中空夹层钢管混凝土短柱的耐火极限

刘 晓, 卢孟超, 王 兵, 侯东序

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

中空夹层钢管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)是在钢管混凝土的基础上,用内钢管代替部分核心混凝土,形成的具有自重小、抗震性能好、结构承载力大、施工方便、耐火性能好等优点的新型构件[1-2]。中空夹层钢管混凝土由内、外截面形心重合的钢管组成,在钢管夹层中浇筑混凝土共同受力,其不同类型的截面形式如图1所示。中空夹层钢管混凝土短柱在遭受火灾时,外钢管因受热而软化,承载力也有一定程度的降低。核心混凝土可以吸收外钢管传递的热量,同时内钢管对外钢管也能起到一定的支撑作用,使外钢管不会发生整体破坏或局部屈曲。核心混凝土对内钢管具有保护作用,使内钢管在受火时免于高温的影响仍保留着较高的强度。而当核心混凝土被压碎或开裂时,内外钢管又可以反过来对核心混凝土进行约束和保护。

图1 不同截面形式的中空夹层钢管混凝土

许多学者对钢管混凝土长柱的耐火极限进行了相关研究:杨有福等[3]研究认为截面尺寸、构件长细比和防火保护层厚度对圆中空夹层钢管混凝土的耐火极限影响较大;吕学涛等[4-5]研究了单面受火状态下和相对两面受火状态下的钢管混凝土长柱的耐火极限,研究表明,载荷比是影响构件耐火极限的主要参数,载荷比与构件的耐火极限成反比;张玉琢等[6-7]建立了在标准升温曲线下的方中空夹层钢管再生混凝土长柱的有限元模型和方中空夹层钢管混凝土长柱的相邻三面受火模型,同时分析温度场和应力场的变化规律,并对柱的耐火极限公式进行简化计算;张力等[8]研究考虑混凝土取代率作用下的中空夹层钢管再生混凝土长柱的耐火极限,对截面温度进行分析,并得到不同参数对构件耐火极限的影响规律。由于学者对中空夹层钢管混凝土短柱的耐火极限的研究较少,本文对圆套圆形钢管截面和方套圆形钢管截面的中空夹层钢管混凝土短柱耐火极限进行研究,分析截面形式、空心率、载荷比和核心混凝土抗压强度等级等参数对中空夹层钢管混凝土短柱的耐火极限的影响规律。

1 有限元模型

本文利用有限元软件ABAQUS分别建立了圆套圆形钢管截面和方套圆形钢管截面的中空夹层钢管混凝土短柱有限元模型。模型由温度场和应力场2部分组成,即三维顺序热-力耦合模型。首先选择合适的热工参数,建立了中空夹层钢管混凝土短柱在ISO-834标准升温曲线[9]作用下的温度场模型(热分析),然后建立应力场模型进行分析。

1.1 温度场

温度场模型(热分析)由内钢管、外钢管、核心混凝土和盖板4部分组成。控制模型的主要因素为柱的几何尺寸、材料在高温下的性能以及钢管与混凝土之间的热和机械相互作用[10]。模型各部件采用实体单元和壳单元,构件网格尺寸设置为20 mm,网格划分如图2所示。热分析的目的是获得在ISO-834标准火灾条件下柱的温度分布。将ISO-834标准升温曲线作为温度载荷作用于柱的整体,热量传递分为热传导、热辐射和热对流[11],温度场中热辐射和热对流的布置如图2所示。初始温度定义为20 ℃,在模型中选择Edit attributes,在Absolute zero temperature输入-273,在Stefan-Boltzmann constant输入5.67×10-3。

图2 网格划分和温度场边界条件设置

1.1.1 钢材热工参数

对比国内外钢材的温度场模型,此次模拟选取文献[12]的温度场模型。

1) 导热系数

2) 比热容

3) 容重。由于钢材的容重随温度的变化很小,故一般取定值7 850 kg·m-3。

4) 热膨胀系数

抓好整合资金三个方面的重点工作。一是进一步改进和完善广西涉农资金整合政策，积极引导各类涉农资金适当倾斜支持自治区级贫困县，做好政策衔接和资金平衡。

式中,t为温度,℃。

1.1.2 核心混凝土热工参数

1) 导热系数

2) 比热容使用文献[13]修正后的比热

3) 核心混凝土的容重取2 400 kg·m-3。

4) 热膨胀系数

αc=(0.008t+6)×10-6。

式中:ρs、ρc、ρw分别为钢管、核心混凝土和水的容重,kg·m-3;cs、cc、cw分别为钢管、核心混凝土和水的比热,kJ·(kg·℃)-1。

1.2 应力场

应力场模型是在温度场模型基础上创建的,直接对温度场模型进行复制命名,模型操作步骤与温度场基本一致,对其进行力学性能的定义。对构件进行耐火极限计算的关键点是将温度场的节点温度与应力场计算相结合,确保构件温度能准确地传递到应力场分析计算中,应力场分析步的时间长度与温度场分析步的时间长度一样。

2 模型验证

为确保建模计算的正确性,对文献[7]、文献[14-15]中的试件进行模拟验证,试件参数如表1所示。将温度场模型中各部分单元的温度变化趋势和在高温炉进行试验所采集的数据进行分析,把模拟得到的耐火极限-竖向位移曲线与试验得到的曲线进行对比,验证有限元模型建模分析计算与试验结果的吻合情况。

表1 试件参数

图3为文献[7]、文献[14-15]中试验与有限元软件ABAQUS模拟结果的对比曲线,从图中可以看出,模拟计算得到耐火极限-竖向位移曲线与试验数据整理的耐火极限-竖向位移曲线整体趋势相似,耐火极限值相差较小,构件的耐火极限试验值与模拟值分别相差4,1和5 min,结果吻合较好,验证了模型的正确性。

图3 有限元计算结果与试验结果对比曲线

3 温度场分析

以ISO-834标准升温曲线模拟火灾作用下短柱的温度趋势分布,以圆中空夹层钢管混凝土短柱和方中空夹层钢管混凝土短柱为例进行温度场分析,短柱长均为800 mm,内外钢管厚度为3 mm,核心混凝土的抗压强度等级为C40,构件截面尺寸均为200 mm×100 mm,受火时间均为120 min。图4(a)和图4(b)分别为圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土的受火时间-温度曲线,图中测点1为核心混凝土与外钢管内侧的接触点,测点3为核心混凝土与内钢管外侧的接触点,测点2为测点1和测点3的中点,各测点在同一条直线上。从图中可知,各测点的温度随受火时间的增加而上升,各测点温度在受火前期上升较快,后期逐渐趋于平稳。

图4 核心混凝土上不同测量点的温度时间曲线和测点分布

图5(a)为圆中空夹层钢管混凝土中混凝土温度分布情况,混凝土温度从外侧传递到内侧成比例均匀降低,外侧最高温度为1 030 ℃,内侧最高温度达到547 ℃;图5(b)为方中空夹层钢管混凝土中混凝土温度分布情况,温度从混凝土外侧传递到内侧逐渐降低,当温度下降到外侧与内侧两者中点时,温度传递缓慢,最后达到499 ℃。混凝土外侧温度高于内侧温度,是因为受火时混凝土内部含有的水蒸气蒸发减少了大量热量,导致温度传递从外侧到内侧越来越低。

图5 核心混凝土截面温度分布

4 参数分析

在确定内外钢管的长度、厚度和钢材屈服强度保持不变的情况下,分析截面形式、空心率χ(分别为0.31、0.52、0.72)、核心混凝土的抗压强度等级(分别为C30、C40、C50)和载荷比n(分别为0.6、0.7、0.8)4个参数对中空夹层钢管混凝土短柱耐火极限的影响。其中截面形式分为圆套圆和方套圆2种,即圆中空夹层钢管混凝土和方中空夹层钢管混凝土。

4.1 截面形式

改变中空夹层钢管混凝土短柱的截面形式,在空心率为0.31、0.52、0.72情况下得到构件在圆套圆截面(CC)和方套圆截面(SC)形式下的耐火极限,如图6所示。由图6可知,CC构件均比SC构件的耐火极限大,耐火性好。

图6 不同截面形式短柱的耐火极限

常温轴压时,SC构件比CC构件的极限承载力大,当载荷比相同时,对SC构件施加的恒定载荷比CC构件要大,但CC构件比SC构件在火灾下达到破坏所需要的时间长,故圆中空夹层钢管混凝土短柱比方中空夹层钢管混凝土短柱的耐火极限大。

4.2 核心混凝土抗压强度等级

改变中空夹层钢管混凝土中核心混凝土的抗压强度等级,在CC和SC构件载荷比为0.6、0.7、0.8情况下得到构件在不同混凝土抗压强度等级下的耐火极限,如图7所示。从图7(a)可知圆中空夹层钢管混凝土短柱的载荷比为0.6时,构件的混凝土抗压强度等级从C30提升到C40时,构件的耐火极限增加了2 min,混凝土抗压强度等级从C40提升到C50时,构件的耐火极限增加了3 min;从图7(b)可知方中空夹层钢管混凝土短柱的载荷比为0.6时,构件的混凝土抗压强度等级从C30提升到C40时,构件的耐火极限增加了1 min,混凝土抗压强度等级从C40提升到C50时,构件的耐火极限增加了2 min。从图7中还可以看出,载荷比为0.7和0.8时,随着混凝土强度等级的增加,耐火极限变化趋势与载荷比为0.6时的变化趋势一致。由此可见,中空夹层钢管混凝土短柱的耐火极限均随着核心混凝土强度的增加而上升,但耐火极限上升幅度较小。

图7 不同核心混凝土强度等级短柱的耐火极限

4.3 空心率

中空夹层钢管混凝土是由内外钢管和混凝土组合而成,中间有一个空腔,保持外钢管的直径或边长不变,改变空腔的大小即改变内钢管直径的大小,可以得到不同空心率的中空夹层钢管混凝土柱。

改变中空夹层钢管混凝土短柱的空心率,在CC和SC构件混凝土抗压强度等级分别为C30、C40、C50情况下得到构件不同空心率下的耐火极限,如图8所示,从图中可知,当空心率为0.52时,构件的耐火极限最大,当空心率为0.31时,构件的耐火极限最小。由此可见,随着空心率的增大,构件的耐火极限呈先增大后减小的趋势。

图8 不同空心率短柱的耐火极限

当空心率小于0.52时,在相同的载荷比下,空心率越大,构件的极限承载力越小,对构件施加的恒定载荷越小,构件在火灾下达到破坏所需要的时间越长,同时构件截面的含钢率也会增加,内钢管在火灾作用下分担的载荷同样增加,延缓了构件的破坏,故构件的耐火极限增加;当空心率大于0.52时,随着空心率的增加,构件内部混凝土截面面积减小,混凝土吸热能力变差,降低了核心混凝土承担的载荷,钢材在受火作用下损失较小,在一定程度上减少了核心混凝土对构件造成的影响,同时在火灾作用下核心混凝土对内钢管的保护作用减弱,构件的耐火极限反而减小。

4.4 载荷比

改变中空夹层钢管混凝土短柱的载荷比,在CC和SC构件混凝土抗压强度等级分别为C30、C40、C50情况下得到构件不同载荷比下的耐火极限,如图9所示。从图中可知,随着载荷比的增大,构件的耐火极限减小。

载荷比越大,在其他条件保持不变的情况下,对构件施加的载荷越大,中空夹层钢管混凝土短柱在火灾作用下丧失承载力就越快,构件的耐火极限越小,故构件的耐火极限随载荷比的增加而减小。

5 结 论

1) 有限元分析软件ABAQUS建模计算结果与已有试验结果进行对比验证,结果吻合较好,验证了模型的正确性。

2) 在相同的火灾作用下,其他各项参数保持不变,只改变短柱的截面形式,圆中空夹层钢管混凝土比方中空夹层钢管混凝土丧失承载力所需要的时间久,耐火极限大。

3) 中空夹层钢管混凝土短柱的耐火极限随核心混凝土抗压强度等级的增加而增大,其上升幅度不大;构件的耐火极限随载荷比的增大而减小,载荷比是影响中空夹层钢管混凝土耐火极限的主要参数;构件的耐火极限随空心率的增大呈先增大后减小的趋势,当空心率为0.52时,中空夹层钢管混凝土的耐火极限最大,当空心率为0.31时,中空夹层钢管混凝土的耐火极限最小。