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波纹腹板预应力组合结构的受火性能
摘要：在本研究中，为了评估波纹腹板预应力（CWPS）复合梁的抗火性能，进行了全面的抗火试验，并对试样的抗火行为反应进行了非线性有限元分析。 实验关键变量是波纹腹板钢梁底部边缘直接暴露在火中的保护层材料厚度以及波纹腹板的形状。 所有暴露于标准火下具有防护材料的组合梁表现出良好的抗火能力，特别是火的评级超过3小时，特别是与非预应力薄壁管相比，具有相对薄的防火保护材料盖厚度的CWPS组合梁符合ISO 834标准和欧洲规范要求的抗火性能标准。 另外，试验结果表明，用于CWPS组合梁试件的波纹腹板的形状可能对其抗火性能有很大的影响。 本研究中进行的非线性有限元分析精确估计了试样的整体性能，特别是对波纹腹板形状对CWPS组合梁的温度分布和抵抗性能的适当评估。
关键词：火，预应力，波纹网，复合材料，防火
1.介绍
薄板（SF）系统是一种典型的钢 - 混凝土复合材料构件，其发展适合于减少层高。 然而，由于建筑施工行业对跨度长度超过10m的大跨度结构的需求不断增加，这种长跨度结构所需的控制深度的性能可能无法满足典型的SF系统。 为了克服现有SF系统的这种结构局限性，在作者以前的研究中开发了波纹网状预应力（CWPS）组合梁，并通过试验和分析验证了它们在环境温度下的结构性能。 如图1所示，所提出的CWPS组合梁系统已被应用于几个建筑结构。 在CWPS组合梁中，引入了预应力方法来主动控制垂直挠度，并且钢板被制成波纹形，以最大化可折叠影响从而提高预应力的传力效率。 在作者以前的研究中，证实了CWPS组合梁可以在室温下提供良好的结构性能。 由于这些原因，如图2所示，波纹腹板应用于其他类型的组合梁，而关键思想是相同的。 图2a显示了一个PC桥，其中有波纹腹板和预应力的底部边缘，如图2b所示，它是在日本的银山美雪建造的。 图2c显示了法国的滨海大桥，图2d是奥地利大跨度建筑结构的应用实例。 事实上，波纹板预应力复合材料构件的市场需求一直在增长，如文献报道。 据易卜拉欣和德立夫等人说，随着波纹状网状复合材料构件的发展仍在进行，它们未来的应用潜力是非常积极的。
如果可能的话，应用于底部边缘的防火材料的覆盖厚度可以最小化或者甚至不需要再保护，则复合构件的可施工性可以大大提高。 CWPS组合梁的钢腹板可以免受周围混凝土的损坏，但是如果作为主要抗弯曲的底部边缘直接暴露在火中，结构承载力将不可阻止的严重下降。 因此，这是一个有待仔细研究的有趣问题。
大多数对钢 - 混凝土组合构件进行的研究都集中在它们在室温下的结构性能上，现有文献对它们的抗火性能研究很少。 纽曼对SF复合梁进行了重新测试，并提出了一个用于评估其抗火性能的数学分析模型。 根据测试结果，观察到SF复合材料梁在没有保护的情况下具有约1小时的潜在抗火能力。 Ma和Mauml;kelauml;inen进行了非线性有限元分析以评估SF复合梁的抗火性能，他们将这种方法扩展到框架结构的分析。 因此，他们表明，与没有端部约束的简单支撑SF复合材料相比，SF复合材料梁的控制挠度能力在系统水平上可以大大提高。 Dwaikat和Kodur报道了类似的结果。马莱特也报道了SF复合材料梁在不进行耐火保护的情况下的耐火时间约为60 min。 最近，为了确保建筑结构的适当的耐火性能，欧洲规范4第1-2部分和IBC 2012中提出的具有合适厚度的耐火材料经常用于实际中钢 - 混凝土的复合构件。 然而，对这类材料的重新测试只有少数报道，特别是有关预应力复合材料的耐火能力的实验研究非常有限。 因此，在这项研究中，制造了两个钢梁底部边缘耐火保护的CWPS组合梁和另一个SF组合梁进行重新试验，并对其观察到的耐火性能进行了详细的评估。 此外，还进行了非线性有限元分析（NLFEA），并与重新测试结果进行比较。
2.实验计划
2.1. 样本
在这项研究中，测试了两个CWPS组合梁和一个SF组合梁。 样品S1和S2是CWPS样品，S3是SF样品。 如图3所示，由于使用了两块对称的波纹钢板来制造钢梁腹板，所以样品S1的截面形成了空洞。 对于试样S2，用了一个波纹钢板制造钢梁的腹板，并且该试样在该部分中没有空洞。介质中的传热将涉及机械传导，对流和辐射的机制以及没有空隙的样品S2的传热能力将主要由机械传导来控制。相反，对于具有空隙的样本S1，空隙中的空气引起的对流和辐射的附加机械传热将与传导一起涉及。 因此，在这项研究中考察了暴露于结构耐火的复合构件中传热机制中的影响。
9.0所有测试样品的尺寸性能如图4和图5所示。在与混凝土复合之前，所有试样都使用相同尺寸的钢梁（H-360times;236times;346times;14times;22），除了腹板的形状外，所有复合材料截面的尺寸也相同。 此外，为CWPS试样提供了4个抗拉强度（fPU）为1860 MPa，直径为12.7 mm的钢筋。 材料试验测得的钢筋平均抗拉强度为1930MPa，有效预应力值（fSE）为0.55 fPU。 试样中使用的耐火材料是珍珠岩湿浇铸材料。 韩国建筑技术研究院（KICT）证实了铸造材料的绝缘能力。 根据暴露温度的再保护材料的热导率（W / mK）曲线显示在图6中。它可以提供优异的耐热性能，是混凝土的导热能力的1/30，其导热率范围为1.3 W / mK至2.0 W / mK 。
图4d示出了施加到每个测试样本的耐火材料（tk）的厚度。 对于样品S1，在网中具有空隙的是19.0mm无空隙试样S2的是9.0mm，SF组合梁试样S3为29.0mm。 根据目标重新评级（Tk）确定耐火材料的所有覆盖厚度（tk），其对于S1，S2和S3样本分别是2小时，1小时和3小时。 将与耐火材料的覆盖厚度（tk）相对应的额定值（Tk）定义为从暴露于标准火曲线的耐火钢构件测量的温度达到平均温度538℃或最高649℃。 从重新测试结果获得的这些定量值基于ASTM标准的管道通常由制造商提供给设计工程师。
在施加耐火材料后，将试样充分干燥。 在干燥过程之后，随机选择10个点测量。 对实际厚度进行彻底检查并与目标耐火厚度进行比较。 钢梁由SS400级钢制成，其平均屈服强度（Fy）为278.0MPa。 试验在混凝土浇筑后50天进行。 如表1所示，试验时混凝土的抗压强度（fc）为26.0MPa，水灰比（W / C）为0.48。
2.2.测试设备和测量值
图7a显示了安装在韩国建筑技术研究院（KICT）[35]的大型耐火试验炉，该试验炉能够测试最大跨度长度为10.0米的试件。 如图7b所示，在这项研究中试样的总长度为8.2米。 进行了暴露在火中的长度为7.5米和支持点之间7.7米的距离的耐火测试。 另外，如图7b所示，为了施加与实际情况类似均匀分布的荷载，使用两个容量为1000kN的测试圆柱体和钢夹具对试样施加八点荷载。 表2给出了室温下试样的承载能力，表2是根据兼容性分析计算出来的。 根据马莱特提出的塑性力矩计算方法，计算等效混凝土应力块和钢筋的受弯贡献。另外，选择EC2中提出的模型作为预应力筋的方程组。 对于所有试件，在室温条件下，火中服务荷载被假设为其抗弯强度的40％，这意味着所有试件的荷载比率为0.4。
在表2中，总结了耐火测试之前测试样本的估计抗弯强度和施加载荷的计算出的强度。仍然选择EC2中提出的模型作为预应力筋的方程组。受火前，施加载荷达到目标载荷比后，载荷稳定阶段保持15分钟。 然后开始对炉内样品进行耐火性的试验。 在耐火测试期间，施加的负载被控制不变。 所有标本都暴露于标准的火曲线，耐火测试根据ISO 834第1部分进行。 如图8所示，将13个直径为1.0mm的K型热电偶安装在测试样品跨中部分，以测量钢梁，混凝土腹板，混凝土板和钢筋温度。 另外，在跨中部件的顶面垂直安装一个位移计以测量位移特性。 图9a显示了在施加垂直加载后，样品达到稳定阶段时的试验结果。 图9b显示了从加热后30分钟安装在炉子末端的窗口观察到的样品。
3.试验结果
3.1.热响应
考虑到实验室条件，进行了耐火测试，目标耐受等级为180分钟。 因此，首先测试的样品S1的测试在180分钟的加热时间后终止。 试样S2和S3的试验时间为210分钟，加热时间从试样S1的时间延长了30分钟。 这是通过检查样品S1上观察到的测试结果来充分保证测试设备的安全性。
图10显示了通过安装在钢梁上的四个热电偶（TC1-TC4）测得的温度特性。 由于样品中的耐火材料的厚度互不相同，因此在钢梁的底部中心和角落观察到不同的热响应。 相比之下，从网和顶部温度测量的温度性能在所有样本中显示出相似的趋势。 还观察到所有试样的腹板和顶部温度在100℃左右保持一段时间，这是由吸热反应引起的，这是由于水分蒸发的潜热周围混凝土导致的。
图11显示了使用安装在混凝土腹板和肋板上的七个热电偶（TC5-TC11）测量试样的温度特性。 正如所解释的那样，在大多数标本中也观察到温度在100℃左右保持恒定一段时间的区域。基于通过安装在混凝土板下的热电偶（TC10和TC11）的热响应来确定混凝土直接暴露于火中，看起来在这些位置潜热的影响不如其他地方的潜热的剧烈。 加热后约80分钟，具有最厚保护材料厚度的试样S3中中的温度迅速增加。 这可能是由于承受压应力的混凝土板发生剥落损坏所致。
图12显示了安装在试样S1和S2的钢筋上的两个热电偶（TC12和TC13）测得的温度特性。 尽管试样S1的保护层较厚，但试样S1中钢梁腹板附近的钢筋温度高于试样S2。 这可能是由样品S1的波纹腹板之间的空隙中的空气对流和辐射形成的附加机械传热引起的。
另外，由于试样S1中的内部空隙而导致的包裹混凝土的减少会降低特定混凝土内部潜热的效果，这将是样本S1中温度升高更快的另一个原因。 因此，可以推断，如果对两种试样施加相同的再保护材料覆盖厚度，则温度性能中的衰减可能更显着。 值得一提的是，没有显着的蠕变迹象，如图13所示。这是因为在耐火试验结束时，预应力筋的测量温度达到了略低于300℃的温度，并且当温度达到300°C时，钢筋中的蠕变效应更加显著。
3.2.结构响应
EC2 ，EC4和ISO 834规定了抗火荷载下结构构件的性能标准。标准是指完整性，绝缘性和承重能力。 本研究中测试的所有试件均符合完整性和绝缘标准，因此本文未提供有关此问题的进一步讨论，因为它不是本研究的主要重点。
对于ISO 834中提出的承重能力标准，暴露于火中水平构件的变形程度D和变形率定义如下：
其中L是试样支承点之间的距离，并且是构件高度。由于本研究中测试的所有试样具有相同的尺寸，因此由公式（1）计算的最大变形程度为328毫米，变形率标准计算为15毫米/分钟。在超出上述两项标准的情况下，定义试样的失效。值得注意的是，只有当变形程度超过（mm）时，方程式（2）所表示的变形率标准才会适用。
图13显示了暴露于标准火曲线的组合梁试件的垂直抗弯能力。 构件S1，S2和S3的最大深度分别呈现为80.9,87.4和73.2mm。 尽管保护材料的厚度比样品S1的厚度薄两倍，但测量到在加热后180分钟没有空隙的样品S2的垂直挠度比样品S1中具有空隙的样品小约8.0mm。 这意味着试样S2与试样S1相比具有更好的耐火性能，这也表明，考虑到传热速率是相反的，空隙空间的空气中产生的对流和辐射导致的热量传递不应忽略与耐火材料的厚度成正比。 试样S3表现出比预应力试样（即试样S1和S2）更少的垂直挠度。 这是因为具有29.0mm的耐火保护层厚度的样本S3具有比具有9mm的覆盖厚度的样本S2的传热率低大约三倍的传热率。
所有标本显示出优异的耐火性垂直挠度比挠度限值（328.0毫米）小22％至26％。 在这项研究中，由于KICT测试设备的局限性，所有测试样品均在简单支撑条件下加载。 然而，如图1所示的在实际情况中通常采用的具有连续支撑条件的预应力复合材料或梁与简单支撑的复合材料梁相比具有高冗余度，并且因此连续梁会具有更强的抗弯性能和承载能力。
图14显示了耐火试验之前和之后的样本。 在所有试样的压缩侧的混凝土板上观察到许多开裂受损区域。 众所周知，这些开裂是由于混凝土内脱水反应产生的游离水和湿气的迁移以及混凝土内部热应力的不断增加而引起的。另外，随着温度的升高，混凝土中的骨料不断膨胀，而水泥浆在最初的热膨胀后收缩，从而引起混凝土的微裂纹和剥落。Dwaikat和Kodur解释说，当压缩应力垂直于拉应力的拉伸应力超过具有相对较高的孔隙压力的混凝土的抗拉强度由于在压缩区域中引起的缩回力而增加。 与张力区相反，孔隙压力将由外部构件中的混凝土裂缝释放。 耐火试验后，由于试件混凝土中最初含有的开裂和湿气蒸发，试样重量减少。 对于在室温下的CWPS样品S1和S2，其重量约减少7.5％至7.8％，并且对于SF样品S3，在耐火试验之后，室温下的重量减少约9.5％。
4.考虑火灾损伤的非线性有限元分析
在这项研究中，有限元分析程序SAFIR被用于估计和参数研究的常见的扁梁和带波纹腹板的预应力钢 - 混凝土组合梁。 这是因为程序SAFIR中的有限元建模针对耐火性能评估进行了优化，与其他商业程序（如ABAQUS和ANSYS）以及用户材料选项在SAFIR计划中也很好地考虑了防火材料的热性能。lt;
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