帶肋薄壁鋼管混凝土T形柱溫度場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值分析

呂學(xué)濤，徐 倩，麻 輝

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 阜新, 123000)

?

帶肋薄壁鋼管混凝土T形柱溫度場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值分析

呂學(xué)濤*，徐 倩，麻 輝

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院, 阜新, 123000)

為研究高溫下帶肋薄壁鋼管混凝土T形截面柱溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，采用電熱爐進(jìn)行了溫度場(chǎng)試驗(yàn)，進(jìn)而采用ABAQUS有限元軟件建立模型，與試驗(yàn)結(jié)果比較，驗(yàn)證模型的可靠性，在此基礎(chǔ)上，分析了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下構(gòu)件溫度分布規(guī)律，構(gòu)件從受火面到構(gòu)件截面中部，溫度逐漸降低，混凝土溫度較鋼管和鋼筋溫度明顯滯后，且四個(gè)陽(yáng)角溫度高于兩個(gè)陰角溫度。在工程常用范圍內(nèi)，分析了受火時(shí)間、截面尺寸和加勁肋間距對(duì)構(gòu)件溫度場(chǎng)分布的影響，結(jié)果表明：隨著構(gòu)件截面尺寸的增大截面溫度呈明顯降低趨勢(shì)，隨著受火時(shí)間的增加鋼管溫度和混凝土溫度呈不同態(tài)勢(shì)增長(zhǎng)，而鋼筋加勁肋間距變化對(duì)溫度場(chǎng)影響較小。

帶肋鋼管混凝土T形截面柱；溫度場(chǎng)；模型驗(yàn)證；加勁肋；熱傳導(dǎo)

0 引言

近年來(lái)，隨著高性能鋼材在建筑工程中的應(yīng)用，薄壁鋼管混凝土結(jié)構(gòu)受到了更多的關(guān)注。其中鋼管混凝土異形柱，可以避免柱角外露，增加使用空間，具有建筑功能靈活和房間使用質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑中得到了較好的應(yīng)用[1]。研究表明：當(dāng)與普通鋼管混凝土柱截面尺寸相同時(shí)，采用薄壁鋼管可以減少工程造價(jià) 25% 以上[2]。因此，采用薄壁鋼管混凝土異形柱在建筑工程領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，研究表明[3-5]：普通異形鋼管混凝土柱的承載力和延性都遠(yuǎn)低于圓形鋼管混凝土柱。這是因?yàn)槠胀ㄤ摴芑炷廉愋沃募s束效應(yīng)主要集中于角部，角部以外約束效應(yīng)顯著降低，若采用薄壁鋼管，由于鋼管管壁更易發(fā)生局部屈曲，將進(jìn)一步削弱對(duì)核心混凝土的約束效應(yīng)。因此, 改進(jìn)普通異形鋼管混凝土柱的約束效應(yīng)，延緩鋼管的過(guò)早屈曲，進(jìn)而提高其承載力和延性， 是保障鋼管混凝土異形柱充分發(fā)揮其力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬[6-10]，并提出了改善普通鋼管混凝土異形柱力學(xué)性能的有效措施，其中，在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋加勁肋[1,11]就是有效的辦法之一。

目前，未見(jiàn)對(duì)薄壁鋼管混凝土異形柱抗火性能的研究報(bào)道。本文作為研究薄壁鋼管混凝土異形柱的一部分，首先利用電爐進(jìn)行了溫度場(chǎng)試驗(yàn)，并采用ABAQUS軟件建立模型，在驗(yàn)證模型有效性的基礎(chǔ)上，分析了帶肋薄壁鋼管混凝土T形截面柱截面溫度的分布規(guī)律，進(jìn)行了升溫時(shí)間、加勁肋間距、截面尺寸等參數(shù)影響分析，并為后續(xù)薄壁異形鋼管混凝土柱的高溫下的力學(xué)性能研究和耐火極限分析提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

進(jìn)行1根帶肋薄壁鋼管混凝土T形截面柱的溫度場(chǎng)分布試驗(yàn)，T形鋼管由4片薄壁鋼板焊接而成，鋼板厚度2 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，為減緩鋼管在受壓過(guò)程中產(chǎn)生局部鼓曲，在鋼管內(nèi)壁焊接Ф6的鋼筋加勁肋，加勁肋間距為80 mm，構(gòu)件橫截面尺寸如圖1所示，試件實(shí)際受火高度為1800 mm。兩端焊接20 mm厚方形蓋板。在距離上下蓋板200 mm處分別設(shè)置直徑10 mm的圓形散熱孔，以保證構(gòu)件內(nèi)混凝土在升溫過(guò)程中水分的散發(fā)。

在位于距離柱下端板780 mm和1580 mm二個(gè)橫截面上分別布設(shè)熱電偶，每個(gè)截面均設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，具體位置見(jiàn)圖2所示。為測(cè)量混凝土內(nèi)溫度，在澆注試件階段使用電鉆打孔到設(shè)計(jì)深度并安插熱電偶，對(duì)于測(cè)量鋼管表面及陰角處溫度，則提前在鋼管表面焊接L形支架，以便固定熱電偶。

圖1 構(gòu)件截面尺寸圖(單位：mm)Fig.1 Component cross section size (mm)

圖2 熱電偶測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of temperature measuring points

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

為模擬ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，試驗(yàn)過(guò)程中采用裝配式電熱爐對(duì)試件進(jìn)行加熱，在電熱爐不同高度不同位置安裝6個(gè)熱電偶用以監(jiān)測(cè)爐內(nèi)環(huán)境溫度，圖3給出實(shí)測(cè)爐溫與ISO-834升溫曲線對(duì)比情況，其中，T1～T6為各熱電偶實(shí)測(cè)爐溫，由于采用電升溫前期無(wú)法達(dá)到規(guī)定的升溫速率，會(huì)產(chǎn)生一定的升溫延遲；且裝配式電熱爐爐體之間縫隙導(dǎo)致熱量流失，在升溫初始階段實(shí)測(cè)溫度較ISO-834曲線溫度低，總體上，高溫試驗(yàn)爐內(nèi)溫度比較均勻，總體升溫趨勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線吻合良好。

圖3 爐內(nèi)升溫曲線Fig.3 Temperature versus time in test furnace

圖4給出各構(gòu)件的熱電偶溫度-時(shí)間曲線。由圖4可以看出，各測(cè)點(diǎn)隨著升溫時(shí)間的增加而逐步上升，相對(duì)于混凝土測(cè)點(diǎn)，鋼管測(cè)點(diǎn)的升溫速率較高，體現(xiàn)了混凝土熱惰性和鋼材良好導(dǎo)熱性的特點(diǎn)，從局部來(lái)看，構(gòu)件陰角處的鋼管溫度與其他鋼管表面測(cè)點(diǎn)相比，溫度偏低，后期的構(gòu)件有限元模擬也可以驗(yàn)證這一特點(diǎn)。

2 有限元模擬

2.1 基本假設(shè)

薄壁鋼管混凝土T形截面柱在高溫作用下熱量由外界向鋼管混凝土柱截面內(nèi)部傳遞，由于材料的熱惰性，構(gòu)件內(nèi)部將形成不均勻溫度場(chǎng)，并隨升溫時(shí)間的延續(xù)而不斷變化。因此，高溫下薄壁鋼管混凝土T形截面柱的熱量傳遞為瞬態(tài)傳熱，求解截面溫度實(shí)際上是求解截面內(nèi)部的熱傳導(dǎo)方程。為了簡(jiǎn)化計(jì)算和更貼近試驗(yàn)真實(shí)情況，給出以下幾點(diǎn)說(shuō)明：

1)鋼管混凝土構(gòu)件內(nèi)部材料均為各向同性材料，每個(gè)方向熱傳導(dǎo)系數(shù)均相同；

2)混凝土內(nèi)部水分影響：由于混凝土內(nèi)部的水分在100℃左右的時(shí)候會(huì)蒸發(fā)，隨之產(chǎn)生水蒸氣，同時(shí)吸收熱量，在一定程度上會(huì)對(duì)構(gòu)件的截面溫度場(chǎng)分布產(chǎn)生影響，因此假設(shè)混凝土內(nèi)部所含水分質(zhì)量百分比為5%，水分在100℃時(shí)全部蒸發(fā)，且產(chǎn)生的水蒸氣與熱轉(zhuǎn)移無(wú)關(guān)[11]；

圖4 試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results

3)以往采用燃?xì)鉅t試驗(yàn)時(shí)，模擬過(guò)程中常忽略接觸熱阻的影響，通過(guò)大量模擬并參考以往采用相似裝置所進(jìn)行的溫度場(chǎng)試驗(yàn)，采用電熱爐升溫時(shí)接觸熱阻宜取0.01 K·m2/W[12]。

4)采用實(shí)測(cè)爐溫平均值模擬構(gòu)件升溫過(guò)程。

2.2 模型的建立和驗(yàn)證

溫度場(chǎng)模型中，核心混凝土采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體熱分析單元DC3D8，外部鋼管采用殼體熱分析單元S4R，內(nèi)部鋼筋加勁肋采用一維桁架熱分析單元T3D2。

合理確定材料的熱工性能是進(jìn)行構(gòu)件溫度場(chǎng)分析的前提條件，其參數(shù)主要包括：熱傳導(dǎo)系數(shù)、容重、比熱容以及熱膨脹系數(shù)等。近些年國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者，如Lie TT、Kodur、李引擎等對(duì)鋼材和混凝土的熱工性能進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上回歸出熱工性能的表達(dá)式。本文選取Lie和Irwin[13]給出的鋼材和鈣質(zhì)混凝土熱工性能模型。

在火災(zāi)情況下，熱量通過(guò)熱輻射和對(duì)流傳遞給構(gòu)件表面，在構(gòu)件內(nèi)部主要通過(guò)熱傳導(dǎo)方式傳遞。假設(shè)構(gòu)件初始溫度為室溫，取20℃，考慮到電熱爐爐內(nèi)空氣對(duì)流較小而熱輻射較大，參考以往電熱爐相似試驗(yàn)，綜合輻射系數(shù)取0.7[14]，鋼管外表面對(duì)流傳熱系數(shù)為25 W/(m2·℃)。

圖5(a，b)為計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況，其中測(cè)點(diǎn)S-1和測(cè)點(diǎn)S-2分別表示測(cè)點(diǎn)1到測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)6的均值.測(cè)點(diǎn)C-1、測(cè)點(diǎn)C-2和測(cè)點(diǎn)C-3依次表示測(cè)點(diǎn)7和測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)9和測(cè)點(diǎn)10、測(cè)點(diǎn)11和測(cè)點(diǎn)12的均值.此外，還利用本文所建立的模型模擬了文獻(xiàn)[13,14]中試件，如圖5(c～e)所示，總體上，從對(duì)比結(jié)果可以看出計(jì)算值與試驗(yàn)值整體吻合性較好。

2.3 典型溫度場(chǎng)分析

圖6給出了構(gòu)件截面溫度場(chǎng)分布圖，以升溫180 min構(gòu)件截面溫度分布云圖為例，可以看到柱表溫度最高，由柱表向柱里溫度逐漸降低，這是因?yàn)橹硎芑鸷笥捎跓釋?duì)流和熱輻射作用而急速升溫，柱表再把熱量向構(gòu)件截面中心傳導(dǎo)，從而形成了截面溫度分布由外向內(nèi)呈梯度降低的現(xiàn)象。由于T形截面構(gòu)件6個(gè)陽(yáng)角各自相鄰兩面均受火，受火面積相對(duì)較大，高溫區(qū)域面積較大，局部溫度均在1060℃以上；而2個(gè)陰角相鄰混凝土體積相對(duì)較大，其局部溫度僅在921℃～1060℃之間且溫度梯度較大。由此可推知應(yīng)當(dāng)格外加強(qiáng)異形柱各陽(yáng)角的防火保護(hù)。對(duì)比核心混凝土和鋼管溫度，鋼管上點(diǎn)同時(shí)間溫度明顯高于混凝土中的點(diǎn)，這是由于高溫下混凝土中的自由水、結(jié)合水的物理化學(xué)反應(yīng)和混凝土中的水化物和凝膠等物質(zhì)發(fā)生分解需要吸熱，造成了溫度上升滯后。

圖5 模擬計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.5 Comparison between computed and test results

鋼筋加勁肋鋼的溫度場(chǎng)相對(duì)其中心點(diǎn)基本呈對(duì)稱分布，與柱表面連接處的溫度均在1036℃以上，明顯高于位于混凝土中部分的溫度，沿兩端向中心逐漸降低，且鋼筋加勁肋中點(diǎn)溫度都在732℃以下，其最低溫度為701℃，較混凝土截面上最低溫度值634℃高，且橫向鋼筋加勁肋及其臨近混凝土的溫度高于其他位置混凝土，這是由于鋼筋導(dǎo)熱性能優(yōu)于混凝土，鋼筋升溫較快，同時(shí)將熱量傳遞給周邊混凝土。

3 參數(shù)分析

3.1 升溫時(shí)間

提取上述算例典型位置溫度：c-1～c-3為混凝土內(nèi)點(diǎn)，s-1～s-3為鋼管上點(diǎn)，b-1～b-3為鋼筋上點(diǎn)，各點(diǎn)具體位置如圖7所示。

圖7 截面溫度測(cè)點(diǎn)分布圖Fig.7 The distribution of measuring points

通過(guò)圖8中各點(diǎn)溫度時(shí)間關(guān)系曲線(Tc、Ts、Tb分別代表混凝土、鋼管和鋼筋溫度，如無(wú)特殊說(shuō)明，下同)可見(jiàn)：升溫時(shí)間對(duì)截面溫度影響較大。截面溫度隨升溫時(shí)間增大而升高，且受火初期鋼管溫度升高較快，而混凝土則相對(duì)較慢；后期鋼管溫度升高速率逐漸減緩，而混凝土溫度升高速率加快。此現(xiàn)象與ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線初期升溫快而后期相對(duì)較慢有關(guān)。另外，由于鋼筋是內(nèi)嵌在混凝土中，其與周圍混凝土接觸面積較大，熱傳遞比較充分，所以鋼筋的前、后期升溫特征與混凝土較為相似。

圖8 各測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線圖Fig.8 Temperature-time curve of measuring points

3.2 加勁肋間距

對(duì)構(gòu)件設(shè)置加勁肋間距s=80 mm、100 mm、120 mm和140 mm分別進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算。由圖9可以看到各測(cè)溫點(diǎn)處溫度分布基本相同，可見(jiàn)加勁肋間距對(duì)構(gòu)件溫度場(chǎng)影響較小，一般可以忽略不計(jì)，這是因?yàn)椋m然鋼材導(dǎo)熱性好，但加勁肋由于截面面積的限制，給混凝土輸送的熱量有限，就構(gòu)件整體來(lái)說(shuō)，影響微弱。

圖9 升溫180 min加勁肋間距影響Fig.9 Effects of distance of steel bar stiffeners

3.3 截面尺寸

圖10(a)和圖10(b)分別給出構(gòu)件截面尺寸和構(gòu)件截面溫度場(chǎng)布置，同樣采用等肢T形柱分析截面尺寸對(duì)構(gòu)件溫度場(chǎng)的影響，其參數(shù)選取如下：肢厚分別取b=70 mm、90 mm、110 mm、130 mm；肢高肢厚比分別取h/b=2.0、2.5、3.0、3.5。

圖10 構(gòu)件設(shè)計(jì)圖Fig.10 The diagram of columns

從180 min不同截面尺寸構(gòu)件溫度場(chǎng)分布圖(圖11)結(jié)果可以看出：當(dāng)控制肢厚b不變時(shí)，所選測(cè)點(diǎn)溫度隨肢高肢厚比h/b的增大變化幅度很小或基本保持不變；當(dāng)控制肢高肢厚比h/b不變時(shí)，所選測(cè)點(diǎn)溫度隨著肢厚b的增大呈逐漸降低趨勢(shì)且降低值很明顯?？梢?jiàn)肢厚b對(duì)構(gòu)件截面溫度場(chǎng)分布影響比肢高肢厚比影響要大得多，且隨著肢厚b的增大而降低。另外，對(duì)比圖11(e)、圖11(f)、圖11(g)、圖11(h)可見(jiàn)，肢厚b對(duì)核心混凝土和鋼筋加勁肋中心溫度的影響幅度較鋼管溫度影響幅度大。由于鋼管表面直接受火，而核心混凝土和鋼筋加勁肋中心主要通過(guò)熱傳導(dǎo)受熱，出現(xiàn)升溫滯后現(xiàn)象，且隨著截面尺寸的增大其升溫滯后的程度就越大。

4 結(jié)論

(1)本文合理選取鋼材和混凝土熱本構(gòu)模型，建立的有限元分析模型與試驗(yàn)值吻合良好。

(2)帶肋薄壁鋼管混凝土T形截面柱的溫度由柱表到柱里升溫呈現(xiàn)明顯的滯后現(xiàn)象，且混凝土中溫度的滯后程度比鋼筋要高；鋼管中溫度普遍較高且截面陽(yáng)角溫度要高于陰角，應(yīng)加強(qiáng)鋼管尤其是鋼管陽(yáng)角的高溫保護(hù)。

(3)升溫時(shí)間和截面尺寸是影響此類構(gòu)件溫度場(chǎng)的最主要因素，鋼筋加勁肋間距取值在80 mm～140 mm對(duì)構(gòu)件溫度場(chǎng)分布影響較小。

圖11 不同截面尺寸構(gòu)件溫度場(chǎng)分布圖Fig.11 Temperature distribution of different cross sizes

[1] 楊遠(yuǎn)龍. T形組合柱力學(xué)性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011: 5-11.

[2] 周繼忠, 等. 帶肋薄壁和普通方鋼管混凝土柱的經(jīng)濟(jì)性比較[J]. 福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2008, 36(4): 598-603.

[3] Sakino K, et al. Behavior of centrally loaded concrete-filled steel tube short columns[J]. Journal of Structural Engineering, 2004, 130(2):180-188.

[4] Mao XY, Xiao Y. Seismic behavior of confined square CFT columns[J]. Engineering Structures, 2006, 28(10):1378-1386.

[5] Yu ZW, et al. Experimental behavior of circular concrete steel tube stub columns[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2007, 63(2): 165-174.

[6] 蔡健， 孫剛. 軸壓下帶約束拉桿L形鋼管混凝土短柱的試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2008, 41(9): 14-20.

[7] 徐禮華, 等. 組合T形截面鋼管混凝土柱正截面受壓承載力試驗(yàn)研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2009, 42(6): 14-21.

[8] 王丹, 呂西林. T形、L形鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2005, 26(4): 39-44, 106-111.

[9] 林震宇, 等．L形鋼管混凝土軸壓短柱力學(xué)性能研究[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展, 2009, 11(6): 14-19.

[10] 楊遠(yuǎn)龍, 等. 鋼筋加勁T形截面鋼管混凝土柱抗震性能試驗(yàn)研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào), 2012, 33(4): 104-112.

[11] 毛小勇, 等. 標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下PEC柱耐火極限理論分析及簡(jiǎn)化計(jì)算[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(1):45-49.

[12] 王景玄, 等. 考慮火災(zāi)全過(guò)程的鋼管混凝土組合框架力學(xué)性能初步研究[J]. 防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(1): 84-88.

[13] Lie TT,Irwin RJ. Fire resistance of rectangular steel columns filled with bar-reinforced concrete[J]. Journal of Structural Engineering, 1995, 121(5): 797-805.

[14] 曾翔. 火災(zāi)全過(guò)程作用后鋼管混凝土柱滯回性能試驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙：湖南大學(xué), 2009: 39-53.

Temperature distribution analysis of T-shaped concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners

LV Xuetao， XU Qian， MA Hui

(College of Engineering and Architecture, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

A test was conducted and a numerical model was established with the software ABAQUS to study the temperature distribution in T-shaped concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners under standard fire. The reliability of the approach was validated by the good agreement between the theoretical results and the experimental data at elevated temperatures. The conclusion is that: the temperature decreases along the path from the surfaces under fire to the center of the cross-sections, and the increase of temperature delays in the concrete drastically. Besides, the temperature of external corners is higher than that of internal corners. Based on the finite element model, a developed parametric analysis was undertaken, in which time, cross- sectional dimensions, the distance of steel bar stiffeners are considered. The analysis indicates that larger cross-section leads to lower temperature of the cross-section, and as the increasing of the time the temperature of tubes and concrete rises at different speeds, however, the different rebar spacing of steel bar stiffeners has tiny effects on the temperature of columns.

T-shaped concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners; Temperature field; Model verification; Steel bar stiffener; Heat conduction

2016-01-14；修改日期：2016-03-04

國(guó)家自然科學(xué)青年基金(51208246)；遼寧工程技術(shù)大學(xué)拔尖人才提升計(jì)劃(20130309)。

呂學(xué)濤(1979-)，男，河北保定人，博士，講師，主要從事鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火性能研究。

呂學(xué)濤, E-mail:lxtwww30@sina.com

1004-5309(2016)-00079-08

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.02.04

TU352.5；X932

A