布。 2 受火期间， 混凝土柱截面内温度分布梯度较 大。距表面距离越大则温度变化幅度越小， 且波动 范围也较小。随受火时间的延长， 表层混凝土导热 性能发生变化， 内部混凝土温度变化加快。 3 在轴压力作用下， 受火初期混凝土柱轴向有 伸长趋势， 随受火时间的延长， 混凝土柱轴向压缩变 形逐渐增大， 表明材料强度、 弹性模量等物理性能逐 渐损失。 参考文献 ［ 1］ 胡海涛，董毓利． 三面高温时高强混凝土轴心受压 柱强度和变形试验研究［J］ ． 建筑结构，2004， 34 1 48- 50． Hu Haitao，Dong Yuli． Test research on stress and strain of axial compression high- strength RC column heated on three surface［ J］ ． Building Structure， 2004， 34 1 48- 50． in Chinese ［ 2］ 吴波，马忠诚，欧进萍． 高温后混凝土变形特性及 本构关系的试验研究［ J］ ． 建筑结构学报，1999， 20 5 42-49． WU Bo，MA Zhongcheng，OU Jinping． Experimental research on deation and constitutive relationship of concrete under axial loading and high temperature［ J］ ． Journal of Building Structures，1999， 20 5 42-49． in Chinese ［ 3］ 时旭东， 李华东， 过镇海． 三面受火钢筋混凝土轴心 受压柱的受力性能试验研究［J］ ． 建筑结构学报， 1997， 18 4 13- 22． SHI Xudong，LI Huadong， GUO Zhenhai． Experimental investigation on behavior of reinforced concrete axial compression column at elevatedtemperature［ J］ ．JournalofBuilding Structures， 1997， 18 4 13- 22． in Chinese ［ 4］ 徐玉野，吴波． 钢筋混凝土 L 形柱的耐火极限［J］ ． 华南理工大学学报，2007，35 7 110- 115． Xu Yuyie，Wu Bo． Fire resistance of reinforced concrete column with L- shaped cross section［J］ ．Journal of South China University of Technology，2007，35 7 110- 115． in Chinese ［ 5］ Tan K，H，Yao Y． Fire resistance of four- face heated reinforced concrete columns［J］ ．ASCE Journal of Structural Engineering， 2003， 129 9 1220- 1229． ［ 6］ 袁广林， 张先扬， 张玉明， 等． 四面受火钢筋混凝土柱 正截面承载力的简化计算［J］ ． 四川建筑科学研究， 2010，36 4 91- 94．YuanGuanglin， Zhang Xianyang，Zhang Yuming，et al． Simplified calculation on bearing capacity of normal section for RC columns subjected to fire on four surfaces［J］ ． Sichuan Building Science， 2010， 36 4 91- 94． in Chinese ［ 7］ 王振清， 白丽丽，乔牧， 等． 四面受火后钢筋混凝土 柱的可靠性分析［J］ ． 华中科技大学学报， 2008， 36 12 125- 127． Wang Zhenqing，Bai Lili，Qiao Mu， etal．Reliabilityoffour- facefiredreinforcement concrete columns［ J］ ． Journal of Huazhong University of Science and Technology，2008， 36 12 125- 127． in Chinese ［ 8］ 李乌江． 足尺寸轴压混凝土柱火灾行为试验分析研 究［D］ ．青岛 青 岛 理 工 大 学， 200920- 62． Li Wujiang． Fire test research and numerical analysis on the full- scale RC columns under axial force ［D］ ． QingdaoQingdao Technological University，200920- 62． in Chinese ［ 9］ 肖建庄， 谢猛， 潘其健． 高性能混凝土框架火灾反应 与抗火性能研究［ J］ ． 建筑结构学报， 2004， 25 4 1- 7 XIAO Jianzhuang， XIE Meng， PAN Qijian． Experimental studyonthefireresponseandfire resistance of high perance concrete frame［J］ ． Journal of Building Structures， 2004， 25 4 1- 7． in Chinese ［ 10］ 江见鲸， 陆新征， 叶列平． 混凝土结构有限元分析 ［ M］ ． 北京 清华大学出版社， 200581- 130． Jiang jianjing，Lu Xinzheng，Ye Lieping．Finite element analysis of concrete structures［M］ ． BeijingTsinghua University Press， 2005 81- 130． in Chinese 23