高強混凝土柱的耐火極限

摘　要: 編制了高強混凝土柱高溫反應的全過程分析程序,程序中近似考慮了高強混凝土的爆裂效應,程序的有效性得到了其他學者試驗結(jié)果的驗證. 針對不同軸壓比、截面尺寸、配筋率和荷載偏心率共480種工況進行了高強混凝土柱的高溫反應分析,揭示了各主要參數(shù)對高強混凝土柱耐火極限的影響規(guī)律,并與普通混凝土柱的相應結(jié)果進行了對比.基于計算結(jié)果定量給出了高強混凝土柱耐火極限的簡化確定方法. 研究結(jié)果表明,高溫爆裂對高強混凝土柱的耐火極限影響顯著;嚴格控制軸壓比和荷載偏心率、保證足夠的截面尺寸,是提高高強混凝土軸壓柱和偏壓柱耐火極限的有效措施.

關(guān)鍵詞: 高強混凝土; 柱; 高溫; 耐火極限; 爆裂

中圖分類號: TU 528. 571　　　　文獻標識碼: A

高強混凝土具有承載力高、耐久性好等優(yōu)點,在結(jié)構(gòu)中使用可以減小構(gòu)件截面尺寸,增大建筑物的使用面積,改善建筑物的使用功能和美學效果. 隨著我國高層和超高層建筑不斷增多,高強混凝土的應用已越來越廣泛. 與普通混凝土相比,高強混凝土的抗火性能明顯降低,火災作用下高強混凝土常常發(fā)生普通混凝土較少出現(xiàn)的爆裂破壞,導致構(gòu)件截面削弱,構(gòu)件承載力明顯降低[ 1-4 ] .

耐火試驗是研究柱式構(gòu)件耐火性能的一種有效途徑. 目前,國內(nèi)外均已開展了一定數(shù)量的柱式構(gòu)件耐火試驗,取得了較多的研究成果. 同時,數(shù)值方法作為預測柱式構(gòu)件耐火性能的另一種有效手段也得到了迅速的發(fā)展[ 5 ] . 但上述研究工作絕大多數(shù)都是針對普通混凝土柱開展的,有關(guān)高強混凝土柱耐火性能的研究還相對較少. 文獻[ 6-9 ]雖然進行了少量高強混凝土柱的耐火性能試驗,初步考察了爆裂對高強混凝土柱耐火性能的影響,并利用試驗結(jié)果對所編程序進行了驗證,但已有試驗結(jié)果大多是針對軸壓柱得到的,所編制的程序也多用于個別工況下高強混凝土柱耐火極限的計算,不同參數(shù)對軸壓和偏壓高強混凝土柱耐火極限的定量影響規(guī)律尚有待進一步深入探討,相應的柱耐火極限的定量確定方法也有待建立.

針對上述問題,本研究中編制了高強混凝土柱耐火極限的計算程序,程序中近似考慮了高強混凝土的爆裂效應,利用其他學者的試驗結(jié)果對程序的有效性進行了驗證. 通過大量數(shù)值計算,考察了各主要參數(shù)對軸壓和偏壓高強混凝土柱耐火極限的影響規(guī)律,并與普通混凝土柱的相應結(jié)果進行了對比,在此基礎(chǔ)上定量給出了高強混凝土柱耐火極限的簡化確定方法.

1　程序編制

1. 1　溫度場分析

為簡化分析過程,考慮如下基本假定: (1)溫度場分析獨立于構(gòu)件的內(nèi)力和變形分析; ( 2)忽略鋼筋表面與混凝土之間的熱阻,鋼筋溫度直接采用該處混凝土的溫度; ( 3)溫度場沿柱長度方向保持不變,即構(gòu)件內(nèi)部溫度場為二維溫度場.

溫度場分析采用目前常用的有限元- 有限差分混合方法[ 10 ] . 混凝土熱工參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律采用文獻[ 9 ]中給出的相關(guān)公式進行確定.

1. 2　結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)分析采用文獻[ 11 ]中建議的簡化方法,分析過程中考慮如下基本假定: ( 1)構(gòu)件橫截面在升溫過程中始終保持為平截面; ( 2)柱的側(cè)向撓曲線為正弦半波,取其中截面進行內(nèi)力分析; (3)鋼筋和混凝土均按單向應力狀態(tài)考慮,忽略混凝土對抗拉的貢獻.

圖1所示為豎向荷載N 作用下高強混凝土柱的計算模型. 圖中e0 為荷載偏心距; L 為計算長度;um 為中截面的側(cè)向撓度. 中截面的應變分布及其單元劃分見圖2. 由于對稱性,取中截面的一半進行考慮. 由上述基本假定可得構(gòu)件中截面的曲率φ,以及中截面上任意一點由應力引發(fā)的應變εi 分別為:

式中: xi 為該點x方向的坐標;ε為中截面形心處的總應變,以壓應變?yōu)檎?εT 為熱膨脹應變,符號為負.

根據(jù)應變εi ,即可確定對應的鋼筋應力σsi和混凝土應力σci ,進而得到中截面的彎矩Min和軸力N in分別為:

式中: n 為1 /2 中截面上劃分的單元總數(shù); dAsi和dAci分別為第i單元的鋼筋和混凝土面積.

分析過程中,在每一時間步均采用牛頓法迭代調(diào)整式(1)中的ε和um ,直至Min和Nin分別與該時間步對應的實際彎矩M 和實際軸力N 平衡. 其中M =N ( e0 + u0 + um ) , u0 為初始缺陷, 可取計算長度L 的千分之一.

參考文獻[9, 12 ]中的相同做法,分析過程中將柱承載能力無法與外荷載平衡時所對應的升溫時間視為柱的耐火極限. 混凝土和鋼筋的高溫性能及本構(gòu)關(guān)系分別采用V. K. R. Kodur[ 9 ]和T. T. L ie[ 12 ]給出的相關(guān)公式確定.高強混凝土爆裂的臨界溫度主要集中在350～500 ℃范圍內(nèi), 爆裂深度一般為混凝土保護層厚度[ 13 ] . 在此基礎(chǔ)上,參考V. K. R. Kodur[ 9, 14 ]的做法,計算過程中只要保護層范圍內(nèi)任一單元的溫度超過350 ℃, 即偏保守地近似認為該單元的混凝土發(fā)生爆裂,其強度降為0. 程序中爆裂深度的上限取為混凝土保護層厚度. 需要指出的是,分析過程中截面溫度場的計算沒有考慮混凝土爆裂的影響, 這在一定程度上是偏于不安全的. 但由于爆裂臨界溫度的取值為下限值,顯然又是偏于安全的. 這兩種因素共同作用,使得有關(guān)混凝土爆裂的處理是基本可行的.

1. 3　程序驗證

利用本文程序得到的溫度場分析結(jié)果與加拿大學者V. K. R. Kodur的試驗結(jié)果[ 9 ]進行比較. 試驗柱為截面邊長305mm的方形柱,截面中軸線上4個溫度測點與截面邊緣的距離分別為19. 5, 74. 5, 101. 5和152. 5mm. 程序計算時有關(guān)材料的性能參數(shù)均取自文獻[ 9 ]. 溫度場分析結(jié)果與試驗結(jié)果的比較見圖3 ( a). 從圖中可以看出,本文程序的計算結(jié)果總體上與V. K. R. Kodur的試驗結(jié)果吻合較好.圖3 ( b)為利用本文程序得到的軸向變形分析結(jié)果與V. K. R. Kodur給出的部分試驗結(jié)果[ 9 ]的對比. 從圖中可以看出,本文程序計算出的高強混凝土柱耐火極限和高溫軸向變形總體上與試驗結(jié)果吻合

較好. 試驗時所用試件的尺寸、軸向荷載大小、受火方式等詳見文獻[9 ].

2　主要影響因素分析

參照國內(nèi)外學者在進行柱式構(gòu)件明火試驗和計算分析時的通常做法, 不同工況對應的柱高均取為3.81m,受火高度均為3.0m,柱兩端固接[ 6-9 ] .柱的有效計算長度取為2.0m[ 15 ] . 采用ISO834標準升溫曲線, 四面受火. 柱縱筋的凈保護層厚度取為30mm. 常溫下混凝土的軸心抗壓強度取為70MPa,常溫下鋼筋的屈服強度取為375MPa.4種軸壓比( n)分別取0.20, 0.35, 0.45, 0.60; 4種配筋率(ρ)分別取1.0% , 1.5% , 2.0% , 2.5%; 5種截面邊長( a ) 分別取300, 400, 500, 600 和700mm; 6種荷載偏心率( e = e0 / a)分別取0.0, 0.1,0.2, 0.3, 0.4, 0.5. 共計480種工況.高強混凝土柱耐火極限的部分計算結(jié)果見表1. 為便于對比,表2中給出了作者先前完成的普通混凝土柱耐火極限的部分計算結(jié)果[ 16 ] .

2. 1　截面尺寸

從表1和表2以及其他計算結(jié)果中可以看出:(1)截面尺寸對高強混凝土柱的耐火極限影響很大. 在其他參數(shù)一定的情況下,高強混凝土柱的耐火

試驗條件: 1)截面邊長為300mm,配筋率為2. 0%; 2)截面邊長為400mm,軸壓比為0. 2; 3)荷載偏　心率為0.1,配筋率為1.0%; 4)截面邊長為500mm,荷載偏心率為0.2.極限隨截面尺寸的增大呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢. 這可能是因為截面尺寸越大,相同時刻高溫損傷部分占全截面的比例越小所致. 因此,保證足夠的截面尺寸是提高高強混凝土柱耐火極限的有效手段之一.(2)與普通混凝土柱相比,由于爆裂影響,相同工況下高強混凝土柱的耐火極限明顯偏低. 在其他參數(shù)相同的情況下,軸壓比越大,普通混凝土柱耐火極限與高強混凝土柱耐火極限之比一般越大;但截面尺寸越大,該比值卻通常越小或變化不大. 這可能是因為軸壓比越大或截面尺寸越小,爆裂的影響越明顯、高強混凝土柱的耐火極限越小所致.

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