高温下型钢混凝土框架节点温度场分布试验研究

【摘要】:本文根据实际工程设计了型钢混凝土框架节点试件，并对试件进行了火灾试验，提取了节点截面以及梁中、柱中截面的温度分布数据，通过对比分析，得出了高温作用下型钢混凝土框架节点的温度场分布规律，为下一步研究火灾后型钢混凝土节点力学性能提供了基础，结果可为火灾下建筑结构性能分析以及火灾后结构的加固修复提供参考依据。

【关键词】: 型钢混凝土框架节点；火灾试验；温度场分布；

中图分类号： TV331 文献标识码： A

1.引言

高层建筑层数多，使用面积大，用途复合化，结构的各项安全问题十分突出，尤其是建筑火灾，在近些来不断的出现。型钢混凝土结构承载力高，抗震性能好，广泛的应用于现代高层建筑，而针对其火灾的研究较少，框架节点处于结构中至关重要的位置，研究型钢混凝土节点在火灾作用下的温度场分布以及火灾后的抗震性能、损伤程度以及重复利用条件，对结构的安全性评估以及修复具有十分重要的现实意义。

型钢混凝土结构是在型钢周围布置钢筋并浇筑混凝土的结构，高温后型钢混凝土结构节点抗震性能研究主要有两个方面，一是型钢混凝土节点结构在高温作用下的温度场分布规律，二是高温后结构力学性能以及各方面性能重复利用的研究[1-2}。钢与混凝土两种材料的物理性能差异较大，受荷作用时，主要靠两者之间的摩擦以及机械相互咬合共同承担荷载，在高温作用下，钢和混凝土的物理力学性能、以及两者粘结力不同程度的退化，直接导致局部构件的承载能力降低[3]；建筑物在遭受火灾不是特别严重的情况下，一般不会造成根本性的损坏，对此类结构进行检测与安全性评估，并采取相应的加固措施后，仍可重新使用。

型钢混凝土结构多以柱、梁、墩的形式存在，一般存在于建筑结构承载力要求较高、结构关键的部位，本文主要通过过火试验模拟火灾工况，研究节点处温度场分布规律，为下一步进行火灾后力学性能分析提供基础，结果可为设计以及工程加固提供数据依据。

2.试验模型

2.1试验模型选取

建筑结构遭受火灾的时候会出现多种受火形式，如节点上或下部单侧受火，节点上或下部双侧受火，节点左或右单侧受火，节点左或右双侧受火，节点四面受火，随着火势蔓延，火灾会布满整个建筑[4]，本试验主要采用的是节点四面受火的形式。

2.2试件设计

根据某实际工程选取型钢混凝土框架节点模型，考虑火灾试验炉尺寸，试验模型以一定的比例对原模型进行缩尺计算，缩尺比例为1:2.6，试验模型构件的配筋率、配箍率和原工程模型保持一致，试验模型构件的钢筋等级、混凝土强度和原工程模型保持一致。

3.试验过程

3.1试验曲线

根据《建筑构件耐火试验方法》[5]温度曲线采用ISO834升温曲线，升温时间60分钟，升温结束后，熄灭火源，采用打开炉口的方式进行自然冷却至室温。

3.2温度测点布置

温度数据用热电偶测量，分别布置于梁、柱跨中位置，梁、柱节点位置，4个截面，内部热电偶采用沿截面不同宽度和高度进行布置。柱内截面设置3个测温点，梁呢截面设置4个测温点，测点位置见图1.

图1 热电偶布置位置图

3.4过火方式

本试验为构件四面过火试验，整体视图如图2，结构在炉内平躺放置，在梁、柱中部用提前做好的砖柱支持，试验中，为防止砖柱受高温破坏，试验前提前用防火棉包裹。

图2试件炉内放置图

4试验结果

4.2试验现象

过火试验后打开炉盖，可以看到，型钢混凝土节点保持了良好的完整性，较烧前混凝土表面颜色发白，并且部分区域有红褐色出现，主要是混凝土碳化所致。近距离观察可以看到混凝土裂纹，但是没有剥落现象，用锤轻敲声音发蒙，图3给出节点的烧后状态以及裂缝分布情况，裂缝的宽度，从0.1mm到0.6mm不等。

图3 过火后节点状态

4.3试验同截面温度数据结果

由图4可以看出，试件梁在不同截面温度梯度分布是相同的。测点1、2的温度明显高于3、4测点；测点1、2、3温度峰值出现在60min，梁中测点1、2、3最高温分别为526℃、553℃、273℃，梁端部节点区测点1、2、3最高温分别为416℃、388℃、141℃；测点4无明显温度峰值，在60min加热过程中，温度缓慢上升，加热结束后，温度还在逐渐升高，最高温约在120min，中部229℃，端部节点119℃。

图4 梁截面1-4测点温度数据

由5可以看出，节点柱在不同截面温度梯度分布是相同的。测点1、3的温度明显高于测点2，测点1、3的最高温出现在120min，温度为200℃、160℃；测点2无明显温度峰值，在60min加热过程中，温度上升较快，曲线曲率较大，加热结束后，温度还在缓慢上升；测点1和测点3对称布置于柱截面，温度曲线变化基本相同。

图5柱截面1-3测点温度数据

由以上数据分析可以得出：

（1）在过火试验所有测点中，越是布置在截面表面的测点，曲线的斜率相对就越大，升温的速度就越快，T（温度）-t（时间）曲线上的拐点也相对靠前，越是布置在截面内部的测点，曲线的斜率相对越平缓，升温速度也就越慢，因为对于热惰性材料混凝土来说，接受外部热量向内部传递是一个缓慢的过程，向内部传热的较长路径会在截面内部产生较大的温度梯度，导致了试件内外产生不同的温差。

（2）当外部的火源熄灭后，内部测点（梁4、柱2）温度没有下降，相反会有上升的趋势，这种现象主要是因为混凝土传热较慢，在受火过程中吸收的热量在火源熄灭后还在向混凝土内部不停的传递，这样，会对混凝土内部截面造成二次损伤，进一步影响混凝土内部材料的力学性能。

4.4节点区与非节点区同测点比较

（1）非节点区高于节点区，如A试件梁1点，节点区1点的峰值温度为416℃，非节点区温度峰值为526℃，B试件梁2点，节点区2点温度峰值为377℃，非节点区2点温度峰值为552℃，B试件柱3点，节点区3点温度峰值为172℃，非节点区3点温度峰值为150℃。

（2）比较温度升降速度，节点区略低于非节点区，混凝土的热惰性材性，在火源熄灭后较长一段时间内，节点内部温度在逐渐升高或保持不变，所以，火灾对结构节点区造成不可恢复的二次损伤较为显著 。

（3）观察下图可以发现，内部测点曲线在温度达到100℃时候出现平直段，由于核心混凝土所含的水分在 100℃时蒸发吸热，会使混凝土升温速率降低，过火试验混凝土养护时间要达到三个月（90天）以上，以防过火时由于试件含水分太大，发生爆裂。

5结论

本文通过对型钢混凝土节点进行过火试验，进行了节点处温度场数据和梁中、柱中出温度场数据分析对比，主要得出以下结论：

（1）型钢混凝土节点遭受火灾作用后，剥落现象不太明显，表面会出现裂纹，裂纹宽度据受火损伤程度不同，这将进一步影响钢与混凝土之间的协调作用。

（2）节点内部测点受火升温过程中，曲线在温度100℃时候会出现平直段，主要是水分蒸发影响，这种现象在混凝土截面面积较大、测点靠近内部的部位比较显著。

（3）混凝土是热惰性材料，温度向内部传递是一个缓慢过程，越靠近节点内部测点，温度上升较慢，斜率较为平缓，节点处，柱截面温度低于梁截面，因为柱截面大，热容大，升高相同温度吸热多，当然，温度下降也较慢。

（4）节点区温度高于非节点区，升温速度低于非节点区，外部火源熄灭后，热量还在不停的向内部进行着传递，导致内部温度会上升，火灾对节点区造成的不可恢复的二次损伤更为明显。

参考文献

[1] 陆洲导,朱伯龙,熊海贝.钢筋砼框架火灾作用后加

固修复研究[J].四川建筑科学研究,1995,21(3):712.

[2] 李国强，韩林海，楼国彪，蒋首超.钢结构及钢-混凝土

结构抗火设计[M].北京：中国建筑工业出版社.

[3] 钮宏,陆洲导,陈磊. 高温下钢筋与混凝土的本构关系

的试验研究[J].同济大学学报,Vol.18.No.

[4]韩林海，宋天诣，谭清华. 钢-混凝土组合结构抗火设计原理研究的部分新近展[C] 第五届全国钢结构防火及防腐技术研讨会 2009

[5]《建筑构件耐火试验方法》GB/T9978-1999.[M].

作者简介：高志新（1987-4），男，河北井陉人，硕士研究生,工程抗震与防灾，