偏心率对钢管混凝土芯柱的耐火极限影响分析

2014-11-26张望刘婺

山西建筑 2014年29期

张望刘婺

(1.辽宁彰武县工程质量监督站，辽宁阜新 123000; 2.辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新 123000)

异形钢管混凝土芯柱的截面形式主要可以分为:1)T形;2)十字形;3)L形。而本文所研究的T形钢管混凝土芯柱结构则是采用了钢管混凝土组合柱以及钢筋混凝土异形柱两种组合结构的优点而发展起来的新型组合结构，这种组合结构形式的钢管混凝土芯柱具有良好的截面形式和足够的截面面积来保证该组合结构优良的承载能力，又可以有效保证该组合结构良好的延性能力以及抗火耐火特性，同时由于其施工工艺方便以及其优美的外观，所以该组合结构形式具有良好的研究应用前景。

由于T形钢管混凝土芯柱组合结构在高温环境下的受压力学性能以及偏心受压力学性能相关的研究较少，而且其理论分析计算研究尚未成型，没有可以参考和借鉴理论计算公式。因此本文在前人的研究基础上，主要研究了T形钢管混凝土芯柱组合结构在小偏心荷载的压力作用下的耐火极限和抗火性能。

1 T形钢管混凝土芯柱组合结构有限元分析模型的建立

在有限元分析模型中，该T形钢管混凝土芯柱组合结构的肢宽为150 mm，高度为900 mm，其薄壁厚设置为4 mm，所选取的钢材型号为Q235。为了保证结构的稳定性，需要设置纵向钢筋以及水平箍筋，纵向钢筋和水平箍筋的型号均选为HPB235。纵筋一共需要用10根的φ10，设置钢筋箍筋的间距为100 mm，为了保证模型的准确性，设置其混凝土外保护层厚度为15 mm，所建立的组合结构有限元分析模型如图1所示。

为了保证有限元数值分析结果的可信度以及保证异形钢管混凝土芯柱偏心距对其力学性能的影响，文章分别研究了偏心距为10 mm，20 mm，30 mm和40 mm的小偏心受压情况的火灾环境下的力学性能。

2 火灾环境下的温度场

2.1 混凝土的升温曲线

在火灾环境下，混凝土结构的力学性能在高温应力的作用下会形成升温—时间曲线，根据这条曲线就可以确定火灾环境温度场对其升温曲线的影响，同时根据该曲线来分析T形钢管混凝土芯柱组合结构在小偏心荷载的压力作用下的耐火极限和抗火性能。

根据文献［1］1990年国际标准化组织(ISO)给出的标准温度—时间公式如下:

其中，T为火灾环境下温度;t为火灾的持续时间。

2.2 高温下T形钢管混凝土芯柱组合结构的理论分析

基于物理学中的热力学第一定律ΔE=Q+W(其中，ΔE为整个体系系统内能的变化量;Q为系统中热量的变化值;W为外界系统对整体系统的做功)可以知道:在四面受火的条件下，T形钢管混凝土芯柱组合结构的温度保持恒定不变，此时假设为沿着T形钢管混凝土芯柱组合结构的截面方向的二维温度场的力学问题。

由混凝土结构的基本理论可知:对于组合构件而言，当其截面形式为矩形，外界温度场为均匀场的时候，此时可以假设为平面问题。此时所建立的T形钢管混凝土芯柱组合结构的热传导方程为:

其中，c为T形钢管混凝土芯柱组合结构的材料比热，kJ/(kg·℃);ρ为T形钢管混凝土芯柱组合结构的材料密度，kg/m3;k为T形钢管混凝土芯柱组合结构的材料的导热系数，W/(m·℃);t为火灾燃烧的持续时间［2］。

2.3 T形钢管混凝土芯柱组合结构的温度场分析

基于有限元数值分析非线性软件ABAQUS对构件进行建模可知:在模拟T形钢管混凝土芯柱组合结构的钢筋以及混凝土的热工性能的时候，需要首先确定其热工性能(导热系数)，而确定的时候可以参考现有的研究成果，根据已有的文献确定其数学计算公式。

由于混凝土的比热和密度受水蒸气的影响较大，因此需要对混凝土中的水蒸气进行确定，并对其热工性能进行一定程度的修正，此时假设混凝土中所含水分的质量百分数为5%，初始边界温度条件设置为常温条件下25℃。对于型钢混凝土结构构件而言，由于其截面钢筋的体积含量相对较小，在进行分析计算的时候可以忽略钢筋的存在对整体结构截面温度场的影响，同时对于钢筋而言，其形心处的温度值可以通过插值法来进行求解［2］。

在物理学中热量的传导方式主要有三种:1)热传导;2)热对流;3)热辐射。在进行热力学温度场分析的时候，则需要考虑两种分析方式:a.稳态传热:不随时间变化的温度场;b.瞬态传热:随时间明显变化的温度场［3］。

有限元数值分析非线性软件ABAQUS具有良好的热力学分析功能，因此主要利用该软件的热力学功能对其进行瞬态热分析。其分析的力学原理主要是基于能量守恒来建立其热平衡方程，同时利用离散法来分析整个结构体系各个节点的温度，并对其热物理参数进行分析确定，通过有限元软件对各个观测点的温度场分析如图2，图3所示。

图1 T形钢管混凝土组合芯柱的截面图

图2 T形钢管混凝土芯柱观测点的温度—时间关系曲线

图3 各个时间段温度场分布云图

3 高温环境下混凝土与钢材的物理力学性能分析

基于文献［1］可以知道:在高温环境下混凝土结构的力学性能主要包含以下几个物理参数:1)抗压强度;2)抗拉强度;3)弹性模量;4)应力—应变关系。

1)高温环境下普通混凝土结构的棱柱体抗压强度公式和抗拉强度公式［4］。

2)高温环境下混凝土结构的弹性模量。

3)高温环境下混凝土的应力—应变本构关系见图4，图5。

图4 混凝土应力—应变曲线

图5 钢管外混凝土的应力—应变曲线

4)高温下普通钢材的强度。

5)高温下普通钢材的弹性模量。

6)泊松比。

高温下普通钢材的泊松比受温度影响较小，取Vs=0.3。

4 火灾环境T形钢管混凝土芯柱组合结构偏压作用下的耐火极限分析

为了深入探讨T形钢管混凝土芯柱组合结构的耐火极限，在有限元数值分析中对柱子施加偏心荷载700 kN，并保持不变一直到数值计算结束。基于国际ISO-834标准升温曲线对T形钢管混凝土芯柱组合结构进行升温，并探讨升温过程中组合结构的温度场的力学影响，如图6，图7所示。

图6 T形钢管混凝土芯柱受火时间—位移曲线

图7 T形钢管混凝土芯柱受火时间—挠度曲线

在T形钢管混凝土芯柱的耐火试验过程中，对其进行判断的标准是依据其轴向压缩变形速度(或者是分析其压缩量)是否超过范围。

其中，Δ0为T形钢管混凝土芯柱的轴向位移总量，mm;v为T形钢管混凝土芯柱轴位移的变形速度，mm/min;H为T形钢管混凝土芯柱的受火高度［5］。

通过分析可知:随着荷载偏心率的增加，T形钢管混凝土芯柱组合结构受压一侧变形增大，严重降低了其耐火能力，即随着偏心率增大，T形钢管混凝土芯柱组合结构的耐火极限降低，尤其在轴压比较小时这种现象特别明显，这主要是由于随着周围温度的升高，荷载偏心率的增大，T形钢管混凝土芯柱组合结构的抗弯承载力迅速降低，从而降低了其耐火极限。