張宏濤，徐 冰，白玉星，雙 妙

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144)

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鋼混凝土界面接觸熱阻試驗(yàn)研究

張宏濤，徐 冰，白玉星，雙 妙

(北方工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京 100144)

火災(zāi)條件下鋼管與混凝土間界面熱阻對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)有很大影響。利用INSTRON 8874型高溫材料試驗(yàn)機(jī)的高溫接觸熱阻試驗(yàn)裝置對(duì)鋼-混凝土界面接觸熱阻進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線，利用多項(xiàng)式擬和方法外推得到鋼、混凝土界面處溫度值，通過(guò)熱傳導(dǎo)方程和接觸熱阻定義得到了界面接觸熱阻。試驗(yàn)結(jié)果表明，不同界面壓力下鋼管混凝土界面的接觸熱阻數(shù)值比較穩(wěn)定，與文獻(xiàn)結(jié)果相比有一定可靠性；無(wú)界面壓力下鋼管混凝土界面的接觸熱阻數(shù)值離散性大，隨溫度變化明顯。

鋼管混凝土；界面接觸熱阻；火災(zāi)；界面壓力

接觸熱阻是由于固體表面間接觸不緊密造成的，當(dāng)發(fā)生熱量傳遞時(shí)，上述非緊密接觸的界面將產(chǎn)生熱阻。在航空航天和機(jī)械工程領(lǐng)域，對(duì)接觸熱阻進(jìn)行了大量的理論、試驗(yàn)和數(shù)值研究[1-7]，這些研究一般對(duì)界面模型的精細(xì)程度和接觸熱阻值精度要求比較高。而對(duì)于土木工程材料，尤其是混凝土材料的特殊性，土木結(jié)構(gòu)界面的接觸熱阻研究還比較少。

火災(zāi)(高溫)條件下鋼管與混凝土間界面熱阻對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)有很大影響，而溫度場(chǎng)分析對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的高溫力學(xué)性能和耐火極限有重要作用。鋼管混凝土接觸熱阻是由于鋼管和混凝土交界面處接觸不緊密造成的。接觸熱阻的存在減小了鋼管傳向核心混凝土的熱流，導(dǎo)致鋼管升溫加快而混凝土升溫減慢，從而使得鋼管內(nèi)壁與混凝土表面間存在明顯的溫度躍變。在計(jì)算中若不考慮界面接觸熱阻，則鋼管內(nèi)壁和混凝土表面溫度相同，這將導(dǎo)致鋼管溫度計(jì)算值偏低，混凝土計(jì)算值偏高。為了得出準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)分布，需考慮鋼管與混凝土界面接觸熱阻。

齊晗兵[8]用防護(hù)熱板法和圓管法分別對(duì)鋼管混凝土界面接觸熱阻進(jìn)行了測(cè)定。Ghojel[9]對(duì)未加載的圓鋼管混凝土構(gòu)件的接觸熱阻進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值分析，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鋼管混凝土不同方向測(cè)量得到的熱阻差別很大，因此最終取值為各個(gè)方向的平均值。這說(shuō)明接觸熱阻大小與界面接觸的緊密程度和材料的物理參數(shù)等密切相關(guān)，研究界面接觸熱阻可取宏觀平均值。同時(shí)，考慮到鋼管混凝土柱承受荷載后其界面空隙有所增大，還提出了受荷后鋼管混凝土中鋼管與混凝土的接觸熱阻為未受荷時(shí)的12倍。中國(guó)還有多位學(xué)者[10-14]提出了鋼管混凝土界面接觸熱阻的經(jīng)驗(yàn)公式和理論解，但運(yùn)用起來(lái)比較復(fù)雜。同時(shí)研究也表明，接觸熱阻的存在對(duì)結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分布影響比較大。

從以上鋼管混凝土界面接觸熱阻研究結(jié)果看出，界面接觸熱阻取值研究由于不夠充分，現(xiàn)在還沒(méi)有統(tǒng)一的取值。本文應(yīng)用基于INSTRON 8874型高溫材料試驗(yàn)機(jī)的高溫接觸熱阻試驗(yàn)裝置對(duì)鋼管混凝土界面熱阻進(jìn)行測(cè)定，利用該儀器已經(jīng)進(jìn)行了C/C復(fù)合材料與高溫合金GH600之間高溫接觸熱阻的試驗(yàn)研究[15]，對(duì)鋼-混凝土界面接觸熱阻的研究目的是探討能否為鋼管混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算提供合理的熱阻取值。

1 高溫下鋼混凝土接觸熱阻試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)的基本原理是將圓柱型的鋼、混凝土試件在一定壓力下軸向接觸，如圖1所示。鋼試件的一部分位于加熱爐中，對(duì)其進(jìn)行加熱，混凝土低溫端強(qiáng)制冷卻，位于爐子上部的試件側(cè)向做絕熱處理，使熱流自下而上流動(dòng)。通過(guò)測(cè)量試件沿軸向不同位置的溫度，進(jìn)而可計(jì)算求得鋼、混凝土界面接觸熱阻。

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。測(cè)點(diǎn)按位置從上到下標(biāo)識(shí)為“1，2，3，0，4，5，6”，各測(cè)點(diǎn)間的距離如表1，其中界面位置標(biāo)為0。通過(guò)測(cè)溫儀可測(cè)得不同時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的溫度。由不同時(shí)刻鋼、混凝土各測(cè)點(diǎn)溫度進(jìn)而可以用最小二乘法分別擬合外推得到不同時(shí)刻鋼、混凝土界面的溫度Ts、Tc，從而求得界面處溫度躍變?chǔ)。

圖1 試驗(yàn)原理示意圖Fig.1 The diagram of the experimental principle

表1 各測(cè)點(diǎn)的位置

ΔT=Ts-Tc

(1)

為了求得接觸熱阻，根據(jù)接觸熱阻R的定義

(2)

(3)

根據(jù)Lie等[17]的建議，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)kc采用式(4)進(jìn)行計(jì)算,導(dǎo)熱系數(shù)的單位為W/m·K。

(4)

鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)ks為

(5)

1.2 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)采用清華大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的基于INSTRON 8874型高溫材料試驗(yàn)機(jī)的高溫接觸熱阻試驗(yàn)裝置，如圖2所示。整個(gè)裝置由加熱裝置、保溫裝置、測(cè)溫裝置、冷卻裝置、加載裝置及試件等組成。

圖2 基于INSTRON 8874型高溫材料試驗(yàn)機(jī)的高溫接觸熱阻試驗(yàn)裝置Fig.2 The high temperature thermal contact resistance testing device based on INSTRON 8874 testing machine

混凝土試件采用C30自密實(shí)混凝土，水泥是42.5硅酸鹽水泥，粉煤灰是Ⅱ級(jí)粉煤灰，粗骨料是豆石(5～20連續(xù)級(jí)配)，細(xì)骨料是河砂，外加劑是聚羧酸高性能減水劑。配比為水泥210 kg/m3，粉煤灰360 kg/m3，石子870 kg/m3，砂子650 kg/m3，水200 kg/m3，減水劑2.5 kg/m3。首先澆筑150 mm×150 mm×550 mm的混凝土試塊，養(yǎng)護(hù)到7 d時(shí)，用水鉆取芯，水鉆鉆頭為φ32。取出的混凝土芯直徑29 mm，高150 mm。取出混凝土芯后，用混凝土切割機(jī)將其切斷，并用角向磨光機(jī)將混凝土表面打磨平整，得到所需尺寸的混凝土試件。然后將試件置于鉆床上，在試件側(cè)向打孔，以便插入熱電偶測(cè)溫。打完孔之后，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至28 d?；炷猎嚰睆?9 mm，高40 mm，側(cè)向測(cè)溫孔直徑3 mm，側(cè)向的測(cè)溫孔深入到試件中心處。鋼試件采用Q345鋼，試件直徑為30 mm，高115 mm(不包括試件夾持部分)，測(cè)溫孔直徑3 mm，深入到試件中心處，試件如圖3所示。

圖3 混凝土試件和鋼試件Fig.3 Test specimen of concrete and steel

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)試驗(yàn)原理，首先需要測(cè)得在不同界面壓力時(shí)圖1試件中各測(cè)點(diǎn)的溫度時(shí)間歷程曲線，見圖4，然后利用多項(xiàng)式擬和方法外推得到鋼、混凝土界面處不同時(shí)刻的溫度值。由于測(cè)點(diǎn)溫度變化的高度非線性，為盡量保證界面外推溫度的可靠性，測(cè)點(diǎn)溫度的取值以溫度時(shí)間歷程曲線平穩(wěn)變化開始，比如圖4中測(cè)點(diǎn)1，溫度起始值為35℃。圖4中250 s之前混凝土界面溫度利用1、2、3點(diǎn)溫度值擬和2次多項(xiàng)式得到，250 s之后(比如500 s時(shí))混凝土界面溫度可以利用此時(shí)刻測(cè)點(diǎn)1、2、3的溫度建立3次多項(xiàng)式和500 s之前混凝土界面溫度值建立5次多項(xiàng)式利用規(guī)劃求解得到500 s混凝土界面溫度，然后根據(jù)界面處的溫度值，利用式(3)得到界面處的熱流密度，然后代入式(2)得到界面接觸熱阻。

從溫度時(shí)間歷程曲線可以得到，鋼混凝土界面溫差一直存在而且比較大。由于無(wú)界面壓力情況下，界面間隙較有壓力時(shí)大，計(jì)算所得的界面溫差也較受壓時(shí)大。無(wú)界面壓力情況下，界面最大溫差平均值為139。由于溫差受界面粗糙度影響較明顯，所以，受壓時(shí)界面溫差最大值有一定的離散性，界面壓力為0.76 MPa時(shí)界面最大溫差平均值為80，1.51 MPa時(shí)為58，4.54 MPa時(shí)為68，9.08 MPa時(shí)為82。

圖4 界面壓力為0 MPa試件1溫度時(shí)間歷程Fig.4 The temperature-time history of specimen 1 of interface pressure 0 MPa

圖5 界面壓力為0 MPa試件2溫度時(shí)間歷程Fig.5 The temperature-time history of specimen 2 of interface pressure 0 MPa

圖6 界面壓力為0 MPa試件3溫度時(shí)間歷程Fig.6 The temperature-time history of specimen 3 of interface pressure 0 MPa

圖7 界面壓力為0 MPa試件4溫度時(shí)間歷程Fig.7 The temperature-time history of specimen 4 of interface pressure 0 MPa

圖8 不同界面壓力下接觸熱阻隨鋼界面溫度的變化Fig.8 The contact thermal resistance with different interface pressure and steel interface temperature

從接觸熱阻結(jié)果看出，當(dāng)無(wú)界面壓力時(shí)，隨著界面平均溫度的升高，接觸熱阻逐漸減小。這與李冬歡等[15]對(duì)金屬和復(fù)合材料界面的接觸熱阻變化規(guī)律比較一致，原因可能是由于界面間輻射效應(yīng)增強(qiáng)和空氣熱導(dǎo)率的升高，接觸熱阻開始降低。但當(dāng)存在界面壓力時(shí)，接觸熱阻值變化很小，即使界面壓力從0.76 MPa到9.08 MPa，熱阻值隨溫度變化也不大，平均值保持在0.001～0.004 m2·℃/W，而未受載荷時(shí)鋼管混凝土界面接觸熱阻，Ghojel[9]的結(jié)果是0.000 5～0.000 8 m2·℃/W，齊晗兵[8]的結(jié)果是0.004 m2·℃/W。同時(shí)，把Ghojel根據(jù)試驗(yàn)推導(dǎo)的未受載荷和受載荷時(shí)鋼管混凝土界面接觸熱阻的經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果表示在圖8中，本文的試驗(yàn)結(jié)果基本落在Ghojel的范圍內(nèi)，但是由于受載荷時(shí)Ghojel認(rèn)為界面會(huì)有分離，所以他簡(jiǎn)單估計(jì)受載荷時(shí)界面接觸熱阻為未受載時(shí)的12倍。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性來(lái)看，沒(méi)有界面壓力時(shí)，結(jié)果離散性比較大，同一溫度下不同試件接觸熱阻值變化范圍最大為0.006～0.02,說(shuō)明界面空隙和緊密程度對(duì)接觸熱阻影響很大。當(dāng)有界面壓力時(shí)，即使只有0.76 MPa，接觸熱阻值變化范圍最大為0.002～0.006,離散性比較小，說(shuō)明有界面壓力下，鋼管混凝土界面接觸熱阻值還是比較可靠的。

綜合以上分析，接觸熱阻在界面不受壓力時(shí)數(shù)值較大，并且隨溫度變化影響明顯。界面受壓力后，熱阻減小，并且受溫度影響較小。根據(jù)鋼管混凝土的實(shí)際工作狀態(tài)和便于工程應(yīng)用，本文建議鋼管與混凝土界面沒(méi)有壓力同時(shí)沒(méi)有分離時(shí)的接觸熱阻值可近似取0.013(200 ℃)～0.006(450 ℃)m2·℃/W，隨溫度線性變化，對(duì)于界面有分離的情況建議根據(jù)分離情況取文獻(xiàn)[9-10] 的0.003～0.01 m2·℃/W；鋼管與混凝土界面有壓力的接觸熱阻由于受溫度影響較小,結(jié)合齊晗兵[8]的結(jié)果0.004 m2·℃/W，建議取試驗(yàn)結(jié)果平均值0.003 m2·℃/W。

3 結(jié)論

基于INSTRON 8874型高溫材料試驗(yàn)機(jī)的高溫接觸熱阻試驗(yàn)裝置對(duì)鋼混凝土界面接觸熱阻進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果相比具有一定可靠性。鋼與混凝土界面有壓力的試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果比較接近，鋼與混凝土界面沒(méi)有壓力時(shí)界面接觸熱阻值離散性較大，而且受溫度影響比較大。試驗(yàn)結(jié)果可以為鋼管混凝土溫度場(chǎng)計(jì)算提供熱阻取值。

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(編輯 王秀玲)

Experimental analysis of interface thermal contact resistance between steel and concrete

ZhangHongtao，XuBing，BaiYuxing，ShuangMiao
(College of Civil Engineering，North China University of Technology，Beijing 100144，P.R. China)

Under Fire conditions， the interface thermal resistance between steel and concrete has important influence on structure temperature field. TheINSTRON 8874 material testing machine for high temperature thermal contact resistance testing device was used to conduct the thermal contact resistance experiments of steel and concrete interface. According to the time history curve of each measuring point’s temperature，the interface temperature near steel and near concrete was obtained using the polynomial fitting and extrapolation method. The interface thermal contact resistance was calculated by heat conduction equation and definition of thermal contact resistance. The test results showed that under different interface pressure，the thermal contact resistance value was constant and comparatively consistent with the literature; Without interface pressure，the thermal contact resistance value was unstable and varied obviously with temperature.

concrete filled-steel tube; thermal contact resistance; under fire conditions; interface pressure

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.006

張宏濤(1978-),男，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)抗火研究，(E-mail)zhanght@ncut.edu.cn。

Foundation item：Natural Science Foundation of Beijing and Key Project of Science and Technology Program of Beijing Municipal Commission of Education(No.KZ201310009010)

TU352.5

A

1674-4764(2015)02-0034-05

Received：2014-08-28

Author brief：Zhang Hongtao(1978-), associate professor, main research interest: fire resistance of structure，(E-mail)zhanght@ncut.edu.cn.