圆钢管混凝土短柱的火灾后剩余承载力研究

李毅 王志滨��

摘要：在提出火灾全过程各阶段中钢管和核心混凝土应力应变关系模型的基础上，采用有限元软件ABAQUS中的热应力耦合分析模块计算了ISO-834标准火灾全过程作用后圆钢管混凝土轴压短柱的荷载变形关系曲线，计算结果和试验结果基本吻合.对火灾全过程中圆钢管混凝土轴压短柱的荷载变形关系、钢管和核心混凝土的截面应力分布以及两者之间的相互作用进行了分析，探讨了升温时间、初始荷载、截面含钢率、钢材强度、混凝土强度、防火保护层厚度和截面尺寸等参数对圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的影响规律，最终提出了圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的简化计算公式.

关键词：钢管混凝土；短柱；火灾全过程；剩余承载力；有限元分析；简化计算

中图分类号： TU398.9文献标识码：A

随着钢管混凝土结构的广泛应用和高层建筑火灾事故的日益增多，钢管混凝土结构的抗火性能研究越来越受到人们的重视，对火灾后钢管混凝土柱残余力学性能的研究也在不断深入.霍静思等[1]对高温后钢管混凝土抗冲击性能进行了试验研究；Han和Huo[2]提出了未受初始荷载的火灾后钢管混凝土长柱的剩余承载力简化计算方法；Yang等[3]采用纤维模型法对钢管混凝土长柱进行了火灾全过程分析，提出了适用于存在初始荷载作用的火灾后钢管混凝土长柱剩余承载力的预测方法.轴压短柱是建筑结构中的基本构件之一， 林晓康[4]和余鑫对火灾后的钢管混凝土轴压短柱进行了试验研究；Han等[6]和Tao等[7]报道了火灾后的轴压短柱试验；Huo等[8]对承受初始荷载的圆钢管混凝土轴压短柱在经历恒高温作用后的力学性能进行了试验研究；Song等[9]采用顺序耦合的热应力分析方法对钢管混凝土轴压短柱进行了火灾全过程分析.试验研究和理论分析的最终目的是为工程设计提供可靠参考，而对于如何评估火灾后轴压短柱的剩余承载能力，目前尚未见相关报道.

本文采用有限元软件ABAQUS对圆钢管混凝土轴压短柱进行火灾全过程分析，采用完全耦合的热力分析模块建立考虑火灾全过程影响的圆钢管混凝土轴压短柱的有限元计算模型，对火灾全过程中圆钢管混凝土轴压短柱的工作机理进行深入研究，对火灾后圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的影响参数进行比较分析，最后提出火灾后圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的简化计算方法.

1有限元计算模型

1.1温度作用曲线

目前火灾试验多采用国际标准化组织建议的ISO-834室内环境温度曲线[10]，如图1所示，th为升温时间，根据实际火灾情况确定，tp为室内温度降至常温的时间.标准化室内环境温度曲线虽不能真实反映火灾全过程中室内环境温度的变化，但可为结构抗火研究提供统一标准，使大量火灾试验结果具有可比性.

湖南大学学报（自然科学版）2015年

第9期李毅：圆钢管混凝土短柱的火灾后剩余承载力研究

ISO-834室内环境温度曲线中未给出火灾后构件内部温度恢复至常温的终点时刻tr，在采用有限元软件ABAQUS计算构件截面温度场时发现，构件内部温度的变化不仅与室内环境温度变化有关，还与构件截面尺寸及防火保护层厚度有关.本文根据有限元计算结果，以升温时间、截面尺寸和防火保护层厚度为自变量，通过多元非线性回归得到了tr的计算公式如下：

4结论

1） 采用本文提出的高温中、高温后以及降温阶段的钢材和核心混凝土应力应变关系，基于完全耦合的热力分析方法对圆钢管混凝土轴压短柱进行火灾全过程分析是可行的.

2） 火灾全过程中核心混凝土和钢管的纵向应力分布主要与截面温度场分布有关.火灾中钢管与核心混凝土之间产生分离，钢管对核心混凝土的约束作用消失；当室内环境温度降至常温后，钢管开始对核心混凝土产生约束作用.

4） 影响火灾后圆钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的主要参数为：受火时间、防火保护层厚度和截面尺寸.

5） 按本文提出的简化计算公式计算的结果与试验结果基本吻合，可为有关工程设计提供参考.

参考文献

[1]霍静思， 何远明， 肖莉平， 等. 高温后钢管混凝土抗多次冲击力学性能试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版， 2012， 39（9）：6-10.

HUO Jingsi，HE Yuanming，XIAO Liping，et al.Experimental study on the dynamic behavior of concretefilled steel tube after exposure to high temperatures under multiple impact loadings[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2012， 39（9）： 6-10. （In Chinese）

[2]HAN L H， HUO J S. Concretefilled hollow structural steel columns after exposure to ISO-834 fire standard[J]. Journal of Structural Engineering， 2003， 129（1）：68-78.

[3]YANG H， HAN L H， WANG Y C. Effects of heating and loading histories on postfire cooling behaviour of concretefilled steel tubular columns[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2008， 64（5）： 556-570.

[4]林晓康. 火灾后钢管混凝土压弯构件的滞回性能研究[D]. 福州： 福州大学土木工程学院， 2006： 43-47.