带肋薄壁钢管混凝土T形柱温度场试验与数值分析

吕学涛，徐 倩，麻 辉

(辽宁工程技术大学建筑工程学院, 阜新, 123000)



带肋薄壁钢管混凝土T形柱温度场试验与数值分析

吕学涛*，徐 倩，麻 辉

(辽宁工程技术大学建筑工程学院, 阜新, 123000)

为研究高温下带肋薄壁钢管混凝土T形截面柱温度场的分布规律，采用电热炉进行了温度场试验，进而采用ABAQUS有限元软件建立模型，与试验结果比较，验证模型的可靠性，在此基础上，分析了标准火灾下构件温度分布规律，构件从受火面到构件截面中部，温度逐渐降低，混凝土温度较钢管和钢筋温度明显滞后，且四个阳角温度高于两个阴角温度。在工程常用范围内，分析了受火时间、截面尺寸和加劲肋间距对构件温度场分布的影响，结果表明：随着构件截面尺寸的增大截面温度呈明显降低趋势，随着受火时间的增加钢管温度和混凝土温度呈不同态势增长，而钢筋加劲肋间距变化对温度场影响较小。

带肋钢管混凝土T形截面柱；温度场；模型验证；加劲肋；热传导

0 引言

近年来，随着高性能钢材在建筑工程中的应用，薄壁钢管混凝土结构受到了更多的关注。其中钢管混凝土异形柱，可以避免柱角外露，增加使用空间，具有建筑功能灵活和房间使用质量高的优点，在高层建筑中得到了较好的应用[1]。研究表明：当与普通钢管混凝土柱截面尺寸相同时，采用薄壁钢管可以减少工程造价 25% 以上[2]。因此，采用薄壁钢管混凝土异形柱在建筑工程领域具有广阔的应用前景。

然而，研究表明[3-5]：普通异形钢管混凝土柱的承载力和延性都远低于圆形钢管混凝土柱。这是因为普通钢管混凝土异形柱的约束效应主要集中于角部，角部以外约束效应显著降低，若采用薄壁钢管，由于钢管管壁更易发生局部屈曲，将进一步削弱对核心混凝土的约束效应。因此, 改进普通异形钢管混凝土柱的约束效应，延缓钢管的过早屈曲，进而提高其承载力和延性， 是保障钢管混凝土异形柱充分发挥其力学性能优势的关键所在。国内学者针对这一问题进行了试验研究和数值模拟[6-10]，并提出了改善普通钢管混凝土异形柱力学性能的有效措施，其中，在钢管内设置钢筋加劲肋[1,11]就是有效的办法之一。

目前，未见对薄壁钢管混凝土异形柱抗火性能的研究报道。本文作为研究薄壁钢管混凝土异形柱的一部分，首先利用电炉进行了温度场试验，并采用ABAQUS软件建立模型，在验证模型有效性的基础上，分析了带肋薄壁钢管混凝土T形截面柱截面温度的分布规律，进行了升温时间、加劲肋间距、截面尺寸等参数影响分析，并为后续薄壁异形钢管混凝土柱的高温下的力学性能研究和耐火极限分析提供依据。

1 试验概况

1.1 试验准备

进行1根带肋薄壁钢管混凝土T形截面柱的温度场分布试验，T形钢管由4片薄壁钢板焊接而成，钢板厚度2 mm，混凝土强度等级为C30，为减缓钢管在受压过程中产生局部鼓曲，在钢管内壁焊接Ф6的钢筋加劲肋，加劲肋间距为80 mm，构件横截面尺寸如图1所示，试件实际受火高度为1800 mm。两端焊接20 mm厚方形盖板。在距离上下盖板200 mm处分别设置直径10 mm的圆形散热孔，以保证构件内混凝土在升温过程中水分的散发。

在位于距离柱下端板780 mm和1580 mm二个横截面上分别布设热电偶，每个截面均设置6个测点，具体位置见图2所示。为测量混凝土内温度，在浇注试件阶段使用电钻打孔到设计深度并安插热电偶，对于测量钢管表面及阴角处温度，则提前在钢管表面焊接L形支架，以便固定热电偶。

图1 构件截面尺寸图(单位：mm)Fig.1 Component cross section size (mm)

图2 热电偶测点布置图Fig.2 Layout of temperature measuring points

1.2 试验结果

为模拟ISO-834标准升温曲线，试验过程中采用装配式电热炉对试件进行加热，在电热炉不同高度不同位置安装6个热电偶用以监测炉内环境温度，图3给出实测炉温与ISO-834升温曲线对比情况，其中，T1～T6为各热电偶实测炉温，由于采用电升温前期无法达到规定的升温速率，会产生一定的升温延迟；且装配式电热炉炉体之间缝隙导致热量流失，在升温初始阶段实测温度较ISO-834曲线温度低，总体上，高温试验炉内温度比较均匀，总体升温趋势与标准升温曲线吻合良好。

图3 炉内升温曲线Fig.3 Temperature versus time in test furnace

图4给出各构件的热电偶温度-时间曲线。由图4可以看出，各测点随着升温时间的增加而逐步上升，相对于混凝土测点，钢管测点的升温速率较高，体现了混凝土热惰性和钢材良好导热性的特点，从局部来看，构件阴角处的钢管温度与其他钢管表面测点相比，温度偏低，后期的构件有限元模拟也可以验证这一特点。

2 有限元模拟

2.1 基本假设

薄壁钢管混凝土T形截面柱在高温作用下热量由外界向钢管混凝土柱截面内部传递，由于材料的热惰性，构件内部将形成不均匀温度场，并随升温时间的延续而不断变化。因此，高温下薄壁钢管混凝土T形截面柱的热量传递为瞬态传热，求解截面温度实际上是求解截面内部的热传导方程。为了简化计算和更贴近试验真实情况，给出以下几点说明：

1)钢管混凝土构件内部材料均为各向同性材料，每个方向热传导系数均相同；

2)混凝土内部水分影响：由于混凝土内部的水分在100℃左右的时候会蒸发，随之产生水蒸气，同时吸收热量，在一定程度上会对构件的截面温度场分布产生影响，因此假设混凝土内部所含水分质量百分比为5%，水分在100℃时全部蒸发，且产生的水蒸气与热转移无关[11]；

图4 试验结果Fig.4 Test results

3)以往采用燃气炉试验时，模拟过程中常忽略接触热阻的影响，通过大量模拟并参考以往采用相似装置所进行的温度场试验，采用电热炉升温时接触热阻宜取0.01 K·m2/W[12]。

4)采用实测炉温平均值模拟构件升温过程。

2.2 模型的建立和验证

温度场模型中，核心混凝土采用八节点三维实体热分析单元DC3D8，外部钢管采用壳体热分析单元S4R，内部钢筋加劲肋采用一维桁架热分析单元T3D2。

合理确定材料的热工性能是进行构件温度场分析的前提条件，其参数主要包括：热传导系数、容重、比热容以及热膨胀系数等。近些年国内外许多学者，如Lie TT、Kodur、李引擎等对钢材和混凝土的热工性能进行了详细的研究，并在试验的基础上回归出热工性能的表达式。本文选取Lie和Irwin[13]给出的钢材和钙质混凝土热工性能模型。

在火灾情况下，热量通过热辐射和对流传递给构件表面，在构件内部主要通过热传导方式传递。假设构件初始温度为室温，取20℃，考虑到电热炉炉内空气对流较小而热辐射较大，参考以往电热炉相似试验，综合辐射系数取0.7[14]，钢管外表面对流传热系数为25 W/(m2·℃)。

图5(a，b)为计算结果与试验结果对比情况，其中测点S-1和测点S-2分别表示测点1到测点4、测点5和测点6的均值.测点C-1、测点C-2和测点C-3依次表示测点7和测点8、测点9和测点10、测点11和测点12的均值.此外，还利用本文所建立的模型模拟了文献[13,14]中试件，如图5(c～e)所示，总体上，从对比结果可以看出计算值与试验值整体吻合性较好。

2.3 典型温度场分析

图6给出了构件截面温度场分布图，以升温180 min构件截面温度分布云图为例，可以看到柱表温度最高，由柱表向柱里温度逐渐降低，这是因为柱表受火后由于热对流和热辐射作用而急速升温，柱表再把热量向构件截面中心传导，从而形成了截面温度分布由外向内呈梯度降低的现象。由于T形截面构件6个阳角各自相邻两面均受火，受火面积相对较大，高温区域面积较大，局部温度均在1060℃以上；而2个阴角相邻混凝土体积相对较大，其局部温度仅在921℃～1060℃之间且温度梯度较大。由此可推知应当格外加强异形柱各阳角的防火保护。对比核心混凝土和钢管温度，钢管上点同时间温度明显高于混凝土中的点，这是由于高温下混凝土中的自由水、结合水的物理化学反应和混凝土中的水化物和凝胶等物质发生分解需要吸热，造成了温度上升滞后。

图5 模拟计算结果与试验结果的比较Fig.5 Comparison between computed and test results

钢筋加劲肋钢的温度场相对其中心点基本呈对称分布，与柱表面连接处的温度均在1036℃以上，明显高于位于混凝土中部分的温度，沿两端向中心逐渐降低，且钢筋加劲肋中点温度都在732℃以下，其最低温度为701℃，较混凝土截面上最低温度值634℃高，且横向钢筋加劲肋及其临近混凝土的温度高于其他位置混凝土，这是由于钢筋导热性能优于混凝土，钢筋升温较快，同时将热量传递给周边混凝土。

3 参数分析

3.1 升温时间

提取上述算例典型位置温度：c-1～c-3为混凝土内点，s-1～s-3为钢管上点，b-1～b-3为钢筋上点，各点具体位置如图7所示。

图7 截面温度测点分布图Fig.7 The distribution of measuring points

通过图8中各点温度时间关系曲线(Tc、Ts、Tb分别代表混凝土、钢管和钢筋温度，如无特殊说明，下同)可见：升温时间对截面温度影响较大。截面温度随升温时间增大而升高，且受火初期钢管温度升高较快，而混凝土则相对较慢；后期钢管温度升高速率逐渐减缓，而混凝土温度升高速率加快。此现象与ISO-834标准升温曲线初期升温快而后期相对较慢有关。另外，由于钢筋是内嵌在混凝土中，其与周围混凝土接触面积较大，热传递比较充分，所以钢筋的前、后期升温特征与混凝土较为相似。

图8 各测点温度-时间曲线图Fig.8 Temperature-time curve of measuring points

3.2 加劲肋间距

对构件设置加劲肋间距s=80 mm、100 mm、120 mm和140 mm分别进行温度场计算。由图9可以看到各测温点处温度分布基本相同，可见加劲肋间距对构件温度场影响较小，一般可以忽略不计，这是因为，虽然钢材导热性好，但加劲肋由于截面面积的限制，给混凝土输送的热量有限，就构件整体来说，影响微弱。

图9 升温180 min加劲肋间距影响Fig.9 Effects of distance of steel bar stiffeners

3.3 截面尺寸

图10(a)和图10(b)分别给出构件截面尺寸和构件截面温度场布置，同样采用等肢T形柱分析截面尺寸对构件温度场的影响，其参数选取如下：肢厚分别取b=70 mm、90 mm、110 mm、130 mm；肢高肢厚比分别取h/b=2.0、2.5、3.0、3.5。

图10 构件设计图Fig.10 The diagram of columns

从180 min不同截面尺寸构件温度场分布图(图11)结果可以看出：当控制肢厚b不变时，所选测点温度随肢高肢厚比h/b的增大变化幅度很小或基本保持不变；当控制肢高肢厚比h/b不变时，所选测点温度随着肢厚b的增大呈逐渐降低趋势且降低值很明显。可见肢厚b对构件截面温度场分布影响比肢高肢厚比影响要大得多，且随着肢厚b的增大而降低。另外，对比图11(e)、图11(f)、图11(g)、图11(h)可见，肢厚b对核心混凝土和钢筋加劲肋中心温度的影响幅度较钢管温度影响幅度大。由于钢管表面直接受火，而核心混凝土和钢筋加劲肋中心主要通过热传导受热，出现升温滞后现象，且随着截面尺寸的增大其升温滞后的程度就越大。

4 结论

(1)本文合理选取钢材和混凝土热本构模型，建立的有限元分析模型与试验值吻合良好。

(2)带肋薄壁钢管混凝土T形截面柱的温度由柱表到柱里升温呈现明显的滞后现象，且混凝土中温度的滞后程度比钢筋要高；钢管中温度普遍较高且截面阳角温度要高于阴角，应加强钢管尤其是钢管阳角的高温保护。

(3)升温时间和截面尺寸是影响此类构件温度场的最主要因素，钢筋加劲肋间距取值在80 mm～140 mm对构件温度场分布影响较小。

图11 不同截面尺寸构件温度场分布图Fig.11 Temperature distribution of different cross sizes

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Temperature distribution analysis of T-shaped concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners

LV Xuetao， XU Qian， MA Hui

(College of Engineering and Architecture, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

A test was conducted and a numerical model was established with the software ABAQUS to study the temperature distribution in T-shaped concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners under standard fire. The reliability of the approach was validated by the good agreement between the theoretical results and the experimental data at elevated temperatures. The conclusion is that: the temperature decreases along the path from the surfaces under fire to the center of the cross-sections, and the increase of temperature delays in the concrete drastically. Besides, the temperature of external corners is higher than that of internal corners. Based on the finite element model, a developed parametric analysis was undertaken, in which time, cross- sectional dimensions, the distance of steel bar stiffeners are considered. The analysis indicates that larger cross-section leads to lower temperature of the cross-section, and as the increasing of the time the temperature of tubes and concrete rises at different speeds, however, the different rebar spacing of steel bar stiffeners has tiny effects on the temperature of columns.

T-shaped concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners; Temperature field; Model verification; Steel bar stiffener; Heat conduction

2016-01-14；修改日期：2016-03-04

国家自然科学青年基金(51208246)；辽宁工程技术大学拔尖人才提升计划(20130309)。

吕学涛(1979-)，男，河北保定人，博士，讲师，主要从事钢与混凝土组合结构抗火性能研究。

吕学涛, E-mail:lxtwww30@sina.com

1004-5309(2016)-00079-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.02.04

TU352.5；X932

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