基于钢混组合柱构件的耐火性分析

周晓勇

摘要：钢混组合柱构件的耐火性关系着相关建筑的消防安全，所以针对钢混组合柱构件的耐火性进行研究十分有必要。本文基于笔者的研究时间，对不同防火保护层的钢混组合柱构件的耐火极限进行了实验研究，最终以蒸压轻质混凝土板为保护层的钢混组合柱构件耐火性表现最好，所以蒸压轻质混凝土板更适合作为钢混组合柱构件的防火层来进行使用。

关键词：钢混组合柱构件;有限元分析;耐火性

钢混组合柱构件是一种用途广泛的建筑构件，其自身承载能力强，延展性好等优势，但也有明显的缺点，最为突出的就是钢混组合柱的耐火性较差，所以钢混组合柱在使用的过程中通常会加设防火保护层掺入耐火钢来提高钢混组合柱构件的耐火性。本文主要就钢混组合柱构件的耐火性进行分析，针对防火保护层的厚度和种类进行模型分析和对比，最终找出适合钢混组合柱构件的防火保护层。

1 方钢管混凝土组合柱概述

1.1 原料

本次研究所选择的钢混组合柱构件是L型钢管混凝土组合柱4根，试件的防火保护层均有不同，在此以1、2、3、4标号。防火保护层分为厚涂型防火涂料和蒸压轻质混凝土板，其中厚涂型防火涂料的厚度为400kg·m-3，导热系数为0.116W·m1·℃-1，比热容为1047J· kg-1.℃-1;蒸压轻质混凝土板的厚度为600kg· m-3，导热系数为0.170W.m-1.℃ -1，比热容为1700J· kg-1.℃-1。符合国家GB/T97762008钢混组合柱以及其他相关的国家标准。

其中1号为无防火涂层，2号为厚涂型防火涂料，3号为蒸压轻质混凝土板，4号为厚涂型防火涂料加蒸压轻质混凝土板。

1.2 温度场模型

利用相关软件建立温度场模型，对流系数依照试验情况设定为25W/ （m2· K），防火板和钢管的表面辐射系数设定为0.8和0.5，各个部分之间的接触热阻忽略，设定为各部分之间热量处于完全传递的状态。依照不同部分特性，本次设计的钢混结构柱模型采用网格划分，混凝土针对其特性采用8结点线性热传递实体单元DC3D8，钢管针对其特性采用4结点线性热传递壳单元DS4。

1.3 方法

钢材采用高温下钢材应力 应变关系与热膨胀模型，混凝土采用混凝土瞬态热应变计算式。利用ABAQUS进行顺序热力耦合分析，钢材采用理想弹塑性模型，满足vonMises屈服准则，混凝土采用塑性损伤模型。钢管与混凝土之间法向采用硬接触，切向采用库仑摩擦。对钢管混凝土，建议摩擦系数μ可取0.2 - 0.6，考虑高温作用，本文取界面摩擦系数为0.3。端板与混凝土之间采用硬接触。两侧端板边界条件设置为铰接。钢材采用SR4单元，混凝土采用C3D8R单元。

2 耐火性分析

经过试验，测得1号试件的耐火极限为62，其计算值为64;2号试件的耐火极限为80，其计算值为82;3号试件的耐火极限为169，共计算值为184;4号试件的耐火极限为169，其计算值为184.

根据实验过程，笔者认为无防火保护的钢混组合柱构件很好的反映了先膨胀再收缩的变形规律。四个构件刚开始均对高温产生了一定耐性，

在升温初期，柱膨胀变形的计算值较试验值略小，原因在于试验过程中对炉温的控制无法完全按照既定的标准升温曲线进行升温，试验中实际炉温要比标准升温曲线高，从而导致膨胀变形的试验值偏大。

过了一段时间后，采用有限元计算试件的耐火极限，对于1号，2号两根试件，其耐火极限的计算值和实测值基本一致。对于有防火保护的3号试件和4号试件，其耐火极限计算值较试验值偏大，原因在于进行有限元分析时，无法模拟出实际试验过程中防火涂料保护层在高温作用下发生的裂缝、剥落等损伤，有限元计算出的耐火极限值偏大。

在升溫后期：对于文献3号中的L形方钢管混凝土组合柱试件，在3h后的轴向变形极小，仅为0.65mm。同时，有限元计算得到的压缩变形量也较小，轴向位移与实测值基本吻合。由于试验条件限制，该试验进行至3h后终止，故其后位移情况仅为有限元模拟结果。

4号试件耐火极限计算值与试验值的对比情况可知，有限元分析方法具有一定的可靠性与合理性，对无防火保护的钢管混凝土柱，耐火极限计算误差较小，最大误差为3.1%;而对于有防火保护的钢管混凝土柱，其耐火极限计算值比实测值偏大9%左右，两者都在工程应用允许的合理误差范围之内。同时组合柱的耐火极限随着轴压比增大而减小。

3 结语

根据实验可知3号和4号钢混组合柱构件的耐火性表现最后，但是3号钢混组合柱构件所用的材料比4号更为节约，所以根据本次实验笔者认为3号的钢混组合柱构件的耐火性表现最好，所以蒸压轻质混凝土板更适合作为钢混组合柱构件的防火层来进行使用。

参考文献

[1]张新，罗俊礼，徐志胜，倪天晓，彭锦志，谢宝超，带上盖物业地铁车辆段盖板结构耐火性能研究[J].铁道科学与工程学报，2018（04）：986-994.

[2]陈万昊，齐国强，李腾，谈钢混凝土组合结构耐火性[J].山西建筑，2015（04）： 25-26.