两面与三面高温下钢筋混凝土压弯构件的性能比较

*国家自然科学基金(编号:59578033)和国家教委博士点基金(编号:96000344)资助项目。

第一作者:杨建平 男 1971年3月出生 博士研究生收稿日期:199912
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两面与三面高温下钢筋混凝土压弯构件的性能比较*
杨建平 时旭东 过镇海
(清华大学 北京 100084)
摘 要:火灾情况下钢筋混凝土构件可有不同的受热面,其力学性能的差别很大。

通过恒温加载试
验比较了两面和三面高温下钢筋混凝土压弯柱的各种性能,包括截面温度场、变形和极限承载力等。

进一步揭示了不同温度场对钢筋混凝土构件性能的影响,为结构的高温理论分析提供了依据。

关键词:高温 钢筋混凝土压弯构件 极限承载力
C OMPARISON OF THE MEC HANIC AL BEHAVIOUR BETWEEN R.C .EC CENTRICAL
COMPRESSION MEMBERS HEATED ON TW O AND THREE SURF AC ES
Yang J i anping S hi Xudong Guo Zhen hai (Tsinghua Univers i ty Beiji ng 100084)
Abstract :There are great differences in the mechanical behavi our of the RC members that have different
surfaces heated under fire.T he present paper compares the behaviours,including section temperature field,deformation and ulti mate load capacity,of RC eccentrical compression members w ith two surfaces heated and that w ith three surfaces h eated.It illustrates the effect of different temperature fields on the behavi our of the RC members further and provides a basis for the theoretical analysi s of a structure under high tem perature.
Keywords :high temperature rei nforced concrete mem er under flexure and axial load ultimate load
在建筑物的火灾情况下,许多柱子处于两面或三面受火状态,例如角柱和边柱,它们大部分是压弯构件。

本文将通过钢筋混凝土压弯构件的两面和三面高温试验结果,研究它们的截面温度场、变形和极限承载力等规律,为分析钢筋混凝土结构的高温(抗火)安全性提供依据。

1 试验概况
高温试件均为恒温加载过程,即先将试件升温至预定温度(800e ),并维持不变,然后一次加载直至试件破坏。

试验装置如图1所示,主要量测项目有炉腔温度、试件截面温度、承载能力、挠度和轴向变形等。

两面升温试件的挠度包括横向挠度和竖向挠度两部分,而三面升温试件仅有竖向挠度。

试件内容见表1。

试件编号的意义为:第一个数字代表两面或三面升温;T 代表升温,其后的数字乘以100为升温值;N 代表加载,其后的数字乘以011h 为偏心距;A 代表偏心距偏向截面高温区,无字母A 的代表偏心距偏向截面低温区;例如:2T 8N6A,代表试件两面升温800e ,偏心距为016h,偏心距偏向截面高温区。

表中的TT 8试件用于量测截面温度场。

三面升温试件的试验数据由文献[1]和文献[2]提供。

试验所采用试件的截面尺寸和配筋构造如图2。

两面和三面高温试验的两组试件采用的混凝土立方体抗压强度分别为2417M Pa 和3715M Pa 。

所有试件的纵筋的屈服强度为340M Pa,弹性模量为21138@105M P a;箍筋的屈服强度为256M Pa,弹性模量为11971@105M Pa 。

两面和三面升温炉的构造相似,均为自行研制。

炉腔温度采用镍铬-镍硅热电偶量测。

试验时的炉腔升温曲线如图3,两面升温炉炉温达800e 约为130min,三面升温炉炉温达800e 约为100min 。

从图
34 Industr ial Constructio n 2000,Vol 130,N o 16
工业建筑 2000年第30卷第6期
图1 试验装置示意
(a)-两面升温试件的A-A 剖面;(b)-三面升温试件的A-A 剖面;(c)-偏心距示意1-挠度测点;2-轴向变形测点;3-力传感器;4-热电偶;5-耐火棉;6-竖向挠度测点;
7-构件;8-横向挠度测点;9-试验炉;10-测点
表1 试件内容
加热面偏心距(e 0/h )
-0.6-0.4-0.200.10.20.40.6温度场试验常温对比试验两面2T 8N6A 2T 8N4A -2T 8N02T 8N12T 8N22T8N42T8N62TT 82T 0N0三面
3T 8N6A
3T 8N4A
3T8N2A
3T 8N0
-3T 8N2
3T8N4
3T8N6
3TT 8
3T 0N0
中可知同一试验炉的各次升温曲线基本相同,恒温期间温度波动很小,
证明试验炉工作性能稳定。

图2 试件尺寸和配筋
图3 试验炉升温曲线1-三面升温;2-两面升温
2 试件截面温度分布
两面和三面升温试件的截面温度沿宽度和高度分布均极不均匀,图4为试件的截面温度沿宽度方向分布曲线。

在加热面表层(约20mm 厚)范围内,二者
的温度接近,截面内部的温差显著。

两面升温试件的截面平均温度明显低于三面升温试件,而其温度梯度偏大。

两面升温试件的截面温度场沿横、竖两方向都不对称,
而三面升温试件的截面温度场左右对称。

图4 试件的截面温度沿宽度方向分布曲线
1-三面升温;2-两面升温
由于截面各点温度自由变形受到截面总变形符合平面变形协调条件的约束,试件升温后产生变形,且截面内必将产生温度应力。

两面升温试件的变形和应力对截面的二轴都不对称,其受力性能分析要比三面升温试件更复杂。

3 试件变形
压弯试件在高温情况下的变形可分为升温和恒温加载两个阶段进行讨论。

311 升温阶段
在试件的升温阶段,由于截面存在不均匀的温度场,靠近高温面一侧材料的膨胀变形大于低温面一侧的变形,试件必然凸向高温面,本文中试件的挠度值
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两面与三面高温下钢筋混凝土压弯构件的性能比较)))杨建平等
以凸向高温面为正。

试件的中点挠度随温度的变化如图5。

两面升温试件的截面竖向与横向温差基本相同,但截面的横向宽度小于其竖向高度,故横向曲率必大于竖向曲率、模向挠度大于竖向挠度(图5)。

相同炉温下两面升温试件的截面平均温度低于三面升温试件,但其截面温差大于三面升温试件,二者的竖向挠度接近(图5)。

312加载阶段
在试件维持恒温的加载过程中,因荷载的偏心距不同,截面上产生不均匀的压应力或压、拉应力区,并随荷载的增大而不断变化。

由于高温下材料的力学性能下降,相同压应力下高温区的应变大于低温区,
图5试件中点挠度随温度的变化曲线
)-两面升温;-三面升温
产生凹向高温面的挠度。

当荷载偏向高温区(e0<0)时,高温边缘的压应变最大,试件的变形必凹向高温区,与升温阶段的变形方向相反。

反之若荷载偏向低温区,且偏心距较大(e0>0)时,才出现低温边缘压应变最大,试件变形凸向高温面,与升温阶段的变形方向一致。

所以,由温度引起的挠度和由荷载引起的挠度可能同向也可能反向,它们的共同作用结果要视试验温度、试件材料性能、荷载值以及偏心距等因素而定,是一个相当复杂的过程。

各试件的荷载-中点挠度曲线和挠度曲线见图6。

图中N u为常温下轴心受压试件的极限承载力, N u T为高温下试件极限承载力。

为了便于比较,所有试件的挠度均为加载后的挠度增量,即已除去升温阶段的挠度。

由于各试件的荷载偏心距只在截面竖向有变化,而在截面横向的偏心距为零,所以两面升温试件的横向挠度增长方向相同,均凸向高温区。

试件的竖向挠度则随荷载偏心距的方向和大小而改变,方向有别且大小各异(图6)。

当偏心距偏向试件截面的高温区时,试件承载力和刚度决定于高温区混凝土和低温区筋的高温强度。

在高温情况下,由于两面升温和三面升温试件截面高温区的截面温度差别很大,所以混凝土的高温强度有很大差别;而两者截面低温区的温度接近,钢筋的高温强度差别不大。

所以,当偏心距偏向试件截面的高温区时,两面升温和三面升温试件的强度和刚度有很大差别。

相同偏心距下两面升温试件的挠度增长要比三面升温试件慢,极限荷载时的中点挠度和试件的挠度曲线均要小于后者(图6)。

图6试件的荷载-中点挠度曲线
)-两面升温试件;-三面升温试件
当偏心距偏向试件截面的低温区时,试件承载力和刚度决定于低温区混凝土和高温区钢筋的高温强度。

在高温情况下,两面升温和三面升温试件截面低温区的截面温度均较低,混凝土强度损失均不大,而高温区的温度较高,钢筋的高温强度也接近。

所以,当偏心距偏向试件截面低温区时,两面升温和三面升温试件的强度和刚度接近。

相同偏心距的两面升温和三面升温试件的挠度-中点荷载曲线、极限荷载时的中点挠度和试件挠度曲线均差别不大(图6)。

4极限承载力和极强偏心距
在高温(800e)下试件的极限承载力(N uT)列于表2,其和偏心距的关系见图7。

其中N u为常温下
轴心受压试件的极限承载力。

图7试件极限承载力与偏心距的关系
)-两面升温试件;------三面升温试件
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表2 试件的极限承载力
e 0/h -0.6
-0.4-0.200.10.20.40.6N u 两面N uT 427.282.7-185.5295.7281.6205.2115.860.7升温N uT /N u 10.194-0.4340.6920.6590.4800.2710.142三面N uT 618.5105.0149.1176.0241.0-266.7133.537.5升温N uT /N u
1
0.169
0.241
0.285
0.389
-0.431
0.216
0.061
两面升温试件的截面温度场对横、竖两轴都不对称,有较大的温度梯度和横向挠度,但是,其截面的平均温度低于三面升温的试件,材料的强度总损失小。

故在炉温、偏心距相等的情况下,两面升温试件总比三面升温试件的极限承载力(N uT /N u )要大。

两面和三面升温试件的截面温度场不均匀,高温区材性损失大,低温区损失小,使得截面的强度中心偏向低温区。

因而,试件的最大荷载作用点并不在截面的几何中心(e 0/h =0),而是偏向低温区,相应的偏心距称为极强偏心距(e 0m )。

而且,试件的高温承载力(N uT /N u )曲线在极强偏心距两侧并不对称(图7),当e 0>e 0m 承载力下降快,而e 0<e 0m 承载力下降平缓。

两面升温试件的截面温度场对横、竖两轴都不对称,所以其最大荷载作用点应在竖向和横向上均偏向低温区。

由于本文的试验只沿试件截面竖向改变偏心距,而横向偏心距为零,所以把此方向上的具有最大承载力的偏心距称为竖向极强偏心距。

将图7中左右两条高温承载力曲线分别确定回归方程后求解,得极强偏心距(e 0m )和最大极限承载力。

两面升温试件得:e 0m /h =01042,(N uT /N u )max =01759。

三面升温试件得:e 0m /h =01168,(N uT /N u )max =01471。

从以上的分析可知,两面升温和三面升温试件相比,极强偏心距明显减小,而承载力显著增大。

5 结 论
(1)两面升温试件的截面温度场沿横、竖两方向都不对称,而三面升温试件的截面温度场左右对称。

当炉温相同时,前者的截面平均温度显著低于后者,而温度梯度高于后者,但二者的加热面表层(约20mm 厚)温度分布接近。

(2)两面升温试件在升温和加载过程中既有竖向挠度又有横向挠度,而且在升温阶段横向挠度大于竖向挠度,在恒温加载阶段,横向挠度继续增大。

三面升温试件在升温和加载过程中只有竖向挠度。

(3)炉温达800e 的单向压弯试件,偏心距相同的两面升温试件比三面升温试件的极限承载力高。

但是,由于两面升温试件存在较大的横向挠度,当荷载为双向偏心时,其极限承载力不一定超过三面升温试件。

(4)截面温度不均匀的试件,都有一极强偏心距,即荷载作用于此点时有截面最大承载力。

两面升温试件的最大荷载作用点在截面的横向和竖向均有偏心距,而三面升温试件的最大荷载作用点在截面的竖向对称轴上,相同炉温下,前者的极强偏心距要小于后者。

参考文献
1 李华东1高温下钢筋混凝土压弯构件的试验研究:1学位
论文21北京:清华大学,1994
2 时旭东等1三面受火钢筋混凝土轴心受压构件的受力性
能试验研究1建筑结构学报,1992,18(4)
(上接第30页)
表示,称为住宅的待评物元。

其中P 0为待评住宅的性能等级,x i 为P 0关于待评住宅特征参数C i 的量值,即C i 的具体数据。

212 确定待评住宅关于各性能等级的关联度
对每个特征参数C i 根据其相对重要性确定其权重系数A i 。

一般可采用和法、根法或特征根法(或者由专家确定)。

令
K j (P 0)=
6n
i=1
A i K j (x i )
(4)
称K j (P 0)为待评住宅P 0关于第j 等级的关联度,其中K j (x )i 由式(1)给出,并且6n i =1
A i F 1。

3 住宅性能等级的评定
由(4)式求得K j 后,当K j (P 0)E 0时,认为待评物元R 0属于节域R A(T),并且R 0I R A(T),即待评住宅的性能属于所划分的性能等级范围内,有P 0I P 。

若
K j 0=max {K j (P 0)} 则评定住宅P 0属于第j 0等级,K j 0是对待评住宅P 0的分析评定结果。

如果对于一切j ,K j (P 0)<0则有P 0I /P 的评定结果。

换言之,当待评住宅的关联度均小于零时,其性能等级已不在所划分的各性能等级的范围之内,应舍去。

参考文献
1 张协奎等1住宅性能综合评价初探1住宅科技,1997(6)
2 蔡文1物元分析模型及其应用1北京:科学技术文献出
版社,1994
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