圆钢管混凝土柱外伸端板框架耐火性能研究

2022-06-24董亚超曹仕君

四川建材 2022年6期

董亚超，曹仕君

(苏州科技大学，江苏苏州 215000)

0 前言

空心钢型材(HSS)柱与开放型钢相比具有更高的抗扭刚度和更好的屈曲强度，截面内部的混凝土通过增加构件的强度来防止钢管局部弯曲，以增强结构性能。同时，钢管能够有效限制混凝土变形，提高混凝土强度和刚度。因此，由于两种材料的共同作用，钢管混凝土柱CFT的优势已得到广泛证明。并且由于材料的减少，不论从美学角度还是从经济角度考虑，钢管混凝土柱对于设计者来说都更具吸引力[1]。

结构设计人员已经对CFT的性能进行了大量研究。但是由于数据的缺乏以及对其定义的了解不够深入，如何把梁成功与柱连接成为一个难题。连接类型的选择取决于每种特殊情况所需的结构特性。不同于承受地震作用，它通常设计成一种支持剪切荷载，并且能够极为灵活地适应梁的转动的连接节点，这种连接方式也称为半刚性连接。半刚性连接按构造可以分为：①顶底角钢连接；②平齐端板连接；③外伸端板连接；④T型件连接[2]，本文采用是外伸端板连接。在实际施工中，钢管内部由于是半封闭截面，除了焊接的手段，目前应用较多是一种单边螺栓结构，它可以实现单侧安装、单侧拧紧功能，可以实现不破坏钢管的前提下完成安装，并且高强螺栓预先设置扭矩，使得最终节点处的质量具有稳定性，与焊接相比，单边螺栓连接减少了大量的人工成本，缩短了施工周期。有效减少安装时间，节约焊接成本，同时避免维护问题[3]。

目前，国外使用的钢构件连接单边螺栓主要包括：美国的BOM、HSBB、Ultra-Twist螺栓，荷兰的Flowdrill螺栓，日本的TCBB螺栓，英国的Hollo-Bolt、RMH、EHB、Molabolt、BlindBolt螺栓，澳大利亚Ajax ONESIDE螺栓等[4]。

Hollo-Bolt 及其改进型螺栓(以下简称HB螺栓)的构造简单、施工方便、传力机理明确，笔者主要针对此类螺栓连接框架开展研究，如图1所示。

图1 Hollo-Bolt螺栓

鉴于以上综述，可以发现单边螺栓结构很好地应用于各类结构与钢管混凝土柱连接中，目前也得到了广泛的应用，但是由单边螺栓节点组成的钢管混凝土框架在高温下力学性能和破坏机理研究鲜有报导，由于钢材热传导系数较高，升温迅速且在600℃以上材性退化明显，而单边螺栓连接的钢管混凝土框架含钢率较高，高温下，框架的破坏模态和影响框架耐火极限的参数都需要通过有限元分析模型来进行更深入的研究。

1 有限元模型

1.1 模型建立

模型以整体结构中典型单层单跨单榀框架为研究对象，详细尺寸见图2。试件的柱截面为圆形钢管截面，直径为200 mm，强度为Q345，柱子内部浇筑混凝土采用C50，试件的梁截面采用H型钢，等级为Q235。钢梁和端板之间采用焊接方式，端板等级同梁，梁柱之间采用单边螺栓连接，类型为M16(8.8级)。考虑楼板的吸热作用，每榀框架均考虑了混凝土板，板宽600 mm，板厚80 mm，板中钢筋采用HRB400E，纵向钢筋6根间距90 mm，直径10 mm；分布钢筋27根，间距70 mm，直径10 mm。钢梁上焊接双排52根10 mm×60 mm ML15型栓钉，沿梁长方向间距70 mm，垂直于梁长方向，间距为50 mm。防火涂料为厚涂型非膨胀涂料，导热系数为λ=0.097 W/(m·K)，密度为400 kg/m3，比热为c=1.047×103 J/(kg·K)，内部混有碳纤维加固。

图2 钢管混凝土框架(单位：mm)

1.2 几何模型

对于装配式圆钢管混凝土柱钢梁单边螺栓连接框架的热-力耦合分析，首先计算标准升温曲线下，框架的温度场分布，再将其计算结果导入力学分析中。各部件按照实际尺寸进行几何建模，各部件划分网格方式按照结构和扫筋，其中带螺栓孔的端板和钢管均采用扫筋中性轴算法，实际结果较好。有限元分析时，混凝土、钢梁、单边螺栓、端板、钢管均采用DC3D8实体单元，混凝土板内的钢筋采用T3D2桁架单元，栓钉采用B31梁单元。其中值得注意的是，单边螺栓根据其实际情况建模，但为了计算更好收敛，将两个垫圈转化为曲面形式，使其与钢管和端板完全贴合。

1.3 边界条件

框架的初始温度为20℃，根据欧洲规范，受火面的对流换热系数取25 W/(m2·K)，非受火面的对流换热系数取9 W/(m2·K)[5-6]，混凝土和钢材表面的综合辐射系数取0.7，升温曲线采用ISO834曲线[7]，两边柱底部采用固定约束条件，顶部与一块260 mm×20 mm的圆形端板固定约束，梁在混凝土板跨中位置设置一块100 mm×210 mm的矩形端板，分别在端板上施加对应荷载比的均布荷载。

1.4 界面接触

在进行温度场分析时，钢管和混凝土、钢管和端板、螺栓和混凝土、钢梁和端板、钢筋和混凝土、栓钉和混凝土、混凝土板和钢梁的接触均采用“Tie”方式。

在进行力场分析时，单边螺栓和混凝土界面接触采用“Embed”方式，栓钉和混凝土板接触采用“Embed”方式，与钢梁接触采用“Tie”方式，环形端板和钢梁接触采用“Tie”方式，钢筋和混凝土板接触采用“Embed”方式，整体模型除以上界面，其余接触均采用法向“硬接触”，切向采用库伦摩擦模型，界面摩擦系数取0.6。

2 模拟结果

2.1 影响框架抗火参数

本文研究含钢率、保护层厚度、荷载比、端板厚度对装配式圆钢管混凝土框架耐火极限的影响。

2.2 荷载比

本文设钢管壁厚为8 mm，CFT柱直径为200 mm，端板厚度为8 mm，保护层为20 mm。荷载比梯度设置为0.2、0.4、0.6、0.8。由分析结果可知火灾荷载比对框架跨中挠度变形曲线影响较大。随着荷载比的增加，框架应力场增大，由刚开始的梁破坏转为柱破坏，其达到耐火极限时间由179 min降低为63 min。

2.3 含钢率

根据有关研究，对于同类型节点，增大柱壁厚度可有效提高节点的承载能力和刚度，故本文设钢管厚度梯度为1、3、5、7、9 mm，荷载比为0.1，端板厚度为8 mm，保护层厚度为0 mm。从分析结果可以得知，含钢率对框架柱火灾下压缩变形曲线影响明显，随着钢管厚度不断减小，圆钢管混凝土框架耐火极限不断减小，从37 min减小为12 min。值得注意的是，当含钢率减小时，其膨胀变形量也在不断减小，直至钢管厚度达到3 mm和1 mm时，由于柱截面含钢率较小，其膨胀变形与压缩变形抵消后接近为0。

2.4 端板厚度

本文设置端板厚度梯度为6、8、10、12 mm，荷载比为0.4，钢管壁厚为8 mm，保护层厚度20 mm。由分析结果可以看到，端板厚度对于框架跨中挠度变形时间曲线影响较小，当端板厚度由6 mm依次增加至12 mm，耐火极限依次增加14、9、5 min，其增长幅度逐渐减小。总体来说，端板厚度增加，对圆钢管混凝土框架耐火极限影响较小，增长幅度不明显。

2.5 保护层厚度

防火涂料依据防火机理可分为膨胀型和非膨胀型，依据其厚度可分为厚涂型防火涂料、薄涂型防火涂料和超薄型防火涂料[7]，厚度依次为8～50、3～7、0～3 mm，本文设置8、12、16、20、24、28 mm防火涂料厚度梯度，研究防火涂料厚度对装配式圆钢管混凝土框架耐火极限的影响，并设置荷载比为0.2和0.4两个梯度，钢管壁厚和端板厚度都为8 mm。由分析结果可知，当厚涂型防火涂料厚度为8、12、16 mm时，其耐火极限增长幅度较小，荷载比为0.2时，其耐火极限增加9 min和17 min，荷载比为0.4时，其耐火极限增加11 min和15 min。在相同保护层厚度条件下，荷载比增大后，其耐火极限也相应减小，符合不同荷载比对装配式圆钢管混凝土框架耐火极限影响的参数分析结果，即荷载比增加，框架应力场增大，装配式圆钢管混凝土框架达到耐火极限时间也越短。