軸向位移約束對工字鋼短柱高溫強度影響的試驗研究

徐文毅

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

軸向位移約束對工字鋼短柱高溫強度影響的試驗研究

徐文毅

(武警學院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

通過對工字鋼短柱有、無軸向位移約束兩種工況進行的高溫強度試驗研究，結果表明：有軸向位移約束的構件，高溫時會產生溫度應力，且溫度越高，溫度應力越大，溫度應力可導致構件屈服破壞，故進行超靜定結構耐火設計時必須考慮溫度應力；無軸向位移約束的構件，溫度升高，構件受熱膨脹，變形隨時間的延長逐漸減小，屈服后便進入快速壓縮階段。

工字鋼短柱；軸向位移約束；溫度應力；屈服破壞

0 引言

因為鋼結構具有強度高、自重輕、抗震性好、施工周期短、經濟效益高等優點，所以在建筑結構中得到了廣泛應用[1]。但高溫時，鋼構件強度會大幅度降低，如600 ℃左右鋼構件強度將減半；另外鋼構件多為槽型、工字型等薄壁形狀，其截面系數較大，從火場吸收熱量多；加之鋼材導熱系數大，高溫火災更易損傷其內部材料，因此，裸露的鋼結構耐火極限很低，火災中更易發生倒塌破壞[2]。現階段國內外火災形勢嚴峻，對鋼結構耐火性能的研究是國際性的熱點課題，在該方面的研究也取得了一定的成果，但目前有關鋼構件的高溫試驗研究大多數集中于單獨的構件上[3]。然而實際工程中，鋼結構體系的每個構件都不是孤立存在的，各構件間相互連接，彼此形成相互約束，在高溫下各構件的膨脹會受到相應限制，這樣就必然會導致溫度應力的產生，而溫度應力又會引起構件的屈服、失穩等破壞。因此研究溫度應力對鋼結構的影響更具有現實意義，它也是鋼結構耐火設計的重要課題。本文將對工字鋼短柱在有、無軸向位移約束兩種工況進行高溫試驗研究。

1 試驗部分

1.1 試驗設備

試驗設備采用型號為WAW-1000微機控制電液伺服萬能試驗機。該試驗機控力精度為1%，最大加載能力為1 000 kN。配有高溫箱和筒式高溫爐，高溫箱用于壓縮試驗，筒式高溫爐用于拉伸試驗。高溫箱試驗空間的長、寬、高分別為340 mm、300 mm、540 mm，最高溫度可達700 ℃，溫度波動范圍±5 ℃，本試驗配備能自動記錄數據的軟硬件，包括自動記錄試件的受力、變形、加溫時間、試件溫度等數據。高溫試驗設備如圖1所示。

圖1 高溫試驗設備

1.2 試驗試件

試件選用的鋼材來自某鋼廠生產的I12-Q235工字鋼，其化學成分含0.14%C、0.17%Si、0.38%Mn、0.025%P、0.027%S。該鋼材的條件屈服強度為370 MPa，抗拉極限強度為475 MPa。本試驗共制作8個試件，其中2個用于無軸向位移約束試驗，6個用于有軸向位移約束試驗，試件即工字鋼短柱的高度為100 mm，面積為1 780 mm2，如圖2所示。

圖2 工字鋼短柱

1.3 高溫試驗過程

有軸向位移約束的高溫試驗過程為：(1)給工字鋼短柱加初始載荷，使其產生一定的彈性變形，利用設備鎖定變形，這就相當于給短柱加了軸向位移約束；(2)以約0.3～0.1 ℃·s-1速率加熱工字鋼短柱至指定溫度(試驗溫度設定為300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃6個水平)，各自恒溫30 min；(3)記錄短柱所受力、加溫時間、短柱溫度三者之間的變化關系。由于工字鋼短柱在高溫箱中，不便觀察破壞過程，只有等試驗結束后打開高溫箱取出短柱，再觀察其外觀變化和破壞情況。

無軸向位移約束高溫試驗過程為：(1)給工字鋼短柱加初始載荷F0，使其產生一定的彈性變形，利用設備鎖定載荷；(2)以約0.3～0.1 ℃·s-1速率加熱工字鋼短柱至屈服破壞；(3)記錄短柱的變形、加溫時間、短柱溫度三者之間的變化關系。本組試驗為F0=0.50Fs與F0=0.60Fs兩種情況，Fs是條件屈服強度對應的力。

2 試驗結果與分析

有軸向位移約束高溫試驗中，工字鋼短柱的受力與加溫時間的關系如圖3所示。6個水平溫度所對應的受力與溫度應力σT如表2所示。結果表明：隨著加溫時間的延長，即隨著溫度的升高，工字鋼短柱在熱膨脹產生的溫度應力σT與初始應力σ0共同作用下，工字鋼短柱內力迅速增加，溫度T越高，增加的溫度應力σT越大。由表2和圖3可知：(1)當溫度T≤350 ℃時，工字鋼短柱內部產生的最大應力σmax小于材料的條件屈服強度σs，350 ℃時，溫度應力σT=82.3 MPa，溫度應力σT較小，故短柱受熱時間可足夠長，恒溫30 min并未發生屈服破壞。(2)當T=400 ℃，σ0/σs=0.50，σmax/σs=0.80，短柱有屈服跡象，此時短柱內溫度應力σT=111.2 MPa。隨著溫度的升高，雖然σ0/σs、σmax/σs逐漸減小，但短柱內部的溫度應力σT卻逐漸增大，工字鋼短柱的破壞也越來越嚴重。(3)設定升溫到500 ℃的工字鋼短柱，開始屈服的溫度約為480 ℃；設定升溫到550 ℃的工字鋼短柱，開始屈服的溫度約為490 ℃。試驗結果表明：溫度應力σT達到一定數值時，足以造成工字鋼短柱的破壞，也因此導致鋼結構的破壞。

1.T=300 ℃；2.T=350 ℃；3.T=400 ℃；4.T=450 ℃；5.T=500 ℃；6.T=550 ℃

試驗溫度T/℃300350400450500550初應力σ0/MPa246.6212.1183.5152.8123.391.8最大應力σmax=σ0+σT/MPa316.9294.4294.7280.9252.5236.3初應力與條件屈服強度比σ0/σs0.670.570.500.410.330.25最大應力與條件屈服強度比σmax/σs0.870.800.800.760.680.64溫度應力σT/MPa70.282.3111.2128.1129.2144.5屈服破壞溫度T/℃未屈服未屈服400440480490

無軸向位移約束高溫試驗中，工字鋼短柱加溫后的變形與時間的關系如圖4所示。兩組試驗的變形初始值不是絕對數值，而是相對數值。試驗結果表明：(1)隨著加溫時間的延長，即隨著溫度的升高，工字鋼短柱受熱膨脹，表現為變形值逐漸減小。(2)曲線上的最低點即拐點，表明工字鋼短柱在此開始屈服，此后就進入快速壓縮階段。(3)K=σ0/σs=0.50試驗中，拐點溫度為520 ℃，K=σ0/σs=0.60試驗中，拐點溫度為445 ℃。

圖4 無軸向位移約束短柱升溫變形與時間的曲線圖

試驗完畢取出工字鋼短柱，發現其腹板和翼緣都已屈服、失穩破壞。破壞主要是由于腹板比較薄，內部溫度比較高，在高溫下產生的溫度應力σT導致工字鋼的腹板局部屈服、失穩，進而引發構件整體失穩。工字鋼短柱試驗前后外觀對比如圖5所示。

3 結論

通過對工字鋼短柱有、無軸向位移約束兩種工況下的高溫強度試驗研究可得出如下結論：(1)有軸向位移約束的構件，高溫時會產生溫度應力σT，溫度T越高，溫度應力σT越大。(2)溫度應力σT可導致構件的屈服、失穩破壞，所以對超靜定結構進行耐火設計時，溫度應力σT是必須要考慮的因素。(3)無軸向位移約束的構件，隨著試驗溫度的升高，構件受熱膨脹，變形隨時間的延長而逐漸減小，屈服后便進入快速壓縮階段。(4)常溫下可保持局部穩定性的薄壁型鋼，高溫時可出現局部失穩，進而引發構件整體失穩。

圖5 工字鋼短柱外觀圖

[1] 徐文毅,李煥群,彭天國.耐火鋼與普通結構鋼高溫強度的比較試驗[J].建筑結構,2008,38(10):27-28.

[2] 屈立軍,李煥群.Q420鋼材高溫強度試驗研究[J].消防科學與技術,2004,23(3):223-225.

[3] Eurocode3:Design of steel structures,Part 1.2:General rules/structural fire design: ENV1993-1-2[S].

(責任編輯 馬 龍)

An Experimental Study on the Strength of an I-profile Short Column about Axial Displacement Restraint at Elevated Temperature

XU Wenyi

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The experiment on the strength of an I-profile short column with or without axial displacement restraint at elevated temperature shows that the element with axial restraint produces a temperature stress at an elevated temperature, and the higher the temperature is, the stronger the temperature stress is, and a yield failure of the element is produced by temperature stress, so the temperature stress has to be considered in designing the fireproof in statically indeterminate structure. While the element without axial displacement restraint enlarges at an elevated temperature and the deformation degree will reduce, it turns into yielding and compressing stage after yielding failure.

I-profile short column; axial displacement restraint; temperature stress; yield failure

2016-05-26

徐文毅(1968— )，女，河北廊坊人，副教授。

TU391;D631.6

A

1008-2077(2016)12-0020-03