不同受火方式下混凝土柱耐火性能的試驗研究

吳波 唐貴和 王超

華南理工大學 廣東廣州510640 華南農業大學 廣東廣州510642

1、前言

    柱是建筑結構的主要承重構件之一，其耐火性能對整個結構的火災安全影響巨大。耐火試驗是研究柱式構件耐火性能的一種有效途徑，國內外學者已開展了一定數量的普通混凝土柱耐火試驗，以及高強混凝土柱耐火試驗，取得了一系列研究成果。但現有研究成果幾乎都是針對四面受火情況獲得的，實際工程中由于柱在結構中的位置不同，還可能遭受三面受火、相對兩面受火、相鄰兩面受火、單面受火等各種可能的受火方式。目前國內外還缺乏這些不同受火情況下的試驗數據。K．H.Tan曾對不同受火方式下混凝土柱的耐火極限進行過計算分析，但沒有進行相關的試驗。

    針對上述問題，本文通過5根高強混凝土柱和2根普通混凝土柱在不同受火方式下的足尺明火試驗，對其破壞形態、軸向變形和耐火極限等進行了初步探討。

2、試驗概況

　　2.1試件設計

    共進行了不同受火方式的5根高強混凝土柱和2根普通混凝土柱的耐火試驗。其中HCl～HC5為高強混凝土柱，NCl～NC2為普通混凝土柱，柱的長度均為3.81m。

    各試件的縱筋均為4qb25；試件HCl的箍筋為Ф8@100/50，其余均為Ф8@200/100。縱筋和箍筋的實測屈服強度分別為349.7MPa和370.0MPa，極限抗拉強度分別為536.5MPa和464.5MPa。縱筋直接焊接在型號為Q3458的端部鋼板上。

　　混凝土均采用硅質骨料。HCl～HC5的混凝土28d實測立方體強度為70.7 MPa，NCl和NC2的混凝土28d實測立方體強度為32.2MPa。

    各試件的受火方式見表l。未受火面的處理方法為：先在混凝土表面采用高溫膠粘貼陶纖甩絲毯(防火棉)，再在其上用鉬絲包綁兩層防火棉，鉬絲間距300mm。

表1試件參數及試驗結果一覽表

圖1試件尺寸

圖2熱電偶的布置

圖3試驗裝置

    試件中預埋的熱電偶采用直徑3mm的鎧裝式鎳鉻一鎳硅熱電偶，量測誤差±2.5℃。圖2所示為試件1/2高度處混凝土內熱電偶的預埋位置。此外，試件 HC3～HC5和NCl～NC2還在防火棉與相鄰混凝土表面之間布置有2個熱電偶(柱高l/2處和2/3處各一個)，以驗證三層防火棉能否保證相鄰混凝土表面基本處于不受火狀態。試驗過程中試件HCl的熱電偶測量出現了失誤。

　　2.2試驗方法

    試驗在華南理工大學結構耐火實驗室進行。垂直構件耐火試驗爐的爐膛尺寸為2.5m×2.5m×3m(即試件的實際受火高度為3m)，最大豎向加載能力5000kN。見圖3。

    為更好地模擬實際情況，試件澆筑后晾干2個月以上再進行試驗。試驗過程中，通過計算機自動控制爐膛內的升溫過程，使其與IS0834標準升溫曲線盡可能接近，給出了 NCl的實測升溫曲線，其余各試件與此類似。

    試件吊裝到位之后，安裝加載系統及位移和溫度量測系統。施加預定荷載的20％，以壓實防火棉及檢查各量測系統是否正常，隨后卸載。逐級加載至預定荷載并持荷l0min，以使荷載和軸向位移達到穩定。點火后，按照IS0834標準升溫曲線對爐膛內的氣體溫度進行控制，整個升溫過程中荷載基本保持不變。

    根據《建筑構件耐火試驗方法》(GB/T9978--1999)規定，試件達到耐火極限的判定準則為試件無法再繼續承受預定的豎向荷載，或試件的軸向變形大于H/100(mm)，或軸向變形速率大于3H/1000 (mm/rain)。其中H為試件的受火高度，單位：mm。

3、試驗結果分析

　　3.1試驗現象

    HCl-HC5在豎向荷載和高溫共同作用下的破壞呈現出一定脆性特征，最終破壞十分突然且帶有一聲巨響，此時試件的軸向變形陡然增大，很快即達到30mm的限值，同時試件已無法再承擔預定的豎向荷載。

    試驗過程中，試件HC2、HC4和HC5分別在升溫后20rain、15rain和35rain左右開始聽到明顯的曝裂聲，但試件HCl和HC3沒有聽到明顯的爆裂吉。需要指出的是，試驗過程中眾多燃燒噴嘴發出的噪音有可能掩蓋不太明顯的爆裂聲。

　　試驗后各試件的宏觀破壞形態。通過對試驗后的試件進行觀察發現，HCl～HC5的混凝土稅落區域大致可分為兩類：(1)一般脫落區；(2)嚴重脫落區。但兩類區域沿柱高的分布似乎缺乏規律性，例如嚴重脫落區在不同試件中所處的位置就差別較大，既有位于柱身中部的情況，也有處于柱身上部或下部的情況。一般脫落區的混凝土爆裂深度約8～20mm，位于混凝土保護層范圍內；嚴重脫落區的混凝土脫落深度則很多情況下已深入核心區混凝土。試件HCl的箍筋間距只有其他試件的50％，對核心區混凝土的約束作用相對較強，其嚴重脫落區的脫落深度只大致觸及核心區混凝土表面；但試件HC2～HC5的嚴重脫落區的最大脫落深度卻已分別深入核心區混凝土內約l2cm、10cm、10cm和10cm。各試件嚴重脫落區的縱筋和箍筋外露，縱筋成燈籠狀，箍筋彎鉤有的被拉開。   

　　3.2溫度分析

    試件HC3～HC5和NCl～NC2中防火棉與相近混凝土表面之間預埋熱電偶的實測平均溫度隨時間的變化曲線從圖中可以看出，最高平均溫度都低于300°C。由于受火時間較長時，混凝土內部的熱量傳遞原本就會使得未受火面的溫度有所增長；加之受火面的表面}昆凝土爆裂也可能連帶導致未受火面與受火面相鄰的角部出現一定程度的混凝土脫落，從而改變未受火面的幾何尺寸。因此，總體來看本次試驗中采用試件表面覆蓋三層防火棉的做法，是可以較好地模擬試件未受火面的。

4、結論

    通過本文的研究，可以得到如下初步結論：

    (1)高溫下高強混凝土試件受火表面的脫落區域大致可分為一般脫落區和嚴重脫落區兩類，但兩類區域沿柱高的分布缺乏規律性；普通混凝土試件也存在嚴重脫落區且其沿柱高的分布也缺乏規律性，但除此之外，或者基本不存在一般脫落區，或者只有混凝土爆裂深度較淺且爆裂面積較小的少量一般脫落區。總體來看，普通混凝土試件表面的高溫爆裂情況明顯弱于高強混凝土試件。

    (2)各試件未受火面的最高平均溫度都低于300°C，表明在試件表面覆蓋三層防火棉的做法可以較好地模擬試件的未受火面。

　　(3)當實際軸壓比大于等于0.4時，高溫下混凝土試件基本沒有軸向膨脹變形。各試件的軸向變形大致可分為基本不變、逐漸降低、陡然下降三個階段。就陡然下降之初試件的軸向壓縮量來說，非四面受火試件大于四面受火試件，普通混凝土柱大于高強混凝土柱，同時加大軸壓比也會在一定程度上增大該壓縮量。 

　　(4)非四面受火試件的耐火極限較四面受火試件有很大提高，同時三面受火試件的耐火極限小于兩面受火試件。相同工況下，普通混凝土試件的耐火極限明顯大于高強混凝土試件。

　　(5)軸壓比增加對試件的耐火極限具有較大不利影響。箍筋間距對高強混凝土柱耐火極限的定量影響規律尚有待進一步深入探討。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)