薄壁钢管混凝土柱抗火性能试验.pdf

低温建筑技术 2 0 1 1年第 1 期 ( 总第 1 5 1期 ) 薄壁钢 管混凝土柱 抗火性能试 验 程志宏 ( 运城市建筑工程有 限公司 ， 山西运城0 4 4 0 0 0 ) 【 摘要】 对薄壁钢管混凝土柱可能存在的四种受火方式进行了温度场的分析， 即： 四面受火、 三面受火、 两 面受火和单面受火， 并对四种情况进行了比较分析。文中的研究成果对薄壁钢管混凝土柱的耐火性具有重要的 理论意义和实用价值。 【 关键词】 薄壁钢管； 抗火性能； 混凝土柱 【 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 l 一 0 0 8 4 0 3 薄壁钢管混凝 土组合柱是轻钢混凝土组合结构 体系中的一种， 它不仅具有普通钢管混凝 土柱 的优 点 ， 还兼备外形整洁、 形式灵活等优点， 具有广阔的应 用前景 。但 由于 薄壁 钢管 混凝 土组 合柱 是一 种 新 型结构， 对其抗火性能及设计方法的研究 尚不成熟， 如果按 照钢 构 件对 其 进 行 防火 保 护 ， 不 仅会 造 成 浪 费， 而且对结构耐火度的确定缺乏必要的科学依据。 因此 ， 深入地研究薄壁钢管混凝土柱的耐火性能具有 重要的理论意义和实用价值。 1 温度场模拟计 算 文中薄壁钢管和混凝土 的热工性能取用欧洲规 范 E C 3的建议值。温度变化曲线采用国际标准化组 织 I S O一 8 3 4升温曲线。以下按受火面的不同分为。 1 1 单 面受火 以薄壁钢管混凝土柱 Z一1为例， 单面受火时薄 壁 钢管混凝 土柱 的温度场分布云图 ， 见图 1 。 由图 1 各个时刻的温度场分布图来看， 单面受火 时， 薄壁钢管混凝土柱截面的温度普遍较低， 且温度 等值线与受火边近似平行， 距受火面越远， 温度越低。 长边受火情况下 ， 柱与高温气流的接触面积比短边受 裔 赠 火情况下的大， 传输到内部的热量多， 柱截面的温度 较高。图 2和 3 分 别为长边受火与短边受火两种情况 下混凝 土中心点 和钢管的温 度随时 间的变化情况 ， 可 以看 出， 随时 间 的增 长 ， 两 种情况 下混 凝土 中心 的温 度差别逐渐拉大 ， 这除了上述原因外 ， 还因为短边受 热情况下， 混凝土中心点离高温气流相对较远， 获得 的传导和辐射 的热量较少。而钢管表面的温度值以 及变化趋势， 在两种单面受火情况下大致相同， 这是 因为钢管的壁厚较薄， 且钢管的热传导能力强， 热容 小 ， 升 温较快 。 ( a ) 1 2 0 m i n 后温度三维分布图 ( b ) 6 0 m i n时温度场等值线云图 图 1 长边单面受火 时 1 2柱模型在各时刻 的温度场分布云图 裔 赠 长边受火 一短边受火 。 长边受火 一 。 短边受火 长边对面受火 短边对面受火 一 邻面受火 图2 单面受火对混凝土中心温度的影响 图3 单面受火对钢管表面温度的影响 图4 两面受火对应的核心混凝土温度 1 2 两面受火 两面受火分为两邻面受火、 两长边对面受火和两 程志宏 ： 溥壁钢管混 凝土柱抗火性 能试验 短边 对面受 火三种情 况。以薄 壁钢 管混凝 土柱 z一1 为例 ， 图 4和 图 5为两长边对 面受 火 、 两短边对面受 火 和两邻面受火三种情况下， 柱截面混凝土中心点和钢 管表面的温 度 一时 问曲线 。由 图可见 ， 三 条 曲线 中 ， 长边对 面受火情况 下对应 的混凝土温 度最 高 ， 短边对 面受火情况下对应混凝土的温度次之， 两邻面受火情 况下 的混凝 土温度 最低 ； 而对 于钢 管表 面温 度 ， 长 边 对面受火 时和短边 对 面受 火 时 的钢管 表 面的 温度 随 高 赠 时间的变化情 况相同 ， 两邻 面受火 时钢管 表面 的温度 则 比前两种情 况下的温度偏 低。 从图4和图5也可以看出， 两对面受火比两邻面 受火对薄壁钢管混凝土柱 更具有 危险性 ， 原 因是 两对 面受火时， 高温气流对柱 的热辐射和热对流 比较均 匀， 混凝土承受两面钢管的对称传导的热量， 受热充 分； 而两邻面受火时， 高温气流对柱的热辐射和热对 流较 为集中 ， 混凝 土局部受热 。 时间 t rai n 时间 d m i n 长边对面受火” 短边对面受火 邻 面受火 -短边不受火 一长边不受火 图5 两面受火对应的钢管表面温度 图6 三面受火情况下中心混凝土温度的比较 1 3三面受火 以薄壁 钢管混 凝 土柱 z一1为例 ， 薄 壁钢 管混 凝 土柱截 面为 矩形 ， 三 面受 火分 为两 种情 况 ： 一种 是 截 面长边 为非受 火 面 ， 其它 边为 受火 面 ； 另 一种 是截 面 短边 为非受火面 ， 其 它边 为受 火面 。在 截 面尺寸确定 的条件下 ， 短边 为非 受火 面 ， 致 使其 它三 面受 火面 的 面积较大 ， 通过 热辐 射和 热对 流输送 的 热量较 大 ， 导 致 截面温 度相 对较 高 ， 而 长边 不受 火时 则恰恰 相 反。 图 6和图 7是这两种情况下截 面混凝土 中心点和钢管 表 面的温 升 曲线 ， 从 图 中曲线 可 以明显 看 出 ， 在 受火 1 2 0分钟时， 此柱截面短边不受火时比长边不受火时 裔 赠 时间 t ra i n - 长边 中心 短边中心 一角部 图8 柱端部截面与柱中截 面 蟊 赠 裔 赠 时间 t rai n 一- 短边不受火 一长边不受火 图7 三面受火情况下钢管表面温度的比较 的混凝 土中心温度相差 5 0 左右 ； 而两种情况 下钢管 表面的温度相差不大 。 1 4四面受 火 以薄壁 钢管混 凝 土柱 z一 2为例 ， 来 描述 四面受 火时柱的温度场分布情况。为了更清楚地显示火灾 情况下薄壁钢管混凝土柱的温度场分布情况， 此处研 究 的的柱不涂 防火保 护层 。由于柱 两端 为非 受火 面 ， 而柱受火面又未加防火保护层， 端部截面温度场的温 度 比柱 中截面相应的 温度要低 ， 如 图 8 所 示 ， 此 柱的端 部截 面 与 中 部 截 面 混 凝 土 中心 点 的 温 度 ， 在 受 火 1 2 0 m i n时相差约 8 0 左右 。 一 四面受火 、 三面受火 一 两面受火 单面受火 图9 受火方式不同对柱核心混凝土温度的影响 四面受火时 ， 柱 截面温 度场 的等值 线 与截面 的形 状相似， 也大致成矩形形状分布， 并且柱截面角部的 混凝土升温较快、 温度较高， 而混凝土边缘的长边与 短边的温度大致相似。此现象归因于角部相邻两边 0 2 0 4 0 6 0 8 O l 0 0 1 2 0 时间t ra i n 一 四面受火 一 三面受火 两面受火 单 面受火 图l O 受火方式不同对钢管表面温度的影响 均为受火面， 角部混凝土处于两个受火面的交界处， 要承受两方向传输来的热量， 而边部混凝土主要承受 一 个方向的热对流和热辐射， 热量相对较少。 图9和 图 1 0将 四种受 火情 况里 各 自最危 险的方 姗 伽 姗 o 裔燃赠 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。