項 凱，潘雁翀，王國輝

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

鋼筋混凝土柱溫度場試驗研究

項 凱*，潘雁翀，王國輝

(公安部天津消防研究所，天津，300381)

研究鋼筋混凝土柱在升溫、降溫加熱曲線作用下的截面溫度場分布。完成了1根邊長700 mm方形鋼筋混凝土柱的四面受火溫度場試驗，加熱曲線升溫段為ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，降溫段為隨爐冷卻降溫曲線。試驗過程中測得了柱截面內(nèi)不同位置的溫度變化。建立有限元模型對試驗結(jié)果進行了模擬分析。結(jié)果表明：方形柱截面內(nèi)不同位置的升溫速率、降溫速率受其距受火面距離影響較大；截面內(nèi)距離受火面越遠(yuǎn)的位置，升溫滯后現(xiàn)象越明顯；在ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫和隨爐降溫加熱曲線作用下，當(dāng)方形柱的截面邊長大于等于700 mm時，柱截面內(nèi)的溫度分布可反映大截面尺寸鋼筋混凝土柱在火災(zāi)升、降溫階段的溫度分布變化。

柱；鋼筋混凝土；截面尺寸；溫度場

0 引言

火災(zāi)對各類建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件力學(xué)性能的影響主要表現(xiàn)為各種建筑材料受到高溫影響，其火災(zāi)中和火災(zāi)后的力學(xué)性能發(fā)生劣化，不同建筑材料間的力學(xué)性能受到高溫影響，其火災(zāi)中和火災(zāi)后的粘結(jié)強度發(fā)生劣化，由此可見，研究建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的溫度場分布是明晰火災(zāi)中和火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)和構(gòu)件力學(xué)性能的前提條件。柱構(gòu)件是建筑結(jié)構(gòu)主要的受力構(gòu)件，對于鋼筋混凝土柱的抗火性能國內(nèi)外已經(jīng)開展了相關(guān)的試驗研究[1]。

鋼筋混凝土柱溫度場的研究方面，蘇等[2]報道了ASTM E119升溫曲線作用的，37根方形、矩形、圓形鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，截面尺寸203 mm×203 mm、305 mm×305 mm、406 mm×406 mm、305 mm×457 mm、203 mm×914 mm、356 mm。Jau和 Huang[3]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的，6根鋼筋混凝土角柱，非對稱兩面受火的溫度場試驗，升溫時間2 h、4 h，截面尺寸300 mm×450 mm。Chen等[4]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的，6根鋼筋混凝土柱溫度場試驗，升溫時間2 h、4 h，截面尺寸300 mm×450 mm。Xu和Wu[5]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的，12根L形、+形、T形、方形鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，受火方式考慮不同面受火的情況，方形柱截面尺寸400 mm×400 mm。Martins和Rodrigues[6]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的，11根方形鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，截面尺寸160 mm×160 mm、250 mm×250 mm。Huo等[7]報道了電爐加熱的，考慮降溫段的18根方形鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，截面尺寸150 mm×150 mm。時等[8]報道了電爐加熱的，12根矩形鋼筋混凝土柱的三面受火溫度場試驗，試驗溫度20 ℃～950 ℃，截面尺寸100 mm×200 mm。吳等[9]報道了電爐加熱的，3根方形鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，截面尺寸200 mm×200 mm。吳等[10]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的，7根方形高強和普通鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，受火方式為兩面、三面、四面受火，截面尺寸300 mm×300 mm。成和李[11]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用的，6根鋼筋混凝土柱的三面受火溫度場試驗，截面尺寸250 mm×300 mm、300 mm×300 mm。袁等[12]報道了電爐加熱的，12根矩形鋼筋混凝土柱在經(jīng)歷不同加熱溫度(250 ℃、450 ℃、650 ℃)，不同冷卻方式(噴水與自然冷卻)情況下的溫度場試驗,截面尺寸100 mm×150 mm。徐等[13]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和隨爐冷卻降溫曲線作用的，7根方形鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，升溫時間60 min、90 min、120 min，截面尺寸300 mm×300 mm。Liu等[14]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線作用的，21根圓形鋼管約束鋼筋混凝土短柱的溫度場試驗，截面尺寸200 mm、250 mm。Yang等[15]報道了標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線作用的，14根圓形鋼管約束鋼筋混凝土長柱的溫度場試驗，截面尺寸200 mm、250 mm。

由上述的研究成果可以看出，已有的研究成果多為相對較小截面尺寸的鋼筋混凝土柱的溫度場試驗，并且考慮升溫、降溫曲線作用的試驗相對較少。隨著建筑高度的不斷增加，相應(yīng)的實際建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸也不斷增大，需要研究相對較大截面尺寸結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度場分布。并且研究表明[16, 17]，加熱曲線降溫段對結(jié)構(gòu)構(gòu)件力學(xué)性能的影響十分重要，荷載較大時試件可能在降溫段發(fā)生破壞。本文以ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線和隨爐冷卻降溫曲線作用的，1根截面邊長為700 mm方形鋼筋混凝土柱的四面受火的溫度場試驗為基礎(chǔ)，詳細(xì)分析了截面邊長400 mm～1300 mm范圍內(nèi)的方形鋼筋混凝土柱在加熱曲線升溫段、降溫段的截面溫度場分布特點，采用ABAQUS軟件分析了截面尺寸變化對柱截面內(nèi)溫度場影響規(guī)律，研究成果為相對較大截面尺寸鋼筋混凝土柱的火災(zāi)中和火災(zāi)后的力學(xué)性能分析提供了可靠的溫度場研究基礎(chǔ)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

設(shè)計制作了1根方形截面鋼筋混凝土柱試件Z1，試件高度3700 mm，截面尺寸700 mm×700 mm?？v筋采用12根直徑22 mm鋼筋，方形截面的每一側(cè)布置4根縱筋，箍筋采用直徑8 mm鋼筋，在柱上下端700 mm范圍內(nèi)箍筋間距100 mm，沿柱縱向的其余區(qū)域，箍筋間距200 mm，混凝土保護層厚度為50 mm，鋼筋混凝土柱試件的示意圖如圖1所示。在鋼筋混凝土柱的上下兩端設(shè)置端板，端板厚度均為30 mm，端板尺寸1 000 mm×1 000 mm，上部端板設(shè)置吊鉤。

1.2 材料性能

縱筋采用HRB335級鋼筋，箍筋采用HPB300級鋼筋，混凝土采用C40商品混凝土，其質(zhì)量配合比為：水泥∶細(xì)骨料∶粗骨料∶水∶外加劑∶摻合料=1∶2.33∶3.64∶0.58∶0.03∶0.49。混凝土的立方體抗壓強度依據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB50081- 2002)規(guī)定的方法測試得到，28天時混凝土的立方體抗壓強度為45.8 MPa，試驗時混凝土立方體抗壓強度為47.0 MPa。試驗時混凝土齡期為64天。

圖1 鋼筋混凝土柱詳圖Fig.1 Details of RC column

1.3 溫度場試驗

試驗在“國家固定滅火系統(tǒng)和耐火構(gòu)件質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心”進行。為了模擬實際情況，本試驗測得的是加載柱的溫度場分布。首先對試驗試件施加柱截面設(shè)計極限承載力的0.2倍的軸力，再依據(jù)ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，對試驗柱進行四面受火實體火災(zāi)試驗，試驗柱的兩端為鉸接支撐，試件的溫度場試驗示意圖，如圖2所示。受火后的混凝土表面有少量混凝土剝落，混凝土顏色發(fā)生變化，受火后混凝土表面呈淺黃色。

圖2 鋼筋混凝土柱的火災(zāi)試驗Fig.2 Fire test of RC column

圖3 熱電偶布置(單位：mm)Fig.3 Arrangement of thermocouples(unit:mm)

鋼筋混凝土柱的豎向中部截面內(nèi)布置熱電偶測量混凝土的溫度，熱電偶的布置方式如圖3所示，在澆筑混凝土前，按圖3所示將熱電偶固定在柱中指定位置。布置的1號～7號熱電偶，在x軸方向分別距離柱受火面10 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm和350 mm，在y軸方向距離柱受火面均為350 mm。

2 試驗結(jié)果

2.1 升降溫曲線

試驗時，實測的爐內(nèi)溫度(T)-時間(t)升降溫曲線如圖4所示，試驗時間300 min，包括按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加熱的升溫段180 min以及爐內(nèi)通風(fēng)冷卻狀態(tài)下的降溫段120 min。試驗測得的爐內(nèi)升溫曲線與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合較好。在降溫段，當(dāng)爐內(nèi)溫度降至約230 ℃時，由于試驗爐處于密閉狀態(tài)，升溫試驗時爐壁的保溫隔熱材料已經(jīng)蓄積了較多熱量，使得爐內(nèi)通風(fēng)冷卻狀態(tài)下，當(dāng)爐內(nèi)溫度下降到一定溫度時，試驗爐內(nèi)的溫度在短期內(nèi)無法繼續(xù)降低，故在255 min～300 min試驗期間，實測的爐內(nèi)降溫曲線溫度在230 ℃上下波動。

圖4 爐內(nèi)實測溫度與ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)溫度Fig.4 Comparisons of measured furnace temperatures with ISO- 834 standard fire temperatures

2.2 溫度分布

試驗柱截面內(nèi)不同測點的實測T-t曲線如圖5所示，圖例“Z1- 1”表示編號Z1柱，對應(yīng)圖3熱電偶布置的“1”號點的T-t曲線，其余圖例以此類推。升溫階段和降溫階段，試驗柱截面內(nèi)不同測點在不同時刻的溫度分別如圖6(a)和圖6(b)所示，圖中橫坐標(biāo)“d”代表測溫點距離受火面的最近距離。

圖5 實測的柱截面內(nèi)溫度Fig.5 Measured cross- sectional temperatures of column

圖6 距受火面不同距離的實測溫度 Fig.6 Measured temperatures of different distances from heated surface

由圖5可知：(1)方形柱截面內(nèi)不同位置的升溫速率、降溫速率受其距受火面距離影響較大。試驗的升溫段，距受火面越近的位置，其溫度升高的速率越快；試驗的降溫段，距受火面越近的位置，其溫度降低的速率越快。(2)截面內(nèi)距離受火面越遠(yuǎn)的位置，升溫滯后現(xiàn)象越明顯。標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫180 min，隨爐冷卻降溫120 min過程中，距受火面在150 mm內(nèi)的位置可看到明顯的溫度升高降低過程，而距受火面超過200 mm的位置，其溫度幾乎始終保持升高。(3)T-t曲線的平臺段不明顯，平臺段是指測量點混凝土溫度上升至100 ℃左右時，出現(xiàn)隨著加熱時間的增加溫度變化較小的現(xiàn)象。這主要因為：Z1- 1、Z1- 2測量點距離受火面較近，Z1- 1測量點混凝土的水分蒸發(fā)較快，平臺段不明顯，Z1- 2測量點距離受火面50 mm，可以觀察到平臺段，此現(xiàn)象與相對較小截面柱比較類似；Z1- 3和Z1- 4的平臺段不明顯，這主要與試驗試件的尺寸相對較大有關(guān)；平臺段一般在試驗升溫階段出現(xiàn)，本試驗升溫結(jié)束(180 min)時，Z1- 5、Z1- 6、Z1- 7尚未達到100 ℃，故沒有出現(xiàn)平臺段。

由圖6可知：(1)爐溫的升溫、降溫段，截面內(nèi)溫度分布差別較大。試驗的升溫段，隨著時間的增加，距受火面不同距離的位置溫度均逐漸升高，如圖6(a)；試驗的降溫段，隨著時間的增加，距受火面相對較近的位置，溫度逐漸降低；而距受火面相對較遠(yuǎn)的位置，溫度逐漸升高，如圖6(b)。(2)試驗的不同時刻，截面內(nèi)的溫度梯度差別較大。試驗的升溫段，隨著時間增加，不同時刻截面內(nèi)的溫度梯度逐漸增加，如圖6(a)中30 min和60 min對應(yīng)的曲線；試驗的降溫段，隨著時間增加，不同時刻截面內(nèi)的溫度梯度逐漸減小，如圖6(b)中180 min和210 min對應(yīng)的曲線。(3)距受火面不同距離，截面內(nèi)的溫度梯度差別較大。試驗的升溫段，隨著距受火面距離的增加，截面內(nèi)的溫度梯度逐漸減小，如圖6(a)；試驗的降溫段，隨著距受火面距離的增加，截面內(nèi)的溫度梯度在不同時刻的規(guī)律變化較大。

本試驗的截面尺寸700 mm方形鋼筋混凝土柱截面內(nèi)各點的溫度變化特點主要體現(xiàn)在：(1)由于試件截面尺寸相對較大，本試驗的測溫點主要受到x軸方向受火面的作用，y軸方向受火面對試驗結(jié)果影響較小，試驗測得的結(jié)果接近單面受火柱的情況。(2)對于大尺寸的鋼筋混凝土試件，距受火面越遠(yuǎn)位置的混凝土，其升溫時間越長，故大尺寸鋼筋混凝土試件受火后冷卻到室溫需要的時間較長。(3)無論是升溫段還是降溫段，在距離受火面150 mm范圍內(nèi)，混凝土的溫度梯度較大，由于混凝土的熱傳導(dǎo)性能相對較差，距離受火面超過200 mm時，截面內(nèi)部混凝土的溫度變化并不明顯。

鋼筋混凝土柱截面內(nèi)距受火面不同距離位置的溫度值如表1所示。表中編號“1～7”表示對應(yīng)圖3中的“1～7”號熱電偶；T180表示試驗180 min時，截面內(nèi)各測點的實測溫度；T300表示試驗300 min時，截面內(nèi)各測點的實測溫度；Tmax表示試驗從0 min～300 min內(nèi)，截面內(nèi)各測點實測的最高溫度；tTmax表示截面內(nèi)各測點的實測溫度達到最高時，所對應(yīng)的試驗時間。

由表1可知：(1)試驗的升溫階段，180 min時，距離受火面越近的位置，其溫度越高，如表1中T180列。(2)試驗的降溫階段，300 min時，與180 min時相比，距受火面相對較近位置(10 mm、50 mm)的溫度降低，并且距受火面越近溫度降低幅度越大；距受火面相對較遠(yuǎn)位置(100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、350 mm)的溫度繼續(xù)升高，并且距受火面越遠(yuǎn)溫度增幅越大，如表1中T300/T180列。(3)升溫滯后現(xiàn)象明顯。試驗升、降溫全過程中，距受火面不同距離位置的混凝土達到最高溫度的時間也不相同，距受火面越近的位置，其達到最高溫度的時間相對越快，而距受火面越遠(yuǎn)的位置，其達到最高溫度的時間相對越慢，如表1中tTmax列。(4)截面內(nèi)經(jīng)歷的最高溫度與升溫試驗結(jié)束時相同測點的溫度相比，距受火面越遠(yuǎn)的位置，其溫度增幅越大，如表1中Tmax/T180列。

表1 截面溫度

3 數(shù)值模擬

3.1 溫度場模擬

采用ABAQUS軟件計算鋼筋混凝土柱的溫度場分布，鋼筋和混凝土的熱工參數(shù)根據(jù)歐洲規(guī)范取值[18, 19]，試驗時未測得混凝土含水率，通過試算發(fā)現(xiàn)混凝土的含水率取5%時，計算值與試驗值吻合較好，故計算時含水率取5%。混凝土采用八節(jié)點三維實體熱分析單元DC3D8，鋼筋采用二節(jié)點Truss熱分析單元DC1D2，熱分析時，鋼筋與混凝土之間采用Tie的方式建立熱量傳遞的接觸關(guān)系。根據(jù)歐洲規(guī)范[20]，溫度場計算時，試件表面的對流換熱系數(shù)受火面取25 W/(m2·K)，綜合輻射系數(shù)0.7。模擬的試件截面T-t曲線如圖7所示。圖例“FEM- 1””表示對應(yīng)圖3熱電偶布置的“1”號點T-t曲線的計算值，其余圖例以此類推。由圖7可知，計算值與試驗值吻合較好。

圖7 實測值與計算值比較Fig.7 Comparison between measured and calculated temperatures

3.2 截面尺寸對溫度場影響分析

采用試驗測得的加熱升溫、降溫曲線，計算相同配筋率，不同截面尺寸鋼筋混凝土柱(400 mm、550 mm、700 mm、1000 mm、1300 mm)截面內(nèi)的溫度分布。根據(jù)圖3所示的熱電偶相對位置，選取x軸方向距受火面10 mm、50 mm、100 mm、150 mm、200 mm，y軸方向位于截面中部的位置進行溫度分析。距受火面相同距離位置，不同截面尺寸柱的T-t曲線如圖8所示。由圖8可知：(1) 截面尺寸越小，相同時刻、相同位置的溫度越高。(2) 隨著鋼筋混凝土柱截面尺寸的增大，在截面內(nèi)，方形柱的四邊邊長之和與截面面積的比值逐漸減小。當(dāng)距受火面相同距離時，隨著截面尺寸增大，溫度- 時間曲線在100 ℃左右的平臺段逐漸不明顯。(3) 柱截面尺寸變化時，當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時，距受火面相同距離位置的溫度變化較為一致。說明試驗選取的柱截面尺寸可以反映大尺寸柱試件升溫、降溫火災(zāi)試驗的溫度變化。試驗相同時刻(60 min、120 min、180 min、240 min、300 min)，柱截面尺寸不同時，截面內(nèi)的溫度(T)- 距離(d)曲線如圖9所示。由圖9可知：(1)柱截面尺寸不同時，距受火面相同距離范圍內(nèi)的溫度梯度有變化；(2)升溫階段，不同截面尺寸柱，距受火面相同距離范圍內(nèi)溫度梯度的變化比較一致且相對變化較小，截面尺寸越小，溫度梯度差別越小，當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時，溫度梯度幾乎保持一致；(3)降溫階段，不同截面尺寸的柱，距受火面相同距離范圍內(nèi)溫度梯度的變化不一致，距受火面相對較近的位置，可能產(chǎn)生與升溫階段正負(fù)符號相反的溫度梯度差別。當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時，降溫120 min時間內(nèi)溫度梯度的變化趨勢比較一致。

圖8 不同截面尺寸，距受火面相同距離的溫度Fig.8 Temperatures of the same distance from heated surface under different section sizes

圖9 相同時刻，不同截面尺寸的溫度Fig.9 Temperatures of different section sizes at the same moment

爐溫升溫180 min時，不同截面尺寸柱在截面內(nèi)的溫度分布如圖10所示，隨爐降溫120 min時，不同截面尺寸柱在截面內(nèi)的溫度分布如圖11所示。由圖10、圖11可知：(1) 升溫階段，截面內(nèi)的溫度分布由外向內(nèi)，溫度逐漸遞減，距受火面越遠(yuǎn)的位置，其溫度越低；(2) 降溫階段，截面內(nèi)的溫度分布相對較為復(fù)雜，在方形截面柱的角部區(qū)域溫度相對較高，在截面的中心位置溫度相對較低。

圖10 180 min時，不同截面尺寸的溫度分布Fig.10 Temperatures distribution of different section sizes at 180 min

圖11 300 min時，不同截面尺寸的溫度分布Fig.11 Temperatures distribution of different section sizes at 300 min

4 結(jié)論

本文對相對較大截面尺寸方形鋼筋混凝土柱的溫度場進行了試驗研究，詳細(xì)分析了試驗結(jié)果，采用有限元方法對試驗結(jié)果進行了數(shù)值模擬，并進一步完成了尺寸效應(yīng)分析，可得出以下結(jié)論：

(1)柱截面內(nèi)不同位置的升溫速率、降溫速率與其距受火面距離明顯相關(guān)。截面內(nèi)距離受火面越遠(yuǎn)的位置，升溫滯后現(xiàn)象越明顯。截面內(nèi)經(jīng)歷的最高溫度與升溫試驗結(jié)束時相同測點的溫度相比，距受火面越遠(yuǎn)的位置，其溫度增幅越大。

(2)在ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升溫和隨爐降溫加熱曲線作用下，當(dāng)方形柱的截面尺寸大于等于700 mm時，柱的溫度分布可反映大尺寸鋼筋混凝土柱的溫度分布。

(3)在火災(zāi)的降溫階段，不同截面尺寸的柱，距受火面相同距離范圍內(nèi)溫度梯度的變化不一致，距受火面相對較近的位置，可能產(chǎn)生與升溫階段正負(fù)符號相反的溫度梯度差別。當(dāng)柱截面尺寸大于等于700 mm時，降溫120 min時間內(nèi)溫度梯度的變化趨勢比較一致。

(4) 在火災(zāi)的降溫階段，截面內(nèi)的溫度分布相對較為復(fù)雜，在方形截面柱的角部區(qū)域溫度相對較高，在截面的中心位置溫度相對較低。

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[20] Eurocode 1. EN 1991- 1- 2: 2002 Actions on structures- Part1- 2: General actions- Actions on structures exposed to fire[S]. European Committee for Standardization, Brussels, 2002.

Experimentalstudyontemperaturedistributionofreinforcedconcretecolumns

XIANG Kai, PAN Yanchong, WANG Guohui

(Tianjin Fire Research Institute of the Ministry of Public Security, Tianjin 300381, China)

This paper intends to study the temperature distribution of reinforced concrete (RC) columns under heating and cooling phase fire curves. One square section RC column with 700 mm side length is constructed for four- side surfaces exposed to fire. The heating phase of fire curve is ISO- 834 standard fire curve and the cooling phase is furnace cooling curve. During the experiment, the temperature distribution of cross- section of square section RC column is measured. Finite element (FE) models are developed and used to analyze the test results of experiment. The results show that the distance from the heated surface has significant effect on the performance of the heating and cooling rates for the cross- section of square section RC column. The heating duration time of cross- section concrete reaching the maximum temperature delays with the distance from the heated surface. Under ISO- 834 standard heating and furnace cooling fire curves, when the cross- section side length of the square section column is greater than or equal to 700 mm, the temperature distribution in the cross- section of square section column can reflect the variation of temperature distribution of reinforced concrete column with large cross- section scale under heating and cooling phases.

Column; Reinforced concrete; Cross- section scale; Temperature distribution

1004- 5309(2017)- 00183- 08

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.08

2016- 12- 23；修改日期2017- 04- 05

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(51408134)

項凱(1980- )，男，遼寧人，博士，副研究員，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗火研究。

項凱，Email: xiangkai0304@163.com

TU375.3; X932

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