钢管混凝土柱的抗火性能实验方式及结果分析

引言
混凝土作为传统的建筑材料，它具有很多的优势，比如抗压强度大、耐高温、耐腐蚀、制备简单方便，当然也同样具有很多明显的劣势，比如抗拉强度差，过于笨重等。

钢管混凝土柱是混凝土与钢材的一种组合方式，两种材料取长补短，充分发挥了混凝土抗压性能和钢材的抗拉性能，达到优化组合的作用效果。

钢管混凝土结构由于具有承载力高、塑性韧性好、施工速度快、综合效益好等工程特点，因而在高层、超高层建筑中的应用越来越普遍。

然而，在火灾作用下材料的力学性能有相当大的下降，承载力也随之下降。

1.试验概况
1.1试件设计
火灾试验的试件共有2个钢管混凝土柱Z1、Z2。

采用C40商品混凝土，PO42.5R水泥，粒径10mm～20mm的硅质粗骨料，中砂，掺加XTR-B外加剂，试验时混凝土立方体抗压强度为38MPa；钢管外径为219mm，壁厚4mm的钢管，钢材屈服强度为280MPa，极限强度390MPa。

在试件两端的各留４个直径20mm左右的排气孔，用于受火后混凝土内部的水汽排出。

1.2试验装置及试验方法
室内火灾的发展一般可分为火灾的初期增长、充分发展和衰减熄灭三个阶段。

火灾充分发展阶段升温速率快、温度高，对结构破坏严重。

为了近似模拟快速升温阶段，采用燃油火灾试验炉通过喷嘴将轻柴油雾化，点燃后在炉体内产生高温。

炉内升温由直径为3mm的N型热电偶测量。

火灾试验中试件由油压千斤顶施加1600KN轴向压力，并通过高压油泵来控制和调整施加荷载的大小。

试件上端部伸出炉盖，防止高温使千斤顶失效。

试件下端部用砂子进行维护，防止支座温度过高，因此试件的实际受火高度约为2800mm左右。

试件轴向变形由量程为±200mm的2个差动式位移传感器测量，位移传感器放置在柱顶千斤顶的四周。

试件表面和核心混凝土内部的温度由直径为0.5mm 的Ｋ型热电偶测量。

位移计和热电偶测得的数据均由HP数据采集仪自动采集并存储。

2.高温条件下混凝土的热运动
混凝土在加热过程中的形变受以下
四种条件的影响,即:热应变，瞬时压力相
关应变,瞬变应变和蠕变应变。

因此,由负
载引起的应变是以下三种条件的总和。

热应变代表因为温度变化而引起的
长度变化；它仅是以温度为变量的函数，
主要受到骨料的类型的影响。

热应变通
常是在无其他应力作用的高温下对试件
进行测量的。

在一定的温度下，由于外部荷载的
加载导致混凝土在高温条件下发生顺势
压力应变（等于瞬时荷载引起的应变）。

通常的试验方式是在一个给定的温度场
下对试件进行加热，然后再通过简单的
单方向受压的方式进行实验。

瞬变也是由荷载加载过程引发的应
变，似乎跟水泥浆性能有很大关系。

比
如，它可以通过增加的聚集体的数量而
降低。

混凝土构件的瞬变在加热过程中
起着非常重要的作用，因为其对由负载
引起的应变具有最主要的影响。

在高温下的蠕变与在室温下的蠕变
具有相同的基本特征，但其比室温下的
具有更高的价值，因为高温下的蠕变对
温度和水在混凝土构件中的毛细管和微
凝胶孔之间的扩散所产生的黏结键的比
率。

而具体的测量方式是通过在一个既
定的恒温恒压的条件条件下的构件的受
压试验中进行测定。

根据实验的结果，利用叠加原理，可
以提出相应的假设。

总应变可以表述
为：混凝土试件的瞬变和蠕变伴随产生
的由负荷引起的应变显著增加，从而使
混凝土表观强度降低。

正如已经提到的，
这种影响既有优点（由于热应力的松弛，
热膨胀的限制程度降低）又有缺点（二阶
效应的影响更大）。

无论是前者还是后者
都不能起到预测的作用，因为这个问题
涉及很多不确定因素，如几何尺寸、结构
布置、边界约束条件等。

在标准火灾的试
验中，构件的受火时长已经得到了一个
普遍的共识，但是，相比于瞬变在试验中
的影响，蠕变没有这么重要，经常被忽略
或者集中到瞬变的计算中去。

3.构件对钢管混凝土柱耐火极限的
影响
3.1钢管壁厚对钢管混凝土柱耐火
极限的影响
在常温下，钢管壁厚对钢管混凝土
柱的受力性能起到至关重要的作用。

但
是在受火条件下，由于钢管裸露，温度迅
速升高，强度损失严重，因此钢管壁的厚
度对耐火极限的影响不大。

当结构钢的
温度在400℃以上时其强度迅速降低，当
温度达到600℃时，其强度降低为常温下
的1/2；700℃时降为常温下的1/4；800℃
时降为常温下的1/10；900℃以上时其强
度基本完全丧失。

钢管在强度降低以后，不但其轴向
的承载能力降低，而且其对核心混凝土
的约束能力也显著降低.同时由于高温下
钢管与内核混凝土热膨胀变形的差异，
也导致了钢管与内核混凝土之间的组合
作用迅速降低。

在受火60min以后，钢管
的温度已经达到800℃以上，此时钢管已
经基本上退出工作了。

3.2配筋对钢管混凝土柱耐火极限
的影响
试验表明，配筋对提高钢管混凝土
柱的抗火性能的作用主要体现：钢筋埋
置在内核混凝土中，有一定厚度的保护
层，因此升温较慢，纵筋的强度降低较
小，所以对火灾下钢管混凝土柱的承载
力。

3.3砂浆保护层对钢管混凝土柱耐
火极限的影响
常温下，钢管的“套箍”作用对钢管
混凝土柱的受力性能起到至关重要的作
用。

火灾下，钢材的温度在400℃以上时
其强度迅速降低，当温度达到600℃时其
强度约降低为常温下的1/2。

钢管强度降
低以后，不但其纵向的承载能力降低，而
且对核心混凝土的约束能力也显著降
低，同时由于高温下钢管与核心混凝土
热膨胀变形的差异，导致钢管与核心混
凝土之间的组合作用迅速降低，因此钢
管对钢管混凝土柱承载能力的贡献随着
温度的提高而迅速降低。

4.结论
砂浆保护层在火灾中没有出现剥落
现象，所以砂浆的存在可以提高钢管混
凝土柱的耐火极限；火灾下，钢管强度降
低，不但其纵向的承载能力降低，而且对
核心混凝土的约束能力也显著降低，因
此受火后钢管对钢管混凝土柱承载能力
的贡献随着钢材温度提高而迅速降低；
第一次受火不是很严重的情况下，钢管
混凝土柱在第二次受火时，其耐火极限
有显著的降低。

□
（编辑/穆杨）
钢管混凝土柱的抗火性能实验方式及结果分析
刘长义
（佳木斯建成建筑有限公司，佳木斯154002）
[关键词]钢管混凝土柱；火灾实验；耐火极限
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活力2017·7。