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建筑钢研究杂志

部分钢管混凝土梁和扁梁楼盖组合梁的防火性能和耐火性能

Jae-Kwon Ahn, Cheol-Ho Lee ⁎

建筑与建筑工程系，首尔国立大学，首尔08826，大韩民国

文章资讯

文章史：

2016年7月6日收到

2016年11月15日收到经修订的表格

2016年11月16日接受

2016年11月25日可在线观看

摘要

本研究在标准火条件下，对无保护H截面、部分包覆（ PE）和薄地板（ S F）复合梁的失火情况和耐火性进行了实验和数值研究。本研究的实验结果表明，未加固或增强的PE梁和增强的SF梁可以达到2小时或更长时间的标准耐火性能，达到约0.30负载率。在SF复合梁中使用耐火增强材料对于增加耐火时间是非常有效的。 再次证实，最高和平均温度标准可以显著低估或高估PE和SF复合梁的耐火性能。试验验证的耦合热应力分析表明，对于本研究的复合梁类型，单凭弯矩容量准则预测的耐火性能可能是不保守的。强调PE和SF复合梁的合理耐火等级应考虑挠度相关准则。

关键词:

耐火性

部分钢管混凝土梁

扁梁楼盖梁

耦合热应力分析

1. 导言

通常情况下，复合梁是由H型钢梁通过剪切螺柱连接到混凝土楼板上的，如图所示。1（ a）。复合楼板的存在增加了H型梁的局部和横向稳定性，以及在下垂（或正）力矩下的抗弯能力。 然而，由于H型复合梁通常具有较大的截面因子（ Hp/A，火灾暴露周长与钢的横截面积之比），在标准火灾条件下，昂贵的防火保护往往是强制性的，以保持其30分钟或更长的抗弯能力。作为替代方案，建议使用部分包裹（ PE）或薄地板（ S F） 梁，这不仅导致降低层高，而且降低了火灾中的截面系数，[1-6]。如图所示。1（ B）和（ C），这些梁的混凝土填充起到防火的作用，并能大大增加火灾中的抗弯能力。

在过去的二十年里，一些研究人员研究了包括PE或SF截面在内的复合梁的火灾情况。Kodaira等人通过对8个不同截面和荷载比的PE梁试件的火灾试验，研究了加固的效果。（众所周知，“负载比”是一个部位在火灾极限状态下抵抗负载的无量纲度量。 负载率通常被定义为在环境温度下在火灾极限状态下的负载或力矩与构件阻力的比值。研究基于挠度准则或挠度速率的PE梁的耐火性能时间的关键因素包括截面尺寸、与钢筋混凝土楼板的连接以及施加的荷载比。Piloto等人实验研究了PE梁在火灾环境温度下的弯曲极限状态。他们研究了荷载水平对耐火性能的影响，并比较了不同箍筋附着在腹板（焊接和非焊接箍筋）上的PE梁的表现。 纽曼[3]用预制混凝土地板对无保护的SF梁进行了失火试验。不同截面几何形状的试件承受的载荷比为0.17~0.55。 所有试件在没有任何防火保护的情况下，耐火时间超过60min。

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另一方面，数值研究也有助于理解复合梁的火灾情况。在Bailey[4]的数值研究中，不对称（关于垂直轴的对称，如图所示。 1（ c））复合梁表示为具有7个自由度的一维二节点有限单元。 结果表明，用于分析标准火灾情况下简支非对称SF梁的数值模型是非常准确的。Ma和Makelainen [5]利用商业有限元分析代码ABAQUS对SF梁进行了数值分析。 采用壳（混凝土板）和梁（不对称钢梁）单元相结合的方法对SF梁进行了建模。 在他们的模型中，混凝土被假定为弹塑性材料后，达到抗压和抗拉强度。Ellobody [6]通过建立非线性三维有限元模型，研究了无保护SF梁的火灾情况。在对混凝土和钢部件的机械和热材料非线性特性进行验证后，根据现有的火灾试验，以荷载比、截面几何形状、梁长和火灾场景为关键变量，研究了无保护SF梁的火灾情况和耐火性能。

⁎ 相应的作者。

电子邮件地址： cehole@snu.ac.kr（ C.-H.Lee）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.jcsr.2016.11.018

0143-974X/copy; 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

J.-K.Ahn， C.-H.Lee/建筑钢研究杂志129（ 2017） 276-285 277

（ a） H截面 （ b）部分钢管混凝土梁 （ c）扁梁楼盖梁

图 1. 典型的H型截面细节，部分钢管混凝土梁，扁梁楼盖梁。

表1

注：以下缩写用于样本名称。

HSB=H-截面复合梁；PEB=部分钢管混凝土梁；FEB=全钢管混凝土梁；SFB=扁梁楼盖梁；AH=非对称H-截面；R=配筋；LXX=荷载比XX（%）。

上述所有现有的实验和数值研究都表明， PE或SF复合梁可以作为H型复合梁的一种很有前途的替代方案。然而，尽管前人努力研究，对火灾加固和荷载比对PE和SF复合梁火灾行为的影响的理解仍然不足。虽然在EN199 4-1-2[7]中根据临界温度和弯矩容量的概念给出了复合梁耐火的设计建议， 但如本文所示，根据这些建议进行的行为预测往往是不准确和不一致的。需要进一步的实验和数值研究，以为PE和SF复合梁的火灾情况建立一个可靠和简单的实验模型。

本文通过标准耐火试验，对H型、PE型和SF型各种复合梁的耐火性能和防火性能进行了实验研究。选择截面形状、包裹表面数、防火钢筋的存在和复合梁的荷载比作为关键试验参数。 为了补充试验结果，还进行了试验验证的耦合热应力分析。

1. 标准火环境下的实验研究
   1. 测试样本的设计

值得注意的是，在HSB试样中，钢截面的三面暴露在火灾中，而FEB试样没有火灾暴露。所有剩余的标本只有单面火暴露，或者底部边缘是唯一暴露在火中的一侧。 三个PEB试件名义上是相同的，除了负荷比和是否有消防加固，三个SFB标本也是如此。四个D-25消防加固分别为PEB和SFB试件提供了50毫米和90毫米的混凝土保护层厚度。 图3还显示了热电偶在每个试样中的位置。

（ a） HSB和PEB

在本研究中，共制备了8个复合梁试件，以供实验研究，如表1所示。 样本细节见图2和3。所有H型梁和PE梁均采用H-294times; 200times; 8times; 1 2（高度times;宽度times;腹板厚度times;边缘厚度为mm）钢截面，SF梁采用不对称钢截面（ AH-350times; 230times; 350times; 12times; 19，高度times;底边缘宽度times;腹板厚度times;边缘厚度mm）。请参阅表1底部的注释

（b）具有深肋压型钢板的SFB

图 2. 纵向截面细节HSB， PEB和SFB试件。

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1. HSB-L25 (b) PEB-L25

（ c） PEB-R-L33和PEB-R-L49 (d) FEB-L50

(e) SFB-L34 （ f） SFB-R-L34和SFB-R-L51

图 3. 热电偶的截面细节和位置。

试样中使用的钢、钢筋和混凝土的测量力学性能报告于表2。为了确定材料的平均抗拉或抗压强度，使用了三个钢券（腹板、法兰和钢筋）和三个混凝土钢瓶。

根据EN1994-1-2[7]， PE复合梁中边缘之间的混凝土围护应通过箍筋或螺柱机械连接到梁的腹板上。在本研究中，一对phi; 16螺柱在距中心300毫米处焊接在腹板的两侧，如图 3（ b）-3（ d）所示。如图3所示，在钢梁（ TS-1-3）

和上下加筋（TR-1-4）的腹板和边缘处测量了钢的温度。此外，还在每个试件中安装了6个热电偶（ T C-1-3）和平板（ T F-1-3）。还测量了嵌入剪切螺柱头部的温度（ T S-4）..

如图3和4所示。