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建筑钢结构研究杂志
部分约束部分复合楼板梁的结构抗火性能，Ⅰ：试验
Amy N. Kordosky a , Michael M. Drury b , Spencer E. Quiel b.
a.Degenkolb Engineers Inc., San Francisco, CA 94105, USA
b.Department of Civil and Environmental Engineering, Lehigh University, Bethlehem, PA 18015, USA
摘要
本篇论文是部分复合结构耐火性能两部分研究的第一部分，通过连接到支撑框架的剪切搭接提供部分平移和旋转端约束的单跨钢楼板梁。本研究的目的是提供实验数据和验证数值模型，以帮助实施北美建筑实践中典型的钢框架复合楼板系统的基于性能的结构耐火设计和评估方法。本文介绍了两个结构相同的组合楼板试件在大型模块炉中受火的试验情况。随后的配套论文(第2部分)介绍了数值研究。其中一个试件的设计符合UL设计编号2-h的防火等级,D902-另一个是测试时没有被动防火装置（即裸钢）。这两个试件在ASTM E119标准火灾下进行了弯曲加载和结构失效试验，并使用ASTME119热和结构失效准则对试验结果进行了评估。试验结果表明，两个试件的跨中挠度与梁温度的相关性相似。剪切片连接经历了永久变形，但保持了足够的结构完整性，以允许试件达到弯曲破坏。在试验后检查中，复合栓钉位置既没有明显的剪切滑移，也没有明显的局部开裂，这表明复合作用一直维持到弯曲破坏。
关键词：抗火，复合钢楼板梁，被动防火，基于性能设计
1.介绍
全球钢结构建筑内部部件清单中的很大一部分使用具有直线框架布局的组合楼板系统。这些系统通常由支撑钢筋混凝土楼板的宽翼缘钢梁(即次级框架)组成。螺栓剪切连接用于支撑梁与相邻大梁或柱(即主框架)的连接。梁和板之间的组合作用通常是使用在放置板之前焊接到梁的顶部翼缘的有头螺栓来实现的。目前这些楼板系统的耐火设计主要是在建筑规范中根据结构的大小、占用情况和功能来规定的[1]。如有需要，由围护或涂层材料组成的被动式防火装置可应用于楼板梁，以减轻其在火灾期间的温度升高。对于美国的大多数复合楼板系统，被动防火是由喷涂的耐火材料(SFRM)组成，这种耐火材料作为近似等高层现场应用于楼板梁。
根据入住率和尺寸，许多钢结构建筑被要求根据2018年国际建筑规范[1]规定的每小时额定值对其结构构件进行被动防火。这些耐火等级是根据被称为“标准”耐火试验的实验试验结果制定的，其中包括ASTM E119[2]、ANSI/UL 263[3]和ISO 834[4]。对于复合楼板组件的标准耐火试验，试件要经历“标准”火灾，即先进行相对快速的升温，然后进行长时间缓慢升高的高温，最高可达1260°C(即如果没有衰变阶段，试件最终将会失效)。在这些试验中，超出自重的荷载的应用是可选的，结构钢构件的每小时额定值可以根据钢梁达到规定的最高或平均温度极限的时间来确定。这些热标准通过限制钢梁的强度和刚度的损失来隐含地评定试样保持结构完整性的能力。在这些测试中，楼板组件还可以通过在加热时支撑不断施加的弯曲载荷来直接评估其保持结构完整性的能力。随着温度的升高，试件的挠度可以增加到规定的总挠度和挠度极限。所施加的载荷应为 “国家认可的结构设计标准所允许的最大荷载条件，除非指定了有限的设计标准并施加了相应的减少荷载“[2] 然而，在诸如UL产品规格目录[5]等资料中对耐火建筑组件的描述通常不会确定是使用基于热的标准还是基于挠度的标准来制定小时额定值(如果这两种标准都适用的话)。如果使用基于挠度的标准，没有明确说明用于测试组件的载荷。
组合钢梁楼板系统部件可以在其端部具有完全轴向约束和旋转约束(即“约束”)的情况下进行测试，也可以在没有轴向约束或旋转约束的情况下进行测试(即“无约束”)。在北美的建筑实践中，钢结构建筑楼板系统的防火要求相应地分为热膨胀限制和不限制.约束/非约束分类于1970年首次包含在ASTM E119标准中，以解决如何将测试样本的边界条件转换为建筑楼板和屋顶的实际设计的问题[6]。过去50年的实验研究(如Gewain和Troup[6]总结的)普遍支持这样的预期，即由于结构的冗余性和连续性，对火灾下的复合地板试样提供至少一些约束将比无约束的试样具有更大的耐火性。ASTM E119标准承认了这一预期，允许对受约束试件的性能限制比无限制试件稍微宽松[7]-因此，受约束组件通常比无限制组件需要更少的被动防火才能达到相同的小时额定值。在实际系统中，由于梁端连接和周围结构的有限刚度的影响，提供给大多数加热地板组件的旋转和轴向约束水平将不符合标准测试中使用的任何一种条件[7]，尽管许多钢结构建筑中的地板系统的性能将趋向于约束[6，8]。ASTM E119[2]和建筑规范[1]都规定，必须进行工程判断，以确定周围或支撑结构是否足以抑制热膨胀--目前还没有标准方法来确定实际结构中的足够约束水平，以便与标准耐火试验结果相关联。
由于大多数试验设施的尺寸限制，标准火灾试验通常在中等跨度长度、较小的梁截面和理想的端部条件下进行。由于现场的大多数复合楼板板组件与测试的不完全匹配，ASCE/SEI/SFPE 29-05[9]和AISC设计指南19[10]中提供了将测试样本(如UL目录[5]中记录的那些)的防火要求转换为实际结构的指南。达到特定梁截面的规定小时额定值所需的保护厚度是通过将其横截面面积与火灾暴露周长(W/D)的比率与测试截面的比率进行比较来计算的。虽然这种计算等效隔热层厚度的方法简单明了，但它是热聚焦的，不一定是结构性能的直接指标[6，8]，结构性能受施加荷载、跨度、钢材截面尺寸、板性能、复合作用程度和梁端条件的影响。如果配备了相关的输入和指导，结构工程师可以利用基于性能的方法来更多地参与火灾荷载下的复合楼板系统设计。基于性能的方法通过热-机械计算提供了结构构件对火灾暴露的反应的定量评估。钢结构耐火性能化设计规定作为欧洲规范[11，12]的一部分已有十多年的历史，现在还包括在AISC 360-16[13]的附录4、ASCE 7-16[14]的附录E和ASCE新发布的结构防火工程实施手册138中[15]。这些资源在实践中的实施取决于经过验证的结构火灾计算方法的发展。由美国国家标准与技术研究所(NIST)于2012年组建的一个专家小组确定，对火灾下的复合地板系统进行大规模结构测试作为解决当前耐火设计方法中结构不明确问题的主要研究需要[16]。如果广泛使用，来自复合地板组件的标准火灾试验的热和结构数据可以作为建模方法的验证基准，这些方法适当地考虑了热膨胀的实际约束，量化了热机械响应和安全系数，并评估了对包括烧毁衰减阶段在内的实际火灾的弹性[17]。
本项目通过两组大型试验和相关的数值模拟，建立了基于性能的组合钢楼板梁的抗火设计框架。本文(第1部分)记录了该项目的实验阶段，而配套论文(第2部分[18])介绍了数值验证和建模工作。这两个测试使用了北美典型的组合楼板结构相同的试件，用宽翼梁在有凹槽的轻钢桥面上支撑轻质混凝土板。根据AISC规范，试件设计为单向跨部分组合梁[13]。组合界面由焊接到梁顶部并浇注到板中的头部剪力钉组成。梁的两端使用螺栓剪切接头连接到支撑架。支撑框架通过这些连接提供对地板梁热膨胀的部分约束。支撑框架通过这些连接提供对地板梁热膨胀的部分约束。液压缸施加代表现场重力载荷的恒定弯曲载荷。一个试件在其钢梁上涂有一层SFRM(对应于2小时的规定额定值)，而另一个试件是无保护的。使用ASTM E119标准火灾曲线进行的这些试验结果，加深了对考虑热膨胀的部分约束和梁中明显不同的温升率的复合地板组件对火灾的热机械反应的理解。这些试验的结果将证明使用基于性能的计算将耐火等级转换为结构响应的现实预测的价值。
2.背景
表1. 单向跨组合楼板梁火灾试验总结
|
来源 |
跨度 |
试件描述 |
结束条件 |
保护 |
火暴露 |
Ohio.St. 5.1m 梁: 12WF27 轴承无约束(1次试验)， 梁上22 mm MK型SFRM， ASTM
Univ.USA 板:102 mm平板 双角连接约束(1次试验) 甲板底面13 mm(1.5- E119通
[8] 栓钉:长:19 mm 2.5小时额定值) 过炉子
间隔:305 mm
CTICM, 4.9m 梁:IPE300 简支梁无约束板(4次实验) ISO 834
FRANCE 板:120 mm平板 未受保护的(1次试验 通过
[19] 栓钉:长:19 mm 25mm厚矿棉在梁上 炉子
间隔: 153 mm(4次试验),
305 mm（1次试验）
Tongji 5.26m 梁:焊接H 320mmtimes;140mm 简支梁无约束板 ISO834通过
Univ. times;8mmtimes;10mm板:100mm平板 11mmSFRM在梁上 炉子
China[20] 栓钉:长:19mm间隔: 188 mm
(1次试验),376mm（1次试验）
Purde 3.67m 梁:W10times;22(3次试验), 使用双角连接(2次试验)或 底部翼緣和腹板以
Univ， W10times;17 (1次试验) 剪切片连接(2次试验)进行 不加保护的慢 7°C/分钟450-700°C
[21] 板:88.9 mm 平板 约束 速平板加热模拟 的速度加热通过一系列
栓钉:长:12.7mm(3次试验), 受保护的梁(2个试验) 加热板进行不
15.9 mm(1次试验) 无保护的较快的平板 同的冷却程序
加热模拟无保护的梁
(2个试验)
NIST 12.8m 梁：W10*22（3次试验） 带约束(1个试 验) SFRM2小时额定在梁， 通过带燃烧器的自定义
USA 板:83 mm在77 mm前板上 或无约束(1个试验) 3小时额定在连接 外壳，实现550 MJ/m2
[24] 栓钉:19mm 305mm 的板的约束双角连接 至1100 MJ/m2之间的舱
室燃料负荷的参数火灾
表1总结了几个先前的实验研究[8，19-24]，这些实验研究考察了单向跨度复合楼板梁在重力荷载和火灾作用下的热机械反应。大多数试验都是在ASTM E119或ISO 834标准耐火试验的一般情况下进行的，尽管通常会对支撑条件或火灾暴露进行一些修改。这里讨论的所有试验都使用了头螺栓，以实现传统的宽翼钢梁和混凝土楼板之间的组合作用。使用其他钢构件的组合楼板系统的火灾试验结果，如蜂窝地板梁[25，26]和桁架托梁[27，28]，也可在现有文献中获得，但被认为不在本研究的范围内。如表1所示，除NIST[22-24]的研究外，所有这些研究都是在实验室规模的样品(跨度小于6m)上进行的，并使用了各种平板建造方法。NIST试验是在更真实的长度12.8m处进行的，在凹槽金属甲板上使用异形板，这在目前的北美实践中是典型的。米孜和尤伊[29]的单独研究表明，实心平板结构的组合梁在立柱连接件中经历了更大的剪切需求和变形，而在凹槽甲板上有异形板的组合梁能够更好地发挥混凝土的全部抗压能力，并表现出更大的结构抗火能力。本文所描述的试验旨在生成更多关于带槽板的组合地板梁的耐火数据，这种组合楼板梁是当前北美建筑的典型结构。总体而言，表1中总结的试验测试了以下参数对这些试样耐火性的影响：梁和板之间的组合作用程度、末端连接处的轴向和旋转约束程度、最初施加的重力荷载水平，以及在达到暴露峰值后火灾衰减时冷却阶段的影响。对至少具有适度轴向和旋转约束的受保护试件的试验表明，当承受相同的荷载和火灾暴露时，复合作用的程度对极限抗火性能几乎没有影响[8，20]。这些试件在剪力钉中显示出轻微的滑移，因为约束的末端防止了梁和板之间的过度差异剪切位移或热膨胀(由于导热系数的显着差异，梁和板在相同的加热下经历了不同的温升率)。相反，不受热膨胀约束的试件，无论有无被动防火保护，由于对梁和板之间的不同位移缺乏约束，在栓钉处经历了更多的剪切变形[19]。但是，部分复合作用和完全复合作用的保护试件的抗火性能和位移时程基本相同。
NIST试验
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