高温后钢筋混凝土柱的粉刷层抗火性能试验.pdf

低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1 期( 总第 1 5 1 期) 高温后钢筋混凝土柱的粉刷层抗火性能试验 卫安豹 ( 运城市建筑工程有 限公司 。 山西运城0 4 4 0 0 0 ) 【 摘要】 利用有限元软件对钢筋混凝土柱试验试件进行热一结构耦合仿真模拟分析， 分析粉刷层对试件 温度场分布的影响， 以及粉刷层对火灾后钢筋混凝土框架柱抗震性能的影响， 并与试验结果进行了对比。 【 关键词】 粉刷层； 钢筋混凝土柱； 抗火性能 【 中图分类号】 T U 3 1 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 1 - 0 0 8 6 0 3 火灾条件 下钢 筋混 凝 土柱是 一个 在非稳 态 环境 下的多介质、 复杂边界条件的非线性二维传热问题 ， 构 件升温和温度分布 ， 与空气 的升温 、 构 件的 防火保护 、 材料 的热工性能， 构件的受火情况等条件都有关 系。 如果要准确模拟火灾条件下构件的全过程反应 ， 就必 须考虑温度场 及材 料热 工性 能 和热边 界条 件随 时 间 的变化 ， 即对结构构件进行 瞬态非线性热分析。 1 建模分 析 1 1 问题描述 问题为求解四根钢筋混凝土柱 s一1 、 S一 2 、 S一3 及 s_ 4分别遭受图 1 所示的升温曲线四面作用后的 抗震性能。四根钢筋混凝土柱采用相同模型尺寸- ， 纵 筋直径为 1 2 m m， 箍筋直径6 m m； 钢筋保护层厚度为2 0 2 5 m m， 剪 跨 比为 3 ； 混 凝 土的设 计 强度 为 C 4 0 ， 2 8 d 立方 体 抗 压 强 度 为 3 8 M P a ， 纵 筋 实 测 屈 服 强 度 3 5 0 M P a 。试验 在仿建研式加载装 置中进 行 ， 每个模 型施加 3 4 0 k N的竖向荷载， 水平加载采用位移控制方 式进行 ， 钢筋屈服后每级位移循环两次。 式进行对 比 ， 其 中三面受火为短边不受 火、 两 面受火为 两长边对面受火 、 单面受火为长边受火 ， 图示 曲线为各 个受 火方式 下 的柱截 面混 凝 土 中心 点温 度 和受火 面 处钢管的温度。由图可见， 薄壁钢管混凝土柱在单面 受火 、 两 面受火 、 三面 受火和 四面受火这 四种情 况 中， 以四面受火 的危害性最为严重 。 2结语 ( 1 ) 当柱处于两面受火的情况时， 两长边对面 受火对应的截面温度升高最快， 两邻面受火时截面升 温最慢。 ( 2 ) 在 I S O一8 3 4标 准升温 曲线下 ， 受 火方式 对 薄壁钢管混凝土柱的温度场分布有较大影响， 其中以 四面受火 时截面的温度升高最快 。 ( 3 ) 薄壁钢管混凝土柱在四面受火时， 截面长宽 比对混凝土的温度场影响很大， 长宽比越大， 截面温度场 t i mi n *一 S - 4 +S 一3 - - S 一 2 图1 炉内气体的温度一 时间曲线 1 2 热边界条件 表 1 受火边界的综合换热系数 注： 0 【 l 的单位为( k c a l 1 11 一 h 一 一 ) 升高越快， 对截面的抗火性能越不利。所以从抗火要求 来说， 矩形薄壁钢管混凝土柱的宽厚 比也不宜过大。 参考文献 1 李国强， 韩林海， 楼国彪， 蒋首超 钢结构及钢 一 混凝土组合 结构抗火设 计 M 北京 ： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 6 2 冯九斌 ， 刘雪雁 钢管 高强混凝 土柱温度场 的非线性有限元 分析 J 工业建筑 ， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 4 ) ： 5 7 5 9 3 G B 5 0 0 1 8 2 0 0 2 ， 冷弯薄壁型钢结构技术规范 s 收稿日期 2 0 1 0- 0 9 - 0 1 作者简介 程 志宏 ( 1 9 7 3一) ， 男 ， 山西 运城人 ， 工程师 ， 从 事 建筑管理工作。 卫安豹 ： 高温后钢筋混凝土柱 的粉刷层抗火性能试验 8 7 粉刷层划分两层 ， 边界条件的具体参数取值采用 综合换 热系数进行考 虑， 具体取值见表 1 。 2结果分析 2 1 温度场模拟结果分析 文中首先以不带粉刷层试件 S 一1 ， S 一 2和带粉刷 层试件 S 一1 M， S 一2 M为例。图2 、 图3分别为试件 s 一 1与 s一1 M、 S 一 2与 S 一 2 M 中部 截面上距离侧表 面 不 同深度处 的数值模 拟结 果比较 。 图2 S - 1 与S 一 1 M数值模拟结果比较 图3 S 2 与S - 2 M数值模拟结果 比较 图2 、图3 中 ： e 一7 5 ram+ 3 O mm十 0 m m- e - 0 mm c o me r - 0 mm c o m e r M C 0 ra mMC 3 0 ra mMC 7 5 ramMC 由图 2 和 图 3可 以看出 ： ( 1 ) 无粉刷层试件 的截 面角部温 度均高 出表面 约 1 0 0 o C， 而带粉 刷层 试件 的截 面角 部温度 均 高 出表 面约 2 0 0 C， 说 明 了粉 刷层 对角 部与 表面之 间 的温 差 值存一定的影 响 ， 在一定程度上放大 了二者间 的差值 。 ( 2 ) 粉刷层对靠近表面节点 的保护作 用尤为 明 显 ， 约能降温 2 0 0 左右 。对于核 心节点 ， 粉 刷层对其 约能降 温 5 O 。 2 2 不带粉刷层钢混柱高温后非线性全过程分析 对高温处理后试件 S一1 、 S一 2进行单调加载下有 限元全过程分析 ， 计算所 得 P _ 曲线 如 图 4所 示 。由 图4可以看出， 模拟所得 P 曲线与试验骨架 曲线 J 总体吻合较好。但是， 各试件的初始刚度与试验曲线 存在一定差异 ， 这种差异 随着过火 温度 的升高 有所减 小。这可能是由于试验装置各连接之间存在一定的间 隙 ， 导致作 动头的实际位移中有一定 的虚位移 的成份 ， 致使在试验初 期 的分析 刚 度与 试验 刚度 值存 在一 定 的差异。 各试 件有限元 分 析 的 P 曲线特 征点 与 实测 低 周反 复荷 载试验 结 果 见 表 2 。从 表 2中 可以看 出 ， 屈服荷载、 最大荷载及延性系数的程序分析结果与文 献 2 的试验结果总体吻合较好 ， 且与试验表现出较 一 致 的规律 。 A mm ( a )S - 1 图4 计算 曲线与试验对比图 表 2 A N S Y S程序分析结果与试验结果对比 m i l l ( b)S一 2 低温建筑技术 2 0 1 1 年第 1期( 总第 1 5 1期) 2 3 带粉刷层钢混柱高温后非线性全过程分析 对高温处理后带粉刷试件 S一 2 M、 S一3 M进行单 A ram ( a ) S 2 M 调加载下有限元全过程分析， 计算所得 P一曲线如 图 5 所 示。 图5 计算P - 厶曲线与试验对比图 比较高温后带粉刷层试件与无粉刷层试件的承 如表 3所示。 载能力 ， 研究粉刷 层对钢 筋混凝 土柱承载能力的影响 ， A mm ( b )S - 3 M 表 3 A N S Y S 模拟 带粉刷层试件承载力结果与试验无刷层试件结果对比 注： 卢 t， 为试验屈服强度降低系数； 卢 ， 为模拟带粉刷屈服强度降低系数； 卢 。 为试验极限强度降低系数； 卢 为模拟带粉刷极限强度降 低系数 ； a 为粉刷层对屈服强度 的提高系数 ； a 为粉刷层对极 限强度 的提高系数。 由上述结果可 知 ， 粉 刷层 的存 在能够 明显地 降低 截面温度， 减轻构件材料的劣化。截面温度场分布不 均匀导致高温后截面内部各点材料性能的不均匀 ， 由 于粉刷层的存在使这种不均匀性表现得比较不明显， 因此 S 一 2 M、 S一 3 M和 S 一 4 M的屈服荷载和极限承载 能力会有一定幅度的提高( 均约有 1 1 0倍) ， 且在一 定程度上减缓 了刚度 的退化 。由此可见 ， 粉 刷层 可以 有效地减缓高温 ( 火灾 ) 作用 后混 凝土 构件 承载能 力 的降低和刚度的退化， 在满足建筑要求的情况下， 增大 粉刷厚度可有效地提高 结构抗火 能力 ， 改善 火灾后 钢 筋混凝土框架柱的抗震性能。 3结语 ( 1 ) 粉刷层对遭受火灾作 用的混凝 土结构有较 好的保护作用， 能有效减少外部能量输人结构， 截面温 度增长相对缓慢 ， 可有 效减轻混凝土结构的火灾损伤。 ( 2 ) 火灾后钢筋混凝土构件内部形成不均匀温 度场， 截面上各点材料性能劣化程度不同， 引起截面材 料力学性 能的不均 匀分布 ， 导致 火灾后 钢筋混凝 土框 架柱实际轴压比的增大。随着钢筋混凝土柱过火温度 的升高， 延性降低， 承载力下降， 刚度退化， 钢筋混凝土 柱的抗震性 能不断降低 。 ( 3 ) 粉刷层的存在能有效提高 火灾后钢筋混凝 土柱 的承载力 ， 减缓刚度的退化 ， 改善其 高温后 的抗震 性能 。对于带粉刷层钢筋 混凝 土柱 ， 其高 温后屈服 荷 载和极限荷载均有约 1 1 0倍无粉刷层钢筋混凝土柱 相应 承载能力 的提高 。 参考文献 1 李国强，韩林海 ， 楼 国彪 ， 等 钢结构及 钢 一混凝土组合结构 抗火设计 M 北京： 中国建筑工业出版社， 2 0 0 6 2 吴波 火灾后钢筋混凝土结构的力学性能 M 北京： 科学 出版社 。 2 0 0 3 3 段文玺 建筑结构 的火灾分析 和处理 J 工业建筑 ，1 9 8 5 ， 5 ( 8 ) ： 5 1 5 4 收稿 日 期】 2 0 1 0 0 9 0 6 作者简介】 卫安豹( 1 9 7 4一 ) ， 山西运城人， 工程师， 从事建筑 工程专业技术工作 。