钢-混凝土组合梁是由混凝土板和钢梁通过栓钉连接组成的结构形式,兼有混凝土结构与钢结构的优点,具有良好的经济效益 ^[1]。钢-混凝土组合梁便于组装施工,符合国家建筑工业化的要求,在实际工程中应用较多,因此国内外的一些学者对组合梁的抗火性能进行了研究。

　　 英国的BRE火灾试验室对组合梁的抗火性能进行试验研究 ^[2],发现组合梁应该作为一个整体进行研究,当有足够的轴向约束时,组合梁会出现悬链线效应,有更大的变形能力。Ali Nadjai等 ^[3]对施加轴向约束和竖向约束的组合梁进行火灾试验,发现组合梁中温度分布的不同主要体现在混凝土板中,悬链线效应会受到轴向约束的影响。

　　 李国强等 ^[4,5]对简支和连续的压型钢板组合梁进行抗火试验,发现钢梁的温度分布并不均匀,试件的最终破坏形态是混凝土板出现贯通裂缝,钢梁发生翘曲。黄文欢 ^[6]对处于简支状态的薄壁型钢-混凝土组合梁进行火灾试验发现,高温会影响混凝土与型钢截面之间的粘结力。吕俊利等 ^[7,8,9]对钢结构建筑中的组合梁进行火灾试验研究,发现组合梁出现反拱现象,其抗火能力与所处的位置有关,裂缝的发展受到约束的影响。

　　 综上所述,对于组合梁的抗火研究大多以简支为主,对于框架中组合梁的研究相对较少,所以本文对一榀框架中的现浇组合梁进行抗火试验,探究其在火灾下的抗火性能,为现浇组合梁的防火设计提供参考。

　　 试件长4 300mm,宽1 625mm,试件是由工字形钢梁和现浇混凝土板通过栓钉连接组成,试件按照相关设计规范进行设计。钢梁选用Q235B的热轧工字钢制成,截面为HN250×125×6×9。现浇板采用C30商品混凝土浇筑,板厚为120mm。现浇板采用双层双向配筋,配筋为。栓钉直径为16mm,栓钉间距为150mm,试件尺寸及配筋见图1。

　　 根据试验要求对山东建筑大学的火灾试验炉进行改造,然后依次布置钢筋混凝土底梁和钢柱,底梁作为基础,柱脚与基础通过锚栓连接,最后将试件放置在火炉的上方,连接固定,组成一个一榀框架,试验装置图见图2。钢柱和底梁采用防火岩棉进行保护。现浇组合梁两端采用刚接与钢柱连接,钢柱采用Q235B的热轧H型钢,截面为HN200×200×8×12,高度为2 800mm。端板的尺寸为210mm×160mm×10mm,摩擦型高强螺栓的型号为M22,刚接约束示意见图3。

　　 按照试验要求进行火灾试验,现浇板板面通过放置铸铁加载块实现3.5kN/m²的均布荷载,荷载布置照片见图4。加载完成后,检查设备处于正常状态后开始试验,采用ISO 834标准升温曲线进行升温,直到试验终止。

　　 组合梁上布置A～C,E～H七组测点。其中,A～C,H四组测点布置相同,用来测量混凝土与钢筋的温度,E～G三组测点布置相同,用来测量混凝土、栓钉与钢梁的温度。A～C,E～H七组测点中测量混凝土温度的测点的布置都相同,以A组为例,沿现浇板厚度方向每隔20mm布置一个热电偶,共布置6个热电偶;A～C,H四组测点中测量钢筋温度的测点的布置相同,在上、下层钢筋上各布置一个热电偶,共布置两个;E～G三组测点中测量栓钉温度的测点的布置相同,以G组为例,在栓钉中部布置一个热电偶;E～G三组测点中测量钢梁温度的测点的布置相同,以G组为例,在钢梁的上、下翼缘与腹板处各布置一个热电偶,具体位置见图5。

　　 采用差动式位移传感器来测量组合梁的位移变化,在现浇板和一端的钢柱上共布置6个位移传感器,其中D1～D5用来测量组合梁的竖向位移,D6用来测量组合梁的伸缩,具体位置见图6。

　　 现浇板采用C30商品混凝土浇筑,在浇筑的同时制作三组边长为150mm的标准立方体试块,两者同条件养护。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002) ^[10]的规定,测得受火前混凝土的抗压强度平均值为47.60N/mm²,抗拉强度平均值为3.67N/mm²。

　　 根据《金属材料 拉伸试验 第1部分: 室温试验方法》(GB/T 228.1—2010) ^[11]的规定测量受火前钢材的性能,钢梁的屈服强度平均值为288.3MPa,极限强度平均值为441.7MPa; 钢筋的屈服强度平均值为466.65MPa,极限强度平均值为634.15MPa。栓钉的力学性能由厂家提供。

　　 试件在升温15min后,观察到跨中出现竖向挠曲,两端翘起,见图7(a)。49min时在组合梁端部观察到斜裂缝出现,在组合梁跨中出现了与板边垂直的裂缝。在74min时观察到板面形成水湾,见图7(b)。随着温度的升高,水蒸气不断增加,水湾逐渐变小。在125min时,由于组合梁出现了平面外失稳,试验终止。

　　 自然冷却后,试件板面沿中轴线方向出现一条贯穿板面的裂缝,见图7(c),裂缝从两端向中间延伸,最大宽度约1.6mm。现浇板的两个长侧面出现一些水平裂缝,裂缝多位于侧面上方; 两端的侧面出现了一些竖向与水平裂缝,并与现浇板板面两端的裂缝相贯通,这些裂缝主要位于钢梁正上方; 现浇板板底没有出现裂缝,也没有出现混凝土爆裂; 钢梁产生整体扭转,见图7(d)。

　　 因为试件的温度分布规律基本相同,以B组和E组为例,分析组合梁温度的分布和变化。

　　 图8(a)给出了ISO 834标准升温曲线的升温阶段和试验过程中炉内温度的变化曲线。从图中可以发现,初期炉内温度上升迅速,符合火灾轰燃的现象,升温阶段炉内温度与标准升温曲线的发展趋势相同。炉内温度是两个测点处的温度,两者基本相同,说明炉内温度分布比较均匀。

　　 从图8(b),(c)两个测点的温度分布可知,从B1～B6,E1～E6,温度呈现逐渐降低的趋势(B1～B6,E1～E6为从板底到板顶依序布置的热电偶),因此可见,现浇板的温度分布沿板厚方向逐渐降低。现浇板在升温阶段的温度增长很快,越靠近板底,温度越高; 降温阶段板底的降温速率高于同一截面其他位置。由于现浇板的温度分布存在差异,使得现浇板沿厚度方向出现温度梯度,温度梯度会产生温度应力。温度应力使得板顶受拉,再加上荷载弯矩的作用,使现浇板板顶出现裂缝。在温度达到100℃时,由于混凝土内自由水与结合水的蒸发,带走了大量的热量,使得温度曲线在100℃时会产生一个持续平台。上下两层的钢筋温度差别较大,下部钢筋离受火面近,受到的影响较大,并且钢筋被混凝土包裹,钢筋的温度与周围混凝土的温度基本保持同步。

　　 图8(d)给出了钢梁的温度变化曲线,图中EU是E组钢梁上翼缘的测点,EM是E组钢梁腹板的测点,ED是E组钢梁下翼缘的测点。从三个测点的温度分布来看,腹板与下翼缘的温度最高,上翼缘次之。这是因为上翼缘与现浇板结合在一起,现浇板会吸收上翼缘的热量,而腹板与下翼缘完全处于热空气中,所以温度会产生差距。

　　 钢梁的最高温度为721℃,现浇板的最高温度为482℃,两者存在较大的温度梯度,变形不一致,钢梁的变形会受到约束。

　　 图8(e)给出了G,E,F三组测点处栓钉的温度变化曲线。由图可知,三者的温度变化规律基本一致,F组处的温度稍高于其他两点,这是因为F处位于组合梁端部,受温度影响较大所致。

　　 图9给出了现浇组合梁和钢柱测点的位移变化曲线,其中D1,D4和D3是现浇板组合梁两端四分点处的测点,D2,D5是跨中的测点,D6是钢柱上部的测点,用来测量钢柱上部的侧移,即组合梁的伸缩变化,规定以位移向下为正,钢柱向内侧偏移为正。在试验过程中,组合梁由于钢梁扭转等原因出现了一定程度的平面外失稳,测点D4,D5位于现浇板向上扭转的一侧,因此位移与中轴线上测点的位移方向相反。

　　 结合图9(a)和9(b)可知,图中的位移变化分为三个阶段,第一阶段在初始升温时期,位移与时间近似线性变化,说明组合梁刚度变化比较均匀; 第二阶段随着温度的升高,混凝土等材料在高温下膨胀加剧,使得组合梁伸长速率变快,在此阶段,组合梁平面内的伸长变形大于其竖向变形,所以位移曲线会产生一定程度的恢复; 第三阶段材料强度受高温影响降低,竖向位移的发展速率增加,所以组合梁的位移曲线缓慢上升,后来组合梁平面外失稳加剧,使得位移变化速率迅速上升。从图9(a)可知,跨中位移最大,组合梁两端四分点处的位移变化基本一致。从图9(b)可知,初始阶段组合梁以竖向位移变化为主,位移计伸长,位移为正,随着温度的升高,组合梁伸长速率增加,位移计开始收缩,直到试验终止。刚停火的时候,温度迅速下降,使得组合梁出现较快的收缩变形,然后随着温度的降低,变形缓慢恢复。

　　 试验数据采集300min,试件跨中的最大位移为81.2mm,冷却后残余变形为42.7mm,变形恢复比例为47.4%。

　　 在试验的基础之上,利用有限元软件ABAQUS对现浇组合梁的温度场和变形行为进行模拟,并与试验结果进行对比分析。

　　 在温度场的分析中,绝对零度设置为-273℃,斯忒潘-玻尔兹曼常数设置为5.67×10^-8。受火面的对流换热系数为40W/(m²·℃),综合辐射系数为0.5W/(m²·℃),采用实测炉内温度曲线进行升温。

　　 此外,混凝土与钢材的热传导系数、比热和密度根据文献[12]选取。

　　 高温下混凝土和钢筋本构模型根据文献[13,14]选取。

　　 钢筋部分采用杆单元,钢梁、现浇板等其余构件采用三维实体单元,在进行温度场分析时,将单元类型设为Heat Transfer; 在进行热力耦合分析时,将钢筋部分单元类型设为Truss,其余部件设为3D Stress。

　　 在模拟温度场时,只需要考虑热工参数,因此不需要施加荷载; 在热力耦合模拟时,在板面施加3.5kN/m²的均布荷载,同时把温度场模拟获得的温度作为体荷载导入预定义温度场中,进行热力耦合模拟。

　　 在温度场模拟时,各部件之间要实现温度传导,因此组合梁各组成部分之间采用Tie连接,刚接约束各部分之间也采用Tie连接; 在热力耦合模拟时,把钢筋与现浇板、栓钉与现浇板间的约束改为Embedded嵌入,其余不变。

　　 为方便计算,在热力耦合分析时直接在钢柱底部施加刚接约束,现浇组合梁的有限元模型见图10。

　　 图11给出了现浇组合梁受火时的温度与位移变化云图。从图11(a),(b)可以发现,现浇板的温度沿板厚方向逐渐降低,符合试验测得的温度变化规律;从图11(c)可以发现,现浇板组合梁跨中位移最大,两端位移对称变化,符合试验测得的位移变化规律。

　　 通过图12的对比可知,温度场数值模拟结果与试验结果的发展趋势基本一致; 位移数值模拟结果与试验结果的变化规律大致相同,但局部存在误差。试验中的钢柱采用防火岩棉包裹,但是钢柱除受到与组合梁连接处热传导的影响外,还会受到一定程度的辐射与对流的影响,温度上升,抗侧刚度会下降;而模拟中的钢柱,仅受到与组合梁连接处热传导的影响,温度较低,抗侧刚度相对较大,侧向变形相对较小,那么组合梁的变形则以竖向为主,所以模拟的曲线基本上是直接上升的趋势。总的来说,刚接约束下现浇组合梁的温度、位移模拟值与试验值符合较好。

　　 本文通过对现浇组合梁构件进行抗火性能试验研究与数值模拟,得到以下几个主要结论:

　　 (1)现浇板的温度分布沿厚度方向逐渐降低,板底温度最高,40mm以下区域受火影响最为明显。

　　 (2)现浇板会延缓钢梁上翼缘温度升高,现浇板与钢梁间存在较大的温度梯度,二者变形不一致,使得钢梁的变形受到约束。

　　 (3)现浇板受到温度应力和荷载弯矩的作用,在板面出现了沿中轴线方向的贯穿裂缝。

　　 (4)冷却后试件变形恢复比例为47.4%,说明火灾后的现浇组合梁有较强的变形恢复能力。

　　 (5)对火灾下处于刚接约束的现浇组合梁进行数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合较好,验证了有限元模型的正确性。