L形钢管混凝土芯柱耐火极限研究

吕学涛，任卿举，张玉琢

（辽宁工程技术大学建筑工程学院，阜新，123000）

0 引言

在不同类型的火灾中，建筑火灾的发生最频繁，造成的损失也最大，给人民生命财产造成巨大威胁，因此建筑火灾已成为严重威胁社会安全的问题之一［1］。异形钢管混凝土芯柱是一种新型的构件形式［2］，因其兼具承载力高、延性大和建筑功能灵活、房间使用质量高双重优点，在高层以及超高层建筑中具有广阔的应用前景。但较常规矩形柱而言，由于受火表面积大，柱子角部耐火性能差等原因，火灾高温发生时，更易造成结构损伤、破坏甚至倒塌。

近年来，国内研究人员对异形柱抗火性能进行了相关的试验研究和数值分析。试验研究方面，例如：吴、徐［3］开展了11根钢筋混凝土异形柱的火灾试验研究；陈［4］开展了8根约束钢筋混凝土异形柱火灾试验研究；荆［5］开展了3榀足尺钢筋混凝土异形柱空间框架的火灾试验研究；单［6］开展了4根足尺L形型钢混凝土异形柱抗火试验研究。数值分析方面，例如：周［7］对T形截面型钢混凝土异形柱耐火性能进行非线性分析；张［8］对L形钢管混凝土芯柱在不同轴压比和偏心率条件下的耐火性能进行了非线性分析。目前对异形钢管混凝土芯柱高温耐火性能研究还未见。本文采用ABAQUS有限元分析软件建立模型，在验证模型有效性的基础上，分析了相关参数在ISO834标准火灾作用下四周受火时L形截面钢管混凝土芯柱耐火极限的影响规律。

1 计算原理及过程

1.1 导热微分方程的确定

鉴于构件沿其长度方向截面形式不变，故可将三维温度场分析问题简化成二维瞬态分布，其导热微分方程可为：

式中：T为截面瞬态温度（℃），是x、y和t的函数；t为导热时间（s）；ρ为质量密度（kg／m3）；c为比热容（J／（kg·℃））；x和y 为截面坐标（m）；λ为导热系数（W／（m·℃））。

1.2 定解条件

1.2.1 初始条件

火灾前，T形钢管混凝土芯柱大多处在环境温度状态下，假设整个构件截面温度场分布均匀，且等于环境温度T0，于是初始条件可以表示为：

1.2.2 边界条件

边界条件包括对流、辐射以及界面热阻。当火灾温度已知时，属于第三类边界条件。

综合考虑到对流、辐射和界面热阻。

其中，对流边界条件为：

式中：T为边界温度；Tf为与物体相接触的热流体介质的温度（℃）；α为换热系（W／（m2·℃））；t为边界外法线方向；ε为综合辐射系数；σ为Stefan－Boltzmann常数。各参数取值参考欧洲规范EC4（1994），T0＝20℃；α＝25W／（m2·℃），ε＝0.5，σ＝5.67×108W／（m2·K4）。

界面热阻为：

式中：T1和T2为界面两侧温度（℃）；R为界面热阻（m2·℃／W）。其中，钢管与核心混凝土间的界面热阻R＝0.01m2·℃／W，不考虑钢管与芯柱外围混凝土的界面热阻［9］。

1.3 材料热工参数

截面温度场的材料热工参数，包括钢和混凝土的导热系数、比热、密度等。其中，钢材和混凝土的热工模型分别采用 Lie［10］、Lie和 Chabot［11］提供的表达式计算。参考文献［11］假设混凝土中所含水分的质量百分比为5% ，采用如下混凝土比热计算公式：

1.4 模型的建立

有限元温度场建模时，混凝土采用传热八节点三维实体单元（DC3D8），钢管采用传热四边形壳单元（DS4），钢筋采用传热两节点索单元（DC1D2）；计算耐火极限时，改变单元类型，混凝土采用三维八节点实体单元（C3D8R），钢管采用四边形壳单元（S4R），钢筋采用两节点桁架单元（T3D2）。

2 模型验证

目前，有关异形钢管混凝土芯柱抗火试验还未见报导，同时考虑到异形钢管混凝土芯柱的受力性能与钢筋混凝土相似，本文通过以往的异形钢筋混凝土柱、钢筋混凝土柱和圆钢管混凝土柱的耐火极限试验结果对所建立数值模型加以验证。图1所示为模型计算结果与文献［3］中给出的试验结果比对，可以看出该模型可较准确地预测异形柱耐火极限，各试件详细信息见文献［3］。图2所示为利用本文数值模型获得的四面受火下钢筋混凝土柱和圆钢管混凝土柱耐火极限计算值与文献［12、13］提供的试验结果对比情况，所有26个试件耐火极限计算值与试验值比值的平均值为0.882，均方差为0.108，可见吻合较好。

3 影响因素分析

影响火灾作用下异形钢管混凝土芯柱耐火极限tR的可能因素有：荷载比n（n＝N／Nn，N 为实际所承受的竖向荷载，Nn为常温下其相应的极限承载力）、截面尺寸b、h、d、t（b和h 分别为截面的肢厚和肢高，d和t分别为芯柱直径和厚度）、长细比λ、荷载偏心率e0／r0（e0为荷载偏心距，r0＝B／2）、含钢率α（只计算钢管，忽略纵筋和箍筋）、混凝土抗压强度fcu（包括钢管内外的混凝土强度立方抗压强度）、钢管屈服强度fy、保护层厚度c等参数。截面参数如图3所示。

下面通过典型算例，分析各参数对火灾作用下等肢L形钢管混凝土芯柱耐火极限的影响规律。参照《混凝土异形柱结构技术规程》，为使异形柱尺寸更符合施工实际，算例的基本条件为：n＝0.6，b×h×h＝200mm×500mm×500mm，d×t＝133mm×4mm，λ＝40，e0／r0＝0.4，α＝0.1，fcu，内＝60MPa，fcu，外＝40MPa，fy＝345MPa，外围混凝土纵筋配筋率为1%（纵向钢筋为HRB335钢），箍筋配箍特征值为0.15，c＝15mm，柱初始缺陷取2mm。截面尺寸如图4所示。当参数需要考察变化情况时再补充考说明。

图1 耐火极限与轴向变形的比较Fig.1 Comparison of fire resistance and axial deformation between the calculated and tests results

图2 耐火极限计算结果与试验结果比较Fig.2 Comparison between calculation and testing results of fire resistance

图3 截面参数Fig.3 Sectional parameters

图4 截面尺寸Fig.4 Sectional dimension

3.1 荷载比

图5所示为荷载比对L形混凝土芯柱耐火极限的影响，荷载比n取值0.4～0.8之间。从图5中可以看出，荷载比对柱耐火极限影响很大，随着荷载比的增大，其耐火极限呈线性递减的趋势。这是由于混凝土和钢材的材料强度随着荷载比的增加而加剧劣化，导致受火时用于抵抗温度附加内力的储备变小。

图5 荷载比的影响图Fig.5 Influence of load ratio

3.2 截面尺寸

图6所示为截面尺寸对L形混凝土芯柱耐火极限的影响，其中，d×t＝133mm×4mm，b＝200mm，肢高肢厚比h／b取值2～4之间，对于等肢L形柱的肢厚b和肢高肢厚比h／b确定后，其横截面尺寸就已确定。从图6中可以看出，当肢厚b保持不变，随着肢高肢厚比h／b的增大，L形钢管混凝土芯柱的耐火极限以近似线性的关系增大。这是由于在相同火灾作用时间下，随着L形柱截面表面积增大，吸热能力增强，导致构件的整体温度降低。

图6 截面边长的影响Fig.6 Influence of sectional width

3.3 长细比

图7所示为长细比对L形混凝土芯柱耐火极限的影响，长细比λ取值20～80之间。从图7中可以看出，长细比对柱耐火极限有一定影响，构件耐火极限随着长细比的增大而减小。

3.4 荷载偏心率

图8所示为荷载偏心率对L形混凝土芯柱耐火极限的影响，荷载偏心率e0／r0取值－0.8～0.8之间。从图8中可以看出，构件耐火极限随着荷载偏心率的增大，呈现出逐渐降低的趋势。这是由于偏心率的增大，使得受压区混凝土面积减小，受拉区混凝土面积增加，导致构件的承载力下降。

图7 长细比的影响图Fig.7 Influence of slenderness ratio

图8 荷载偏心率的影响Fig.8 Influence of load eccentricity

3.5 含钢率

图9所示为含钢率（忽略纵筋和箍筋，即为含钢管率）对L形混凝土芯柱耐火极限的影响，含钢率α取值0.05～0.2之间。从图9中可以看出，含钢率对柱耐火极限的影响不显著，构件耐火极限随着含钢率的增大而增大。这可能的原因是由于含钢率在一定范围内（0.05～0.2）时，构件的破坏由混凝土的压坏引起，含钢率的增大有利于承载力的提高，同时钢管处于混凝土内部，升温较慢，对抗火有利。

4 结论

图9 含钢率的影响Fig.9 Influence of steel ratio

利用合理的异形钢管混凝土芯柱的温度场和力学分析模型，考虑了各参数对其耐火极限的影响，在一定参数范围内，可以得到如下初步结论：

（1）荷载比和截面边长是等肢L形钢管混凝土芯柱耐火极限的主要影响参数，表现为荷载比越小，截面边长越大，构件的耐火极限越高。

（2）长细比和荷载偏心率对等肢L形钢管混凝土芯柱耐火极限影响较大，表现为长细比和荷载偏心率越小，构件的耐火极限越高。

（3）含钢率对等肢L形钢管混凝土芯柱耐火极限的影响不显著，在一定范围内（0.05～0.2）时，含钢率的增大，有利于构件耐火极限的提高。

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