带肋薄壁方钢管混凝土柱温度场试验研究与分析

王微微，米振伟，吕学涛，张玉琢

(辽宁工程技术大学土木工程学院，阜新，123000)

带肋薄壁方钢管混凝土柱温度场试验研究与分析

王微微，米振伟，吕学涛*，张玉琢

(辽宁工程技术大学土木工程学院，阜新，123000)

为研究带肋薄壁钢管混凝土柱在火灾下的温度分布，进行3根足尺带肋薄壁方钢管混凝土柱升温试验。建立方钢管混凝土柱温度场有限元模型，模型计算结果与实验结果符合较好。利用模型分析了典型的温度场分布规律，并研究了各参数对构件温度场的影响规律。结果表明：构件截面温度场在四面受火状态下呈双轴对称分布，且角部温度较高。加劲肋对构件温度场的影响仅限于焊接点附近，加劲肋间距和含钢率对构件整体温度场影响微小；截面边长、受火时间和受火方式是影响构件温度场的主要因素。

标准火灾；带肋薄壁方钢管混凝土柱；温度场；加劲肋；有限元分析

0 引言

随着人民生活水平的提高，生活方式的多样化，建筑火灾发生的机率大大增加，由于钢管混凝土结构在我国应用广泛，因此钢管混凝土柱的抗火性能研究尤为重要[1]。国外对钢管混凝土柱抗火性能的研究起步较早，其中Lie和Kodur对各种类型的钢管混凝土柱进行了一系列的抗火性能试验[2, 3]，为后续相关的理论研究工作奠定了研究基础。目前我国学者对钢管混凝土柱的抗火研究也取得了较多的成果。Han等[4]报道了在标准火灾下，13根圆截面钢纤维混凝土柱温度场试验结果，试验考虑截面尺寸和钢管壁厚对试件温度场的影响。Yang等[5]介绍了在标准火灾作用下3根矩形截面钢管混凝土柱的温度场试验结果，试验还考虑了受火面的变化，即三面或四面受火对试件温度场的影响。吴等[6]对3根配筋钢管混凝土柱进行了火灾下力学性能的试验研究。吕等[7, 8]进行了单面、相对两面及三面受火的方钢管混凝土柱的耐火极限和抗火性能的试验研究与理论分析。韩等[9]介绍了4根钢管混凝土柱的温度场试验结果，并在数值模拟中考虑了水分、接触热阻和高温瞬态热应变的影响。

本文进行了3根带肋薄壁方钢管混凝土柱的火灾试验，而构件温度场分析是后续研究抗火性能的重要组成部分，尤其加劲肋对构件温度场的影响机理研究尚未见报道，为此本文在试验结果对理论计算结果进行验证的基础上，分析加劲肋间距、截面尺寸和受火方式等因素对温度场的影响，为后续构件的抗火性能研究提供参考。

1 试验概况

1.1 构件设计

本次试验共设计制作了3根薄壁方形钢管混凝土柱，净高2360 mm，截面尺寸300 mm×300 mm，柱上下端分别设置20 mm厚盖板，距离上下盖板200 mm处设置直径20 mm的散热孔，以保证升温过程中混凝土内部水分的迁移蒸发。

钢管采用厚度为2 mm的薄钢板，内填C30混凝土。为防止钢管在试验中过早鼓屈而失效，在钢管内壁设置直径为6 mm的钢筋加劲肋，设置三种不同间距：0 mm(S1)、100 mm(S2)、150 mm(S3)，以考虑加劲肋对构件温度场的影响。

在距离下盖板730 mm、1530 mm、1830 mm处截面上设置3组热电偶。为测量混凝土温度，在距离钢管表面37 mm、70 mm和150 mm(混凝土中心)分别设置测点，如图1。

图1 试件详图(单位：mm)Fig.1 Details of specimens(unit: mm)

1.2 火灾试验

试验在湘潭大学结构工程实验室进行，本试验采用装配式电热炉为构件升温，构件两端分别伸出炉体280 mm，以保证足够的压缩变形空间，实际受火高度1800 mm。升温前先在构件上逐级施加压力，达到设计荷载稳压十分钟后开始升温。

2 试验结果

2.1 曲线分布

电热炉由6块炉体拼接而成，每块炉体各设置一热电偶用来实时监测炉内温度，各测点实测温度(T)—受火时间(t)曲线如图2所示。

图2 构件实测温度Fig.2 Measured temperatures of specimen

由图2可以看到：(1) 受火早期钢管表面升温较快，后期变缓，升温曲线变化趋势与炉温升温曲线大体相同。(2) 距离钢管37 mm测点，由于距离受火面较近，升温速率较核心混凝土相比明显加快，达到100 ℃后仍然有温度平台，但不明显。(3) 距离钢管70 mm测点，升温曲线趋势与混凝土中心测点基本相同，升温速率加快，在达到100 ℃后出现温度平台，持续时间短于混凝土中心测点。(4) 混凝土中心测点在试验开始的30 min内温度无明显上升，随着炉内温度升高出现上升段。在达到100 ℃后，有明显的温度平台，且持续时间较长。(5) 本次试验是方形薄壁钢管混凝土柱耐火性能试验的一部分,构件S1、S3由于受火时间较短的原因,导致混凝土测点温度均未达到100 ℃。由此可以看出，升温速率、温度平台段和最高温度均与距离受火面的远近相关，距离受火面越近，其温度平台越短，升温速率越快。同时混凝土材料属于多孔介质，其内部存在游离水、胶凝水和结晶水，随着温度的增加，混凝土内部的水分产生复杂的迁移变化。这是混凝土升温曲线出现平台段的主要原因。

3 数值模拟

3.1 建模参数及结果验证

温度场分析用ABAQUS/standard模块，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。本试验使用电炉升温，电炉四周封闭，炉内的空气流动相对微弱，电阻丝与试件之间的距离较小，因此综合辐射系数取0.7[10]，对流换热系数参考文献[11]的建议取值25 W/(m2·℃)。要分析火灾下构件内部的温度分布规律，不仅要确定外部温度条件，还要确定构件材料各项热工系数，包括：密度ρ(kg/m3)、比热l(W/m℃)、体积热容ρc(J/m3℃)。本文热工参数采用文献[12]提供的表达式计算，通过调整混凝土比热容考虑含水率(取5%)的影响，并假定超过100 ℃时水分全部蒸发。

构件在加工制作中，钢管与混凝土的接触只是离散的点或面接触，其余由导热系数不同的空气或其他介质填充，导致钢管与混凝土两种截面之间在升温时产生温差。本次试验过程中，荷载的施加影响了接触面之间的压力，钢管鼓曲处出现脱空，加大了这种差异，因此建模过程中引入接触热阻，参考文献[8、13]的建议，接触热阻值取值范围R=0.01 K·m2/W～0.03 K·m2/W。经试算本文取值R=0.02 K·m2/W。为验证本文模型，选用试验炉同为热电炉的文献[10]中两根圆形钢管混凝土柱的温度场试验数据(图3(a)、图3(b))和本次试验数据(图3(c)～图3(h))，计算结果和试验结果吻合较好(图3(a)、图3(b))。

图3 计算结果与试验结果的比较Fig.3 Comparison between computed results and test results

3.2 典型温度场分析

建模参数：截面边长B=300 mm、钢管厚度ts=2 mm、加劲肋直径d=6 mm、加劲肋间距R=100 mm。由图4可以看到，方形构件在四面受火情况下，温度场分布为双轴对称图形，温度从外向内逐渐降低。由于受两侧钢管传热的影响，构件截面角部温度较高，混凝土核心区域温度较低。图4可看出随着受火时间增加，构件升温速率明显增大；距离受火面越近，温度梯度变化越大。混凝土的传热性能较差，因此混凝土内部温度梯度较大,特别是外侧部位。四面受火边界的条件使构件截面温度应变和温度应力均匀对称。温度沿构件长度均匀分布情况下，双轴对称受火条件不会使截面材料产生强度偏心，其抗火性能与单轴对称受火条件相比并不相同。

对于岩质边坡工程如图2所示，由图1、图2可以看出，岩质边坡类型与高中物理斜面模型非常相似。图3为华山岩质边坡结构，从图中可以看出华山岩质边坡程片状结构分布，与高中物理斜面模型也很相似。边坡是地质体的基本工程状态之一，如自然岩质边坡、露天开挖、水利建设中开挖形成的边坡，开挖路堑形成的路堑边坡都是边坡的一种形式，特别是20世纪80年代以来，随着经济建设的恢复和高速发展及自然因素的影响，滑坡灾害呈逐年加重趋势。因此研究边坡工程在国民经济建设中具有重要的意义。

图4 截面温度梯度 Fig.4 Temperature gradient of section

实际工程中，通常设置加劲肋来延缓钢管鼓曲，而钢材的导热能力远高于混凝土，因此热量会通过加劲肋输送到混凝土中。试验结果表明(图5)，混凝土核心区域温度场并没有因加劲肋间距的变化而产生波动。模拟结果表明，由于加劲肋要吸收更多的热量传递，因此在钢管表面形成以焊接点为中心的热影响区域且温度较低(图6)。焊接点处附近混凝土温度较高且变化剧烈，以焊接点为中心，随着距离的增加，混凝土温度曲线下降幅度越小，曲线趋于平缓(图7)。

图5 加劲肋间距不同时混凝土中心点处实测温度Fig.5 Temperature in concreteunder different spacing distances of stiffener

H为焊点附近钢管测点受火时间图6 加劲肋附近钢管温度梯度Fig.6 Temperature gradient of steel tube near stiffener

S为焊点附近混凝土测点距离钢管表面深度图7 加劲肋附近混凝土温度梯度Fig.7 Temperature gradient of concrete near stiffener

产生上述现象的原因为：(1) 加劲肋传递的热量与其截面积成正比，较小的钢筋截面积与混凝土的热惰性使热量聚集在焊接点附近而无法到达内部，因此在外围混凝土形成以焊接点为中心的半椭球形热影响范围。(2) 钢管的高导热性且厚度较薄，其温度场对加劲肋的热干扰较敏感，产生异变区域。

3.3 参数分析

依据试验和模拟的结果，分析了在ISO 834标准升温曲线下，受火时间、受火方式、含钢率、加劲肋间距与截面边长对构件温度场的影响。除特别说明外，模型相关参数为：加劲肋间距S=100 mm、加劲肋直径d=6 mm、钢管厚度ts=2 mm、截面边长B=300 mm、含钢率=2.7%。

3.3.1 受火方式

考虑单轴对称(以三面受火为例)和双轴对称(以相对两面受火为例)两种受火边界，其截面温度梯度如图8。可见不论何种受火方式，受火面附近温度变化剧烈，随着向背火面延伸，温度降低较快且趋于平缓。在双轴对称受火条件下，截面温度仍为双轴对称，且相对面温差较小。在单轴对称受火条件下，温度分布为单轴对称，最低温度轴偏向于背火区域，且受火和背火面温差超过500 ℃，因此混凝土将产生截面材料强度偏心。同时混凝土与钢管的热膨胀系数存在差异，较薄的钢管在升温初期鼓曲的速度较快，其内表面与混凝土表面过早脱离，降低对混凝土的约束作用。受火面与背火面存在较大温差，因而两种受火面附近材料膨胀不对称，这种变形差导致构件产生附加挠度，直接影响其抗火性能。

图8 受火方式的影响Fig.8 Effect of fire exposure ways

3.3.2 受火时间

图9 受火时间的影响Fig.9 Effect of fire exposure time

3.3.3 加劲肋间距与截面边长比

较密的加劲肋会对构件局部温度场造成一定的异动，但截面边长增加引起的体积变化会削弱加劲肋对构件整体温度场造成的负面作用，所以单一考虑间距并不能全面体现加劲肋对构件温度场的影响，本文引入加劲肋间距与构件截面边长之比β来评估其影响大小。如图10，在不同比值的情况下，截面温度梯度并没有发生明显的变化，因此加劲肋对混凝土温度场的影响只体现在局部区域(如焊接点处)，对构件整体温度场影响较小。

图10 不同加劲肋间距与边长比的影响Fig.10 Temperatures under different ratios of stiffener spacing distance to length

3.3.4 截面边长

图11为构件截面边长B不同时混凝土中心温度-时间变化曲线。不同截面边长引起构件较大的体积变化，且混凝土导热性较差，因此在相同条件下随着截面边长增加而混凝土中心温度明显降低，截面边长对构件温度场的影响较大。

图11 截面边长的影响Fig.11 Effect of cross-sectional dimensions

3.3.5 含钢率

图12为含钢率变化时(钢管厚度依次为2 mm、4 mm、6 mm、8 mm)混凝土中心温度-时间曲线。随着含钢率的增加，混凝土中心温度逐渐减小，变化幅度递减。这是由于含钢率的变化对钢管体积影响较大，对热量传递而言，钢管相当于防火层，其体积变化增加了这种温度阻碍作用，同时混凝土吸热能力较强，这种作用的影响并不明显，因此含钢率对构件温度场的影响较小。

4 结论

本文通过方形带肋薄壁钢管混凝土柱火灾试验研究，并利用ABAQUS软件进行构件温度场分析后，得出以下结论：

图12 含钢率的影响Fig.12 Effect of steel ratio

(1)相比于传统钢管混凝土柱，加劲肋的施加对构件温度场的影响仅限于局部，如造成焊点附近混凝土温度升高，对于横截面方向的温度场还是以梯度形式分布。

(2)在构件升温过程中，钢管的升温速率较快，混凝土升温速率较慢，构件截面角部温度较高，核心区混凝土温度较低。

(3)模拟结果表明，火灾时间、受火方式和截面边长对构件温度场影响较大，而含钢率与加劲肋间距对构件整体温度场影响较小。

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Experimental studies and FEM analysis of temperature distribution of thin-walled square concrete-filled steel tube with steel bar stiffeners

WANG Weiwei， MI Zhenwei， LV Xuetao， ZHANG Yuzhuo

(School of Civil Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

A test was conducted and a finite element model was established to study the temperature distribution in thin-walled square concrete-filled steel tube with steel bar stiffeners under standard fire. The reliability of the approach was validated by the good agreements between the theoretical results and the experimental data at elevated temperature. The effects of parameters on the temperature distribution of thin-walled square concrete-filled steel tube with steel bar stiffeners under standard fire were analyzed. Results show that under the standard fire exposure, the temperature field shows a distribution of biaxial symmetry. The effects of steel bar stiffeners on temperature distribution is limited to the field of near weld. Steel bar spacing and steel ratio have slight influence on temperature field of columns. Size of the cross section, fire exposure time and the surface varieties of fire exposure are the main factors influencing the temperature field of columns.

Square concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners; Temperature field; Model verification; Steel bar stiffener; Finite element analysis

2016-04-10；修改日期：2016-11-09

辽宁省教育厅一般项目(LJYL033)

王微微(1980-)，女，讲师，博士生，主要从事钢-混凝土组合结构抗火性能研究。

吕学涛, Email: lxtwww30@sina.com

1004-5309(2017)-00093-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.05

X93; X932

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