鋼管混凝土柱的抗火性能實驗方式及結果分析

劉長義

（佳木斯建成建筑有限公司，佳木斯 154002）

鋼管混凝土柱的抗火性能實驗方式及結果分析

劉長義

（佳木斯建成建筑有限公司，佳木斯 154002）

鋼管混凝土柱；火災實驗；耐火極限

引言

混凝土作為傳統的建筑材料，它具有很多的優勢，比如抗壓強度大、耐高溫、耐腐蝕、制備簡單方便，當然也同樣具有很多明顯的劣勢，比如抗拉強度差，過于笨重等。鋼管混凝土柱是混凝土與鋼材的一種組合方式，兩種材料取長補短，充分發揮了混凝土抗壓性能和鋼材的抗拉性能，達到優化組合的作用效果。鋼管混凝土結構由于具有承載力高、塑性韌性好、施工速度快、綜合效益好等工程特點，因而在高層、超高層建筑中的應用越來越普遍。然而，在火災作用下材料的力學性能有相當大的下降，承載力也隨之下降。

1.試驗概況

1.1 試件設計

火災試驗的試件共有2個鋼管混凝土柱 Z1、Z2。采用 C40商品混凝土，PO42.5R水泥，粒徑10mm～20mm的硅質粗骨料，中砂，摻加XTR-B外加劑，試驗時混凝土立方體抗壓強度為38MPa；鋼管外徑為219mm，壁厚4mm的鋼管，鋼材屈服強度為280MPa，極限強度390MPa。在試件兩端的各留4個直徑20mm左右的排氣孔，用于受火后混凝土內部的水汽排出。

1.2 試驗裝置及試驗方法

室內火災的發展一般可分為火災的初期增長、充分發展和衰減熄滅三個階段。火災充分發展階段升溫速率快、溫度高，對結構破壞嚴重。為了近似模擬快速升溫階段，采用燃油火災試驗爐通過噴嘴將輕柴油霧化，點燃后在爐體內產生高溫。爐內升溫由直徑為3mm的N型熱電偶測量。火災試驗中試件由油壓千斤頂施加1600KN軸向壓力，并通過高壓油泵來控制和調整施加荷載的大小。試件上端部伸出爐蓋，防止高溫使千斤頂失效。試件下端部用砂子進行維護，防止支座溫度過高，因此試件的實際受火高度約為2800mm左右。

試件軸向變形由量程為±200mm的2個差動式位移傳感器測量，位移傳感器放置在柱頂千斤頂的四周。試件表面和核心混凝土內部的溫度由直徑為0.5mm的K型熱電偶測量。位移計和熱電偶測得的數據均由HP數據采集儀自動采集并存儲。

2.高溫條件下混凝土的熱運動

混凝土在加熱過程中的形變受以下四種條件的影響,即:熱應變，瞬時壓力相關應變,瞬變應變和蠕變應變。因此,由負載引起的應變是以下三種條件的總和。

熱應變代表因為溫度變化而引起的長度變化；它僅是以溫度為變量的函數，主要受到骨料的類型的影響。熱應變通常是在無其他應力作用的高溫下對試件進行測量的。

在一定的溫度下，由于外部荷載的加載導致混凝土在高溫條件下發生順勢壓力應變 （等于瞬時荷載引起的應變）。通常的試驗方式是在一個給定的溫度場下對試件進行加熱，然后再通過簡單的單方向受壓的方式進行實驗。

瞬變也是由荷載加載過程引發的應變，似乎跟水泥漿性能有很大關系。比如，它可以通過增加的聚集體的數量而降低。混凝土構件的瞬變在加熱過程中起著非常重要的作用，因為其對由負載引起的應變具有最主要的影響。

在高溫下的蠕變與在室溫下的蠕變具有相同的基本特征，但其比室溫下的具有更高的價值，因為高溫下的蠕變對溫度和水在混凝土構件中的毛細管和微凝膠孔之間的擴散所產生的黏結鍵的比率。而具體的測量方式是通過在一個既定的恒溫恒壓的條件條件下的構件的受壓試驗中進行測定。

根據實驗的結果，利用疊加原理，可以提出相應的假設。總應變可以表述為：混凝土試件的瞬變和蠕變伴隨產生的由負荷引起的應變顯著增加，從而使混凝土表觀強度降低。正如已經提到的，這種影響既有優點（由于熱應力的松弛，熱膨脹的限制程度降低）又有缺點（二階效應的影響更大）。無論是前者還是后者都不能起到預測的作用，因為這個問題涉及很多不確定因素，如幾何尺寸、結構布置、邊界約束條件等。在標準火災的試驗中，構件的受火時長已經得到了一個普遍的共識，但是，相比于瞬變在試驗中的影響，蠕變沒有這么重要，經常被忽略或者集中到瞬變的計算中去。

3.構件對鋼管混凝土柱耐火極限的影響

3.1 鋼管壁厚對鋼管混凝土柱耐火極限的影響

在常溫下，鋼管壁厚對鋼管混凝土柱的受力性能起到至關重要的作用。但是在受火條件下，由于鋼管裸露，溫度迅速升高，強度損失嚴重，因此鋼管壁的厚度對耐火極限的影響不大。當結構鋼的溫度在400℃以上時其強度迅速降低，當溫度達到600℃時，其強度降低為常溫下的 1/2；700℃時降為常溫下的 1/4；800℃時降為常溫下的1/10；900℃以上時其強度基本完全喪失。

鋼管在強度降低以后，不但其軸向的承載能力降低，而且其對核心混凝土的約束能力也顯著降低.同時由于高溫下鋼管與內核混凝土熱膨脹變形的差異，也導致了鋼管與內核混凝土之間的組合作用迅速降低。在受火60min以后，鋼管的溫度已經達到800℃以上，此時鋼管已經基本上退出工作了。

3.2 配筋對鋼管混凝土柱耐火極限的影響

試驗表明，配筋對提高鋼管混凝土柱的抗火性能的作用主要體現：鋼筋埋置在內核混凝土中，有一定厚度的保護層，因此升溫較慢，縱筋的強度降低較小，所以對火災下鋼管混凝土柱的承載力。

3.3 砂漿保護層對鋼管混凝土柱耐火極限的影響

常溫下，鋼管的“套箍”作用對鋼管混凝土柱的受力性能起到至關重要的作用。火災下，鋼材的溫度在400℃以上時其強度迅速降低，當溫度達到600℃時其強度約降低為常溫下的1/2。鋼管強度降低以后，不但其縱向的承載能力降低，而且對核心混凝土的約束能力也顯著降低，同時由于高溫下鋼管與核心混凝土熱膨脹變形的差異，導致鋼管與核心混凝土之間的組合作用迅速降低，因此鋼管對鋼管混凝土柱承載能力的貢獻隨著溫度的提高而迅速降低。

4.結論

砂漿保護層在火災中沒有出現剝落現象，所以砂漿的存在可以提高鋼管混凝土柱的耐火極限；火災下，鋼管強度降低，不但其縱向的承載能力降低，而且對核心混凝土的約束能力也顯著降低，因此受火后鋼管對鋼管混凝土柱承載能力的貢獻隨著鋼材溫度提高而迅速降低；第一次受火不是很嚴重的情況下，鋼管混凝土柱在第二次受火時，其耐火極限有顯著的降低。□

（編輯/穆楊）