高温后中空夹层钢管混凝土柱轴压性能研究*

刘晓，麻路，王兵

(1.沈阳大学 建筑工程学院，辽宁 沈阳110044;2.清华大学 土木工程系，北京100084)

中空夹层钢管混凝土是指在2个同心放置的钢管间填充混凝土而形成的复合构件，是在钢管混凝土基础之上发展起来的新型组合结构，继承了钢管混凝土的优点，承载力高、塑性韧性好、施工方便、抗震性能好［1－3］，还具有减轻结构自重、截面开展、稳定性高、抗弯和耐火性能好等优势［4－7］，适于用在偏心率较大或抗弯刚度高的结构当中，如高架桥的桥墩或高层、超高层建筑。目前，对中空夹层钢管混凝土的研究主要集中在常温下力学性能的理论分析和试验研究［8］，而对该组合柱在高温后力学性能方面的研究还未见报道。我国是建筑火灾频发的国家，据统计，全国每年会发生超过10万起火灾，建筑火灾约占70%，给人民的生命和财产造成了巨大的损失。如何提高建筑结构的耐火性能，延缓逃生和救援时间，以及火灾后建筑结构的安全度，能否在灾后继续使用等问题，必须引起从事建筑结构研究人员的高度重视。CFDST是新型的结构形式，关于火灾后力学性能的研究对其在建筑结构中的推广和应用具有现实意义，因此，本文对CFDST构件在恒高温作用后的力学性能进行研究。

1 有限元模型

利用有限元软件ABAQUS，对圆套圆CFDST轴压短柱在恒高温后的力学性能进行数值模拟，构件参数见表1。

表1 试件参数一览表Table 1 Test specimens of speciments

1.1 材料本构模型

1.1.1 钢材

高温后的钢材应力－应变关系采用双折线［9］，即弹性段和强化段，形式如下所示:

1.1.2 混凝土

高温作用后核心混凝土应力－应变关系仍按常温下的形式选取，只是考虑了温度作用影响，其本构方程为:

式中，

其中:σ0(T)和ε0(T)分别是考虑高温作用影响时受压构件截面形心处的应力和应变;ξ［10］(ξ=αfyo/fck)表示钢管对混凝土的约束效应系数;α(α=Aso/Ace)表示CFDST构件截面名义含钢率;fc表示混凝土圆柱体的抗压强度;fck表示混凝土轴心抗压强度标准值。

1.2 单元类型的选取、网格化分、边界条件、加载方式

内、外钢管均采用四节点减缩积分格式(S4R)来进行模拟，为满足网格精度要求，在壳单元厚度方向采用9个积分点的Simpson积分;核心混凝土采用八节点减缩积分格式的三维实体单元(C3D8R)。采用结构化网格划分，对各个部件进行单元划分，如图1所示。

图1 边界条件及网格划分示意图Fig.1 Schematic diagram of boundary conditions and meshing

将盖板设为刚体，盖板与混凝土采用“硬”接触来传递荷载，内、外钢管与混凝土的界面接触分为沿法线方向的“硬”接触和沿切线方向的“罚”接触，摩擦系数为 0.25［11］;盖板与内、外钢管之间采用“Shell to Solid”的约束方式连接。加载方式如图1(a)所示，在盖板1处施加刚性约束，令其既不产生位移也不产生转角，在盖板2处限制其在x和y方向的位移以及沿x，y和z方向的转角，仅在z方向上施加轴向位移荷载。

1.3 模型验证

为验证本文所建模型的准确性，将模拟结果与试验结果［8］进行对比。图2为有限元结果与试验结果的荷载—应变关系曲线对比示意图，本文计算结果与试验结果吻合较好。

图2 荷载—应变关系曲线对比Fig.2 Comparison of load － strain relations

图3中(a1)和(b1)是文献［9］中试件cc－4a常温下的典型破坏形态，从图中可以看出，本文20℃所模拟的内外钢管破坏形态与试验破坏形态吻合较好。此外，随构件经受温度的升高，端部混凝土压碎程度加剧，外钢管对混凝土的约束作用降低，混凝土对内钢管挤压作用增强，内钢管凹曲部位逐渐延伸至端部。

2 参数分析

通过常温下CFDST轴压力学性能的研究可知，混凝土的强度和钢管对混凝土的约束效应对构件的承载能力有影响，因此，本文对影响高温后CFDST构件力学性能的因素除考虑温度T(20，300，500，700和 900 ℃)外，引入了空心率 χ(0，0.28，0.51 和0.80)、名义含钢率 α (0.05，0.10 和0.15)、外钢管屈服强度fyo(235，345和500)、内钢管屈服强度fyi(235，345和500)、混凝土立方体抗压强度fcu(30，60和90)作为变化参数，分析其对荷载—位移关系曲线的影响。

图3 试验破坏形态与有限元破坏形态对比图Fig.3 Comparison chart of test failure modes and finite element failure modes

2.1 温度 T

图4为圆中空夹层钢管混凝土构件在空心率相同，不同恒高温作用后的荷载－变形关系曲线。从图中可以看出，随着温度的升高，弹性阶段逐渐缩短，轴压短柱的极限承载力逐渐降低，但极限应变变化不大。根据有限元模拟结果的数据统计，与常温状态相比，构件在300℃时的极限承载力下降幅度很小，最多下降7.74%;温度为500℃时，最多下降17.83%;700℃时，最多下降32.99%;900℃时，构件极限承载力最多下降52.09%。由此得出:当曾经历温度低于500℃时，极限承载力下降幅度很小，而高于500℃时，极限承载力降速略有增加。主要因为:外钢管在高温作用后力学性能有较大程度的恢复，与常温相比，其屈服强度和弹性模量相同或降低很少;而混凝土在经受温度较低时，抗压强度变化不大，在内外钢管的约束下，承载力下降缓慢;随着温度的升高，混凝土发生不可逆的化学变化，其弹性模量和抗压强度下降幅度增大，在温度降低后，力学性能基本没有得到恢复［12－13］。

由图中曲线的下降段可见，随着构件曾经受温度的升高，CFDST构件表现出与钢管混凝土相似的力学性能，温度越高，下降段越平缓，因为混凝土属于热惰性材料，对内外钢管起到升温滞后的作用，尤其是内钢管，在高温作用后，材性损失很小，在混凝土达到抗压强度而退出工作后，内钢管相当于钢骨混凝土中的钢骨，起到支撑的作用，再加上外钢管对混凝土的约束作用，使构件的极限承载力降低缓慢，具有很好地延性［14］。

图4 各空心率在不同温度作用下的荷载—变形关系曲线Fig.4 Load － deformation curves under the different temperatures

2.2 空心率χ

图5为不同空心率的构件在经受高温作用后极限承载力柱形图。由图可见，随着构件经受温度的升高，各空心率构件的极限承载力呈下降趋势。还可以看出，当温度低于500℃时，除空心率为0.8的构件极限承载力较低外，其余构件极限承载力相近;当温度高于500℃时，空心率对各构件的极限承载力影响很小。总体来说，随着温度的升高，空心率对高温后CFDST构件的极限承载力影响逐渐降低。

图5 不同空心率下的极限承载力柱形图Fig.5 Column chart of ultimate bearing capacity under different hollow rate

2.3 名义含钢率α

图6是不同名义含钢率下的极限承载力－温度关系曲线。从图中看出，构件的极限承载力随名义含钢率的升高而增大，这是因为名义含钢率越高，钢管对核心混凝土的约束作用越强，对提高构件极限承载力贡献越大。

图6 不同名义含钢率α下的N－T关系Fig.6 N － T relationship under different nominal steel ratio

2.4 钢管屈服强度

图7为内、外钢管屈服强度不同时，CFDST的极限承载力—温度关系曲线。可见，外钢管的屈服强度对极限承载力影响较内钢管的大，因为外钢管对混凝土的约束作用越强，构件的极限承载力提高越明显;而内钢管的屈服强度的增大对提高经受不同高温作用后构件的承载力贡献不大。

2.5 混凝土强度fcu

图8为构件在不同混凝土抗压强度下的极限承载力－温度关系曲线。可见，在常温阶段，极限承力随混凝土强度的提高而增长，但是，随着构件经受温度的升高，混凝土强度对极限承载力的影响逐渐降低，这是由于混凝土强度随经受温度的升高逐渐降低，当温度超过500℃时，混凝土强度基本丧失［15］。

图7 不同钢材屈服强度下的N－T关系Fig.7 N － T relationship under different steel yield strength

图8 不同混凝土强度下的N－T关系Fig.8 N － T relationship under the different concrete strength

3 结论

(1)确定了合理的中空夹层钢管混凝土本构关系和有限元模型，所得全过程曲线和破坏形态与试验结果吻合较好。

(2)随着CFDST温度的升高，其高温后构件的极限承载力呈下降趋势，在温度低于500℃时，极限承载力下降幅度很小，表明温度对构件极限承载力影响不大;当温度高于500℃时，极限承载力下降幅度加快，此时温度对其极限承载力的影响较大。

(3)外钢管屈服强度对提高CFDST构件的极限承载力有显著影响，混凝土抗压强度对提高常温阶段构件的极限承载力影响较大，但随温度的升高，影响逐渐降低，而空心率、内钢管的屈服强度对高温后CFDST构件极限承载力影响相对较小。

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