相对两面受火下的加劲薄壁方钢管混凝土中长柱抗火性能研究

2022-10-09吕学涛郑致远

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2022年5期

吕学涛，刘鑫，郑致远

（佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山 528225）

钢管混凝土构件由于强度高、刚度大、延性好等良好的特点［1-3］，近年来在建筑工程及桥梁工程之中有着大量的应用［4］。加劲薄壁钢管混凝土组合结构是以传统钢管混凝土组合结构为基础，在内部添加横向钢筋加劲肋的一种新型结构。加劲肋的设置改变了钢管的屈曲模态，在一定程度上缓解了钢管由于局部变形对结构受力性能损失的影响。火灾作为世界上最普遍、最经常的主要灾害之一，近年来钢管混凝土柱在火灾下的抗火性能已有大量报道，郑永乾［5］等人编制了相关程序并将计算结果与实验结果对比来验证程序的正确性，从而得到轴压比等参数对构件耐火极限的影响。王微微［6］等人为了研究火灾下带肋薄壁L 形钢管混凝土柱的抗火性能，通过ABAQUS 有限元软件建立带肋薄壁L 型钢管混凝土柱温度场模型，在模型合理的基础上分析受火时间等相关参数对构件温度分布的影响。王微微［7］等人为了研究火灾下带肋薄壁钢管混凝土柱的温度分布情况进行了3 根足尺带肋薄壁方钢管混凝土柱升温试验，通过ABAQUS 有限元软件建立方钢管混凝土柱温度场模型，在模型合理的基础上分析了影响温度场的相关参数并得到其影响规律。吕学涛［8］等人为研究火灾下带肋薄壁T 形截面钢管混凝土柱温度场的分布规律，通过ABAQUS 有限元软件建立了带肋薄壁T 型截面钢管混凝土柱温度场模型，在模型可靠的情况下分析了ISO-834 标准火灾作用下构件的温度分布规律。带肋薄壁钢管混凝土均匀受火下关于短柱的抗火性能，前人已经进行过大量的研究，但对于中长柱在非均匀受火状态下则研究较少。而在实际工程中，构件在火灾下常处于非均匀受火状态，其截面温度梯度分布不同于均匀受火，不同的受火边界条件可以不同程度地改变构件的整体温度并产生附加偏心距，进而对构件的受力机理与抗火性能产生一定影响。为了合理评估构件在火灾作用下的损伤程度，并为此类构件在之后的修复加固上提供建议，本文在前人的基础上对加劲薄壁方钢管混凝土中长柱在相对两面受火状态下的抗火性能展开研究。钢管外壁使用冷弯薄壁型钢，钢管内部则设置横向十字形加劲肋。通过ABAQUS 有限元软件建立构件在标准火灾作用下的理论分析模型，并对构件的耐火极限进行参数分析。

1 有限元模型建立与验证

1.1 温度场建模

混凝土和钢材的热工参数模型采用LIE［9］所建议的。构件外部的热量传播形式为热辐射与热对流，内部热量传播形式为热传导。设置构件环境的初始温度T0=20 ℃，按第三类边界条件来确定构件与外界的热交换，受火面和背火面对流传热系数分别取25 W/（m2·℃）-1和9 W/（m2·℃）-1，综合热辐射系数取0.5。钢筋与钢管以及混凝土与钢筋之间均采用Tie 约束，混凝土设置为8 节点三维热分析实体单元DC3D8、钢筋设置为2 节点索单元DC1D2，钢管设置为4 节点热分析壳单元DS4，网格采用结构化划分技术。将文献［10］中温度场实测结果（图中test）与所建立的温度场有限元模型（图中FE）进行对比验证，图1 为部分测点的实验值与有限元模拟结果对比曲线图，试件参数见表1。由图1 可见两者吻合度较高，有限元模型可以准确的预测构件在火灾环境下的温度变化情况。

图1 温度场模型验证

表1 文献［11，14，15］的试件参数

1.2 力学场建模

钢筋和钢管的本构参考LIE［11］，混凝土的本构关系参考文献［12］并采用塑性损伤模型。力学场中钢管设置为4 节点壳单元S4R，钢筋设置为2 节点三维桁架单元T3D2，混凝土设置为8 节点三维实体单元C3D8R，力学场的网格划分与温度场保持一致。因混凝土相比于钢管刚度更大，所以将混凝土设置为主面，钢管设置为从面，设置法向接触力为“硬接触”（“Hard Contact”）。设置库伦摩擦模型并参考刘发起［13］的建议，摩擦系数在常温下取0.6，火灾下取0.3。钢筋与钢管之间设置为绑定约束（Tie），钢筋与混凝土之间采用嵌入约束（Embedded Region）。考虑构件的初始缺陷，并设置为柱长的1/1 000。为验证模型的合理性，将模拟结果（FE）与文献［14］和文献［15］的实验结果（test）进行对比分析，试件参数见表1，对比结果如图2 所示，由图2 可见力学场模型可靠。

图2 力学场模型验证

2 典型算例分析

2.1 温度场分析

计算了受火时间45 min 的加劲薄壁方钢管混凝土中长柱温度场典型模型，试件长度L=2 000 mm,截面尺寸B=300 mm，钢筋直径d=6 mm，钢管厚度ts=2 mm。

由图3 可知，因为受火形式为相对两面受火，受火边界双轴对称，则导致截面温度分布也呈双轴对称分布。混凝土温度明显低于外部钢管，从外部钢管到混凝土中心，截面温度梯度变化越来越缓慢，最低温度出现在混凝土中心位置，这与混凝土的导热系数比钢材低有关，温度最高位置出现在外钢管受火面区域，最高温差超过800 ℃。

图3 试件跨中截面温度分布

2.2 耐火极限分析

根据上节的参数设置，建立构件火灾下力学场典型算例模型，荷载比n 取0.6、混凝土强度等级取C40、钢管屈服强度等级取345 MPa、钢筋屈服强度等级取300 MPa，荷载偏心率e/ra取0。然后对相对两面受火下加劲薄壁方钢管混凝土中长柱进行顺序热力耦合分析。图4 为混凝土跨中截面在不同时刻下的纵向应力分布云图。由图可见：t=10 min 时，由于混凝土受火导致材料劣化，混凝土温度梯度分布呈现从外部到截面形心依次递减趋势，所以混凝土劣化程度也呈从外部到中心依次递减趋势，应力较大处出现在混凝土中心附近位置，并从中心附近位置向两边递减。t=25 min 时，受火面混凝土继续劣化，混凝土纵向应力降低，混凝土纵向应力梯度逐步增加。t=60 min 时，混凝土受火劣化严重，中心位置应力最高，其他区域应力明显低于中心区域，构件趋近破坏。

图4 混凝土跨中截面纵向应力分布云图

3 参数分析

通过对相关文献的阅读，总结出对加劲薄壁方钢管混凝土中长柱耐火极限产生影响的参数，结果发现火灾作用下，计算长度L、含钢率αs、截面尺寸B、荷载比n、钢管屈服强度fy等会对构件的耐火极限产生一定的影响，采用本文建立的ABAQUS 有限元模型分析上述参数对构件耐火极限的影响规律。

3.1 截面尺寸

图5 为截面尺寸对相对两面受火下加劲薄壁方钢管混凝土中长柱耐火极限的影响。由图可见：在荷载比保持不变的情况下，构件的耐火极限随截面尺寸的提高而显著增大。这是因为混凝土具有热惰性，截面尺寸的增加导致核心混凝土面积的增大，构件的吸热能力明显增强。以荷载比n=0.6 为例，截面尺寸以200 mm 为基准，增加到300 mm 时耐火极限提高了62.6 %，增加到400 mm 时耐火极限提高了120.6 %，增加到500 mm 时耐火极限提高了136.4 %。可见截面尺寸对构件耐火极限提高非常明显,并且随截面尺寸的增大，构件的耐火极限增大的程度变缓。

图5 截面尺寸的影响

3.2 含钢率

图6 为含钢率对相对两面受火下加劲薄壁方钢管混凝土中长柱耐火极限的影响。由图可见：在荷载比保持不变的条件下，随着含钢率的增加，构件的耐火极限呈线性增加趋势。这是因为钢管厚度的增加可以有效的增大钢管的抗弯刚度，从而使钢管对核心混凝土具有更好的约束作用，因此可以有效的提高构件的耐火极限。以荷载比n=0.6 为例，含钢率αs从2.67 %增加到4.04 %时，耐火极限提高了38.2 %，含钢率从4.04 %增加到5.4 %时，耐火极限提高了9.8 %，含钢率从5.4 %增加到6.7 %时，耐火极限提高了3.6 %。

图6 含钢率的影响

3.3 荷载比的影响

图7 为荷载比对相对两面受火下加劲薄壁方钢管混凝土中长柱耐火极限的影响。由图可见：钢管屈服强度不变的情况下，构件的耐火极限随荷载比的增加而急速下降，以钢管屈服强度fy=345 MPa 为例，荷载比n 由0.5 提高到0.6 时，耐火极限下降了17.8 %，荷载比由0.6 提高到0.7 时，耐火极限下降了44 %，荷载比由0.7 提高到0.8 时，耐火极限下降了36.3 %。

图7 荷载比的影响

3.4 计算长度

图8 为计算长度对相对两面受火下加劲薄壁方钢管混凝土中长柱耐火极限的影响。由图可见：构件的耐火极限随计算长度的增大而降低。这是因为相对两面受火下构件截面温度呈双轴分布，热膨胀变形不产生附加侧向挠度，可以认为构件处于轴心受压状态，因此计算长度的增加使得构件的长细比相应的增加，导致其稳定承载力下降，相应构件的耐火极限也会越低。以荷载比n=0.7 为例，计算长度从2 000 mm 增大到2 400 mm 时，其耐火极限下降11 %，计算长度从2 400 mm 增大到2 800 mm 时，其耐火极限下降了5.7 %。