轴向位移约束对工字钢短柱高温强度影响的试验研究

徐文毅

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

轴向位移约束对工字钢短柱高温强度影响的试验研究

徐文毅

(武警学院 消防工程系，河北 廊坊 065000)

通过对工字钢短柱有、无轴向位移约束两种工况进行的高温强度试验研究，结果表明：有轴向位移约束的构件，高温时会产生温度应力，且温度越高，温度应力越大，温度应力可导致构件屈服破坏，故进行超静定结构耐火设计时必须考虑温度应力；无轴向位移约束的构件，温度升高，构件受热膨胀，变形随时间的延长逐渐减小，屈服后便进入快速压缩阶段。

工字钢短柱；轴向位移约束；温度应力；屈服破坏

0 引言

因为钢结构具有强度高、自重轻、抗震性好、施工周期短、经济效益高等优点，所以在建筑结构中得到了广泛应用[1]。但高温时，钢构件强度会大幅度降低，如600 ℃左右钢构件强度将减半；另外钢构件多为槽型、工字型等薄壁形状，其截面系数较大，从火场吸收热量多；加之钢材导热系数大，高温火灾更易损伤其内部材料，因此，裸露的钢结构耐火极限很低，火灾中更易发生倒塌破坏[2]。现阶段国内外火灾形势严峻，对钢结构耐火性能的研究是国际性的热点课题，在该方面的研究也取得了一定的成果，但目前有关钢构件的高温试验研究大多数集中于单独的构件上[3]。然而实际工程中，钢结构体系的每个构件都不是孤立存在的，各构件间相互连接，彼此形成相互约束，在高温下各构件的膨胀会受到相应限制，这样就必然会导致温度应力的产生，而温度应力又会引起构件的屈服、失稳等破坏。因此研究温度应力对钢结构的影响更具有现实意义，它也是钢结构耐火设计的重要课题。本文将对工字钢短柱在有、无轴向位移约束两种工况进行高温试验研究。

1 试验部分

1.1 试验设备

试验设备采用型号为WAW-1000微机控制电液伺服万能试验机。该试验机控力精度为1%，最大加载能力为1 000 kN。配有高温箱和筒式高温炉，高温箱用于压缩试验，筒式高温炉用于拉伸试验。高温箱试验空间的长、宽、高分别为340 mm、300 mm、540 mm，最高温度可达700 ℃，温度波动范围±5 ℃，本试验配备能自动记录数据的软硬件，包括自动记录试件的受力、变形、加温时间、试件温度等数据。高温试验设备如图1所示。

图1 高温试验设备

1.2 试验试件

试件选用的钢材来自某钢厂生产的I12-Q235工字钢，其化学成分含0.14%C、0.17%Si、0.38%Mn、0.025%P、0.027%S。该钢材的条件屈服强度为370 MPa，抗拉极限强度为475 MPa。本试验共制作8个试件，其中2个用于无轴向位移约束试验，6个用于有轴向位移约束试验，试件即工字钢短柱的高度为100 mm，面积为1 780 mm2，如图2所示。

图2 工字钢短柱

1.3 高温试验过程

有轴向位移约束的高温试验过程为：(1)给工字钢短柱加初始载荷，使其产生一定的弹性变形，利用设备锁定变形，这就相当于给短柱加了轴向位移约束；(2)以约0.3～0.1 ℃·s-1速率加热工字钢短柱至指定温度(试验温度设定为300 ℃、350 ℃、400 ℃、450 ℃、500 ℃、550 ℃6个水平)，各自恒温30 min；(3)记录短柱所受力、加温时间、短柱温度三者之间的变化关系。由于工字钢短柱在高温箱中，不便观察破坏过程，只有等试验结束后打开高温箱取出短柱，再观察其外观变化和破坏情况。

无轴向位移约束高温试验过程为：(1)给工字钢短柱加初始载荷F0，使其产生一定的弹性变形，利用设备锁定载荷；(2)以约0.3～0.1 ℃·s-1速率加热工字钢短柱至屈服破坏；(3)记录短柱的变形、加温时间、短柱温度三者之间的变化关系。本组试验为F0=0.50Fs与F0=0.60Fs两种情况，Fs是条件屈服强度对应的力。

2 试验结果与分析

有轴向位移约束高温试验中，工字钢短柱的受力与加温时间的关系如图3所示。6个水平温度所对应的受力与温度应力σT如表2所示。结果表明：随着加温时间的延长，即随着温度的升高，工字钢短柱在热膨胀产生的温度应力σT与初始应力σ0共同作用下，工字钢短柱内力迅速增加，温度T越高，增加的温度应力σT越大。由表2和图3可知：(1)当温度T≤350 ℃时，工字钢短柱内部产生的最大应力σmax小于材料的条件屈服强度σs，350 ℃时，温度应力σT=82.3 MPa，温度应力σT较小，故短柱受热时间可足够长，恒温30 min并未发生屈服破坏。(2)当T=400 ℃，σ0/σs=0.50，σmax/σs=0.80，短柱有屈服迹象，此时短柱内温度应力σT=111.2 MPa。随着温度的升高，虽然σ0/σs、σmax/σs逐渐减小，但短柱内部的温度应力σT却逐渐增大，工字钢短柱的破坏也越来越严重。(3)设定升温到500 ℃的工字钢短柱，开始屈服的温度约为480 ℃；设定升温到550 ℃的工字钢短柱，开始屈服的温度约为490 ℃。试验结果表明：温度应力σT达到一定数值时，足以造成工字钢短柱的破坏，也因此导致钢结构的破坏。

1.T=300 ℃；2.T=350 ℃；3.T=400 ℃；4.T=450 ℃；5.T=500 ℃；6.T=550 ℃

试验温度T/℃300350400450500550初应力σ0/MPa246.6212.1183.5152.8123.391.8最大应力σmax=σ0+σT/MPa316.9294.4294.7280.9252.5236.3初应力与条件屈服强度比σ0/σs0.670.570.500.410.330.25最大应力与条件屈服强度比σmax/σs0.870.800.800.760.680.64温度应力σT/MPa70.282.3111.2128.1129.2144.5屈服破坏温度T/℃未屈服未屈服400440480490

无轴向位移约束高温试验中，工字钢短柱加温后的变形与时间的关系如图4所示。两组试验的变形初始值不是绝对数值，而是相对数值。试验结果表明：(1)随着加温时间的延长，即随着温度的升高，工字钢短柱受热膨胀，表现为变形值逐渐减小。(2)曲线上的最低点即拐点，表明工字钢短柱在此开始屈服，此后就进入快速压缩阶段。(3)K=σ0/σs=0.50试验中，拐点温度为520 ℃，K=σ0/σs=0.60试验中，拐点温度为445 ℃。

图4 无轴向位移约束短柱升温变形与时间的曲线图

试验完毕取出工字钢短柱，发现其腹板和翼缘都已屈服、失稳破坏。破坏主要是由于腹板比较薄，内部温度比较高，在高温下产生的温度应力σT导致工字钢的腹板局部屈服、失稳，进而引发构件整体失稳。工字钢短柱试验前后外观对比如图5所示。

3 结论

通过对工字钢短柱有、无轴向位移约束两种工况下的高温强度试验研究可得出如下结论：(1)有轴向位移约束的构件，高温时会产生温度应力σT，温度T越高，温度应力σT越大。(2)温度应力σT可导致构件的屈服、失稳破坏，所以对超静定结构进行耐火设计时，温度应力σT是必须要考虑的因素。(3)无轴向位移约束的构件，随着试验温度的升高，构件受热膨胀，变形随时间的延长而逐渐减小，屈服后便进入快速压缩阶段。(4)常温下可保持局部稳定性的薄壁型钢，高温时可出现局部失稳，进而引发构件整体失稳。

图5 工字钢短柱外观图

[1] 徐文毅,李焕群,彭天国.耐火钢与普通结构钢高温强度的比较试验[J].建筑结构,2008,38(10):27-28.

[2] 屈立军,李焕群.Q420钢材高温强度试验研究[J].消防科学与技术,2004,23(3):223-225.

[3] Eurocode3:Design of steel structures,Part 1.2:General rules/structural fire design: ENV1993-1-2[S].

(责任编辑 马 龙)

An Experimental Study on the Strength of an I-profile Short Column about Axial Displacement Restraint at Elevated Temperature

XU Wenyi

(DepartmentofFireEngineering,TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

The experiment on the strength of an I-profile short column with or without axial displacement restraint at elevated temperature shows that the element with axial restraint produces a temperature stress at an elevated temperature, and the higher the temperature is, the stronger the temperature stress is, and a yield failure of the element is produced by temperature stress, so the temperature stress has to be considered in designing the fireproof in statically indeterminate structure. While the element without axial displacement restraint enlarges at an elevated temperature and the deformation degree will reduce, it turns into yielding and compressing stage after yielding failure.

I-profile short column; axial displacement restraint; temperature stress; yield failure

2016-05-26

徐文毅(1968— )，女，河北廊坊人，副教授。

TU391;D631.6

A

1008-2077(2016)12-0020-03