火灾下圆钢管约束钢筋混凝土短柱轴压性能分析

王微微，任卿举，吕学涛，米振伟

(辽宁工程技术大学土木工程学院，阜新，123000)

火灾下圆钢管约束钢筋混凝土短柱轴压性能分析

王微微，任卿举，吕学涛*，米振伟

(辽宁工程技术大学土木工程学院，阜新，123000)

利用ABAQUS软件建立了火灾下圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱非线性有限元模型，在确定混凝土和钢材的本构基础上，对其火灾下轴压性能进行了数值计算，并与已有相关试验数据进行了对比验证。分析了环境温度、混凝土强度、钢管屈服强度、截面尺寸、含钢率等参数对火灾下轴压性能的影响规律。结果表明：火灾下各试件核心混凝土纵向应力发展规律较为相似，且应力分布趋向均匀；环境温度对试件轴压刚度的影响大于极限承载力，材料强度对极限承载力的影响较大，增大钢管含钢率可一定程度提高试件轴压刚度；提出了火灾下此类试件极限承载力和轴压刚度的简化计算公式，可为工程实际应用提供参考。

火灾；圆钢管约束钢筋混凝土；短柱；轴压性能

0 引言

钢管约束混凝土柱[1,2]是在钢管混凝土柱的基础上，将钢管在框架节点处断开，形成的一种钢管不直接承担纵向荷载的新型组合构件，实际工程中，在钢管约束混凝土柱中配置钢筋以抵御轴力、剪力和弯矩的组合作用，便形成了钢管约束钢筋混凝土柱(图1)。钢管约束钢筋混凝土柱方便与钢筋混凝土梁连接，节点构造与普通钢筋混凝土结构类似，可借鉴钢筋混凝土梁柱节点的设计与施工方法。

图1 钢管约束钢筋混凝土柱Fig.1 Circular tubed RC column

文献[2-5]对钢管约束混凝土柱力学性能做了试验研究与分析，结果表明：试件的延性随着钢管径厚比增大和混凝土强度的提高而降低，轴压承载力则相反，钢管屈服强度对试件延性影响不明显，其轴压承载力有一定提高。文献[2,6]对钢管约束混凝土柱的界面摩擦做了研究，结果表明：消除粘结摩擦可提高钢管约束混凝土柱的轴压承载力和延性，轴压刚度有一定程度减小；而文献[7]研究表明消除粘结摩擦对钢管约束混凝土柱的轴压承载力和延性无显著影响。

文献[8]对火灾下钢管混凝土柱的力学性能做了试验研究和分析，结果表明：火灾下钢管混凝土柱的破坏模态总体上与常温类似，建立了火灾下钢管混凝土柱计算模型，对火灾下钢管混凝土轴压短柱受力性能进行了全过程分析。文献[9]对火灾后配筋圆钢管混凝土轴压短柱进行了分析，结果表明火灾作用后配筋钢管混凝土仍具有较大的强度和刚度。文献[10]对标准火灾下钢管约束钢筋混凝土柱的力学性能做了试验研究和分析，并提出了标准火灾下该类试件承载力的简化计算公式。

目前对火灾下圆钢管约束钢筋混凝土短柱轴压性能的报道较少且均为标准火灾工况，而实际火灾中环境温度可能会出现先按照标准升温曲线升到某个温度而后渐趋稳定的工况，本文基于ABAQUS有限元软件对此类火灾下圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱有限元模型进行数值计算，分析其在不同参数下轴压性能的变化规律，以期为工程实际提供参考。

1 有限元模型

热分析模型：采用文献[11]推荐的材料热工模型，定义钢管表面对流系数25 W/(m2·℃)，综合辐射系数0.5，钢筋与混凝土之间采用Tie定义，钢管与混凝土接触热阻[12]取0.01 (m2·℃)/W，按照ISO-834标准升温曲线对试件进行升温，升温至指定温度后恒温3 h[8,13]。

力学分析模型：在热分析模型基础上，建立试件高温下力学分析模型，选取文献[11]建议的高温下

钢材和混凝土力学本构模型，钢管与核心混凝土法向接触定义为硬接触(”hard” contact)，切向定义为库伦摩擦模型，钢筋与混凝土之间定义嵌入约束(Embedded region)，网格划分与热分析模型一致，位移控制加载且钢管不直接承受纵向荷载。有限元分析模型网格划分如图2。

图2 网格划分Fig.2 Meshing

2 已有试验验证

对文献[3,5,8]中圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱、恒高温后圆钢管混凝土轴压短柱试验进行了有限元数值计算。表1给出了试件相关参数，计算极限承载力(Nck)与试验极限承载力(Ncr)比值(Nck/Ncr)的平均值为1.04，方差为0.004。图3给出了部分计算结果与试验结果对比，从图3中可以看出计算结果与试验结果吻合较好。

图3 模型验证Fig.3 Model validation

文献试件编号试件尺寸D/t/L(mm)fc,test(MPa)fy(MPa)T(℃)Ncr(KN)Nck(KN)Nck/Ncr[3]C(OS)-1200/1.5/60048.1364.320318130070.95C(OS)-2240/1.5/72048.1364.320372137921.02[5]A-CTRC-3200/2/60059.426320340033770.99A-CTRC-4210/3/63042.425420278028471.02A-CTRC-5210/3/63059.434620407040541.00[8]C1-20133/4.5/39972.443320214521581.01C1-200133/4.5/39972.4433200180618351.02C1-400133/4.5/39972.4433400172317981.04C1-600133/4.5/39972.4433600156716291.04C1-700133/4.5/39972.4433700141215961.13C2-20133/4.5/39940.832420133614031.05C2-500133/4.5/39940.8324500101012041.19C2-800133/4.5/39940.83248008449201.09

注：Ncr、Nck分别为试验值和模拟值。

3 轴压性能分析

[3,5,10]，选取可能对火灾下圆钢管约束钢筋混凝土短柱轴压性能影响较明显的因素：环境温度T，截面直径D，核心混凝土强度fcu，钢管屈服强度fy，钢管含钢率α进行分析。基本参数为D=400 mm，fcu=50 MPa，fy=345 MPa，α=3%，钢筋屈服强度fb=335 MPa，配筋率为ρ=4%，短柱长径比均设置为3。分别对火灾下环境温度为20 ℃(常温)、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃的试件进行数值计算，分析各参数对其核心混凝土应力场、承载力、轴压刚度的影响规律。

3.1 核心混凝土应力场分析

图4 20 ℃柱中截面核心混凝土截面纵向应力分布Fig.4 The core concrete’s tress distribution of 20 ℃

图5 600 ℃柱中截面核心混凝土截面纵向应力分布Fig.5 The core concrete’s tress distribution of 600 ℃

3.2 极限承载力

对影响火灾下圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱极限承载力较为明显的因素参数分析，讨论各参数对其极限承载力的影响规律，引入试件极限强度承载力影响系数kr[8]：

(1)

计算结果如图6。由图6可见，当温度低于400 ℃时，各试件极限承载力下降不太明显，约为0.9Nu左右，温度高于400 ℃之后，各试件极限承载力迅速减小，600 ℃时各试件极限承载力约为0.6Nu，800 ℃时各试件极限承载力仅为(0.2～0.3)Nu；说明温度低于400 ℃时，温度对试件极限承载力影响不明显，高于400 ℃时，试件的极限承载力损失较显著。对比高温下钢和混凝土的强度性能[14]，温度低于400 ℃时，钢材不考虑强度折减，混凝土的强度折减系数约为0.75左右；温度高于400 ℃时，温度对材料强度的折减较严重，600 ℃时钢材和混凝土的折减系数约为0.45左右，800 ℃时分别为0.1左右；可以发现由于钢管与核心混凝土的组合效应，极限承载力的影响系数均大于材料各自的折减系数。

图6 kr-T曲线Fig.6 The curves of kr-T

随着截面直径和含钢率的增加，试件极限承载力分别呈现升高、降低的趋势，随着混凝土强度和钢管屈服强度的增加，火灾下试件的极限承载力有减小的趋势，但各参数对极限承载力的影响不超过5%；400 ℃时材料强度对应的极限承载力影响系数，较之于截面直径和钢管含钢率的极限承载力影响系数偏小；温度高于600 ℃后各参数的对试件极限承载力基本无影响。

3.3 刚度

对影响火灾下圆钢管约束钢筋混凝土短柱轴压刚度的因素进行数值计算，讨论各参数下试件轴压刚度的变化规律，引入火灾下试件轴压刚度影响系数kc[8]：

kc=(Esc·Asc)T/(Esc·Asc)

(2)

式中：(Esc·Asc)T、(Esc·Asc)分别为火灾下和常温试件轴压刚度，Esc为试件组合轴压弹性模量，取0.4倍强度承载力对应的割线模量，Asc为试件截面积。

计算结果如图7。由图7可得，温度低于200 ℃时，各试件的轴压刚度急剧下降至常温试件的50%左右，温度高于200 ℃后，轴压刚度继续下降，但下降速率开始减缓，400 ℃时约为常温轴压刚度的30%，而600 ℃时为10%，800 ℃时轴压刚度基本为零，说明温度对试件轴压刚度的削弱较明显。对比高温下钢材和混凝土的弹性模量[14]，普通结构钢在温度低于400 ℃时，弹性模量折减不显著，600 ℃时弹性模量约为常温的30%左右，而800 ℃时弹性模量基本可以忽略；而混凝土的弹性模量对温度较敏感，200 ℃时弹性模量约为常温的50%，400 ℃时仅为常温的15%左右，而温度高于400 ℃后弹性模量基本可以忽略。说明高温下试件的轴压刚度折减主要由核心混凝土导致。

图7 kc-T曲线Fig.7 The curves of kc-T

混凝土强度和钢管含钢率对火灾下圆钢管约束钢筋混凝土短柱轴压刚度影响较为明显，钢管屈服强度和截面直径对试件高温下的轴压刚度影响不太明显。随着混凝土强度的增加，轴压刚度影响系数逐渐减小，说明温度对混凝土强度较高试件的轴压刚度折减较严重；试件轴压刚度随着钢管含钢率的增加而逐渐增大，说明钢管含钢率越大，可一定程度提高试件的轴压刚度。

4 简化计算

基于本文数值计算结果，将影响火灾下圆钢管约束钢筋混凝土轴压短柱极限承载力和刚度的因素综合考虑为约束效应系数ξ和环境温度T，在本文参数范围：环境温度T=20 ℃～800 ℃，截面直径D=200 mm～1000 mm，混凝土强度fcu=C30～C60，钢管屈服强度fy=Q235～Q420，钢管含钢率α=2%～4%，钢筋屈服强度fb=335 MPa，配筋率为ρ=4%，回归了火灾下该类试件极限承载力影响系数和轴压刚度系数影响系数的简化计算公式：

(3)

(4)

式中：ξ为约束效应系数[8]，αT=(T-20)/1000。

图8为火灾下极限承载力影响系数和轴压刚度影响系数分别采用式(3)、式(4)的计算值与有限元计算值的对比，可见吻合较好。

图8 简化计算值与有限元计算值对比Fig.8 Comparison between simplified calculations and FE numerical results

5 结论

本文利用ABAQUS分析软件对可能影响火灾下圆钢管约束钢筋混凝土短柱轴压力学性能的因素进行了数值计算与分析，在本文参数范围内，得出以下结论：

(1)试件核心混凝土纵向应力分布：常温极限承载力时，截面中心区域和外围应力值均较大且高于其圆柱体抗压强度，二倍极限应变时中心区域应力值继续增大而外围应力值则迅速减小，纵向应变发展到0.02时截面应力值均下降；火灾下试件截面纵向应力值的发展规律与常温基本相似，但应力值较小且应力分布趋向均匀。

(2)火灾下各试件的极限承载力发展规律以环境温度400 ℃为界，低于400 ℃时极限承载力下降不明显，高于400 ℃后迅速下降；而轴压刚度则以200 ℃为界，低于200 ℃时轴压刚度下降较显著，高于200 ℃后下降速率开始减缓。材料强度对试件极限承载力的影响大于截面直径和钢管含钢率，钢管含钢率可一定程度提高试件轴压刚度。

(3)基于本文参数分析范围，回归了试件火灾下极限承载力影响系数和轴压刚度影响系数的简化计算公式，计算结果与有限元分析结果吻合较好，可为实际工程提供参考。

参考文献

[1] 周绪红, 刘界鹏. 钢管约束混凝土柱的性能与设计[M]. 北京: 科学出版社, 2010.

[2]SakinoK,etal.Sustainingloadcapacityofplainconcretestubcolumnsconfinedbycircularsteeltube[A].ProceedingofTheInternationalSpecialityConferenceonConcreteFilledSteelTubularStructures[C],Harbin,China， 1985: 112-118.

[3] 周绪红, 等. 圆钢管约束钢筋混凝土短柱的轴压力学性能[J]. 工程力学, 2009, 26(11): 53-59.

[4] 张素梅, 等. 圆钢管约束高强混凝土轴压短柱的试验研究与承载力分析[J]. 土木工程学报, 2007, 40(3): 24-31.

[5] 甘丹. 钢管约束混凝土短柱的静力性能和抗震性能研究[D]. 兰州: 兰州大学, 2012.

[6]OritoY,etal.Studyontheunbondedsteeltubecompositesystem[A].ProceedingsCompositeConstructioninSteelandConcrete[C],EngineeringFoundation, 1987: 786-804.

[7] 刘景云, 等. 粘结对钢管约束混凝土短柱轴压力学性能影响[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2010, 42(8): 1211-1215.

[8] 韩林海. 钢管混凝土结构-理论与实践(第二版) [M]. 北京: 科学出版社, 2007.

[9] 张玉琢, 等. 火灾后配筋圆钢管混凝土柱剩余承载力数值分析[J]. 火灾科学, 2013, 22(3): 147-152.

[10] 刘发起. 火灾下和火灾后圆钢管约束钢筋混凝土柱力学性能研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

[11]LieTT.Fireresistanceofcircularsteelcolumnsfilledwithbar-reinforcedconcrete[J].JournalofStructuralEngineering, 1994, 120(5): 1489-1509.

[12] 吕学涛, 等. 接触热阻对火灾下组合结构构件截面温度场的影响[J]. 自然灾害学报, 2011, 20(5): 111-118．

[13] 吴波, 等. 高温后高强混凝土力学性能的试验研究[J]. 土木工程学报, 2000, 33(2): 8-12．

[14] 李国强, 等. 钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2006.

Axial compression performance of circular tubed reinforced concrete stub columns under fire

WANG Weiwei, REN Qingju, LV Xuetao, MI Zhenwei

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

To study the axial compression performance of circular tubed reinforced concrete(CTRC) stub columns under fire, a finite element (FE) model is established with the software ABAQUS by determining the thermal and mechanical properties of materials. The reliability of the FE model is validated by agreement between the theoretical results and the experimental data. The axial compression performance of the CTRC columns is analyzed based on the FE model, and the parameters investigated include high temperature, concrete strength, steel strength, diameter of cross section and steel ratio. The study reveals that with the increase of temperature, the stress distribution is similar and becomes more uniform. Compared to residual capacity, the temperature has great influence on the axial stiffness of specimens. The material strength has noticeable influence on the residual capacity, and increasing steel ratio can raise the axial stiffness. Simplified formulas are proposed for predicting the evaluating indicators of CTRC columns under fire, which may be a reference for this kind of columns used in practical engineering.

Fire; Circular tubed reinforced concrete; Stub columns; Axial compression performance

2016-06-14；修改日期：2016-09-23

国家自然科学青年基金项目(51208246)；辽宁省教育厅一般项目(LJYL033)

王微微(1980-)，女，讲师，博士，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)-00100-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.06

X932

A