非均勻火災(zāi)作用下方形鋼管混凝土短柱剩余承載力研究

焦 東

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

非均勻火災(zāi)作用下方形鋼管混凝土短柱剩余承載力研究

焦 東*

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

為研究非均勻火災(zāi)作用下方形鋼管混凝土短柱剩余承載力，在合理采用鋼材和混凝土本構(gòu)關(guān)系的前提下，基于ABAQUS建立了火災(zāi)后鋼管混凝土柱相繼熱力耦合分析模型，并依據(jù)試驗數(shù)據(jù)驗證模型有效性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了單面、相對兩面受火狀態(tài)下方形鋼管混凝土短柱的軸壓工作機(jī)理分析和參數(shù)分析，結(jié)果表明：受火方式對構(gòu)件溫度場及受力機(jī)理影響較大；受火時間、截面邊長、防火保護(hù)層厚度是構(gòu)件非均勻受火后剩余承載力的主要影響參數(shù)。在工程常用范圍內(nèi)，回歸了兩種受火方式下方鋼管軸壓短柱剩余承載力影響系數(shù)計算公式，可為該類構(gòu)件在火災(zāi)后的修復(fù)提供參考。

鋼管混凝土；短柱；非均勻受火；剩余承載力

0 引言

鋼管混凝土結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好、經(jīng)濟(jì)效益高和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，隨著其相關(guān)理論研究不斷充實，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在高層建筑中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。由于建筑結(jié)構(gòu)朝著復(fù)雜化、使用多樣化的方向發(fā)展，使得火災(zāi)安全隱患日益增多，因此火災(zāi)后鋼管混凝土柱剩余承載力和加固修復(fù)研究具有重要意義。國內(nèi)對于鋼管混凝土柱火災(zāi)后剩余承載力研究已有豐厚成果：韓等[1- 2]進(jìn)行了圓形、矩形鋼管混凝土柱火災(zāi)后剩余承載力的試驗研究，結(jié)果表明火災(zāi)后鋼管混凝土的承載力損失嚴(yán)重，與常溫下的承載力相比，長細(xì)比越大，構(gòu)件火災(zāi)后承載力的損失率越高，并基于相關(guān)參數(shù)分析，提出了均勻受火方式下鋼管混凝土柱剩余承載力實用計算方法。余和陶[3]進(jìn)行了中空夾層鋼管混凝土軸壓短柱火災(zāi)后剩余承載力研究，結(jié)果表明在空心率相同的情況下，方套圓截面形式的試件其剩余承載力最高，而圓套圓截面形式的試件其延性最好。李和王[4]通過采用有限元軟件對火災(zāi)全過程中方鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行了機(jī)理分析，并提出了方鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力簡化計算公式。張等[5]進(jìn)行了配筋鋼管混凝土短柱火災(zāi)后剩余承載力試驗，結(jié)果表明升溫時間和構(gòu)件截面尺寸是影響圓鋼管鋼筋混凝土軸壓短柱火災(zāi)后剩余承載力的主要因素，并提出了圓鋼管鋼筋混凝土短柱火災(zāi)后剩余承載力的實用計算式。綜上所述國內(nèi)對于鋼管混凝土柱的剩余承載力研究均基于均勻受火方式，而在實際工程中，因墻體的約束使得較多數(shù)柱子在火災(zāi)下處于非均勻受火狀態(tài)，因此全部按照均勻受火狀態(tài)進(jìn)行剩余承載力計算顯然不經(jīng)濟(jì)實用，因此本文基于有限元軟件ABAQUS，建立兩種典型非均勻受火(溫度場單軸、雙軸對稱)方式下方形鋼管混凝土短柱軸壓力學(xué)分析模型，分析不同受火方式下構(gòu)件的受力機(jī)理，并對構(gòu)件火災(zāi)后剩余承載力具有潛在影響的因素進(jìn)行參數(shù)分析，提出非均勻受火后方鋼管混凝土柱剩余承載力計算公式，為后續(xù)相關(guān)試驗研究及該類構(gòu)件火災(zāi)后修復(fù)提供參考。

1 有限元模型及驗證

正確選取材料熱工、熱- 力本構(gòu)關(guān)系是后續(xù)分析的重要基礎(chǔ)，經(jīng)比對試算，本文選用Lie[6]提供的鋼材和鈣質(zhì)混凝土熱工參數(shù)計算式，對于混凝土中水分的影響，則通過調(diào)整比熱容以考慮5%含水率的影響。文獻(xiàn)[4]指出高溫后混凝土及鋼材的應(yīng)力- 應(yīng)變關(guān)系仍可以采用常溫下的表達(dá)式，只需對彈性模量、峰值應(yīng)力等參數(shù)在不同溫度下進(jìn)行修正，因此本文選用李[4]修正的高溫后鋼材和混凝土應(yīng)力- 應(yīng)變表達(dá)式。

熱力耦合分析主要采用完全熱力耦合分析和相繼熱力耦合分析兩種方式，參考本文模型的特點(diǎn)，即溫度場對力學(xué)分析影響較大，而力學(xué)分析結(jié)果對溫度場影響較小，因此本文模型全部采用相繼熱力耦合分析模型。

各材料之間的接觸取決于所進(jìn)行的分析類型，為簡化模型提高計算效率，溫度場模型中的接觸均設(shè)置為Tie連接，力學(xué)分析中混凝土與鋼管的切向接觸采用庫倫摩擦，摩擦系數(shù)取值0.35，法向則按“硬接觸”考慮。模型采用固接約束，即鎖定三向位移和轉(zhuǎn)角，柱頂放開軸向位移，使模型能夠軸向壓縮。

鋼管混凝土柱在升溫過程中，混凝土存在溫度滯后的現(xiàn)象，即外界溫度進(jìn)入降溫段，但內(nèi)部混凝土仍有可能繼續(xù)升溫，這一現(xiàn)象主要是由于混凝土材料的熱惰性所造成。為此通過ABAQUS的子程序USDFLD來實現(xiàn)材料積分點(diǎn)在升降溫全過程所經(jīng)歷最高溫度的讀取[7]。

圖1分別給出了文獻(xiàn)[2,8]所進(jìn)行的方形鋼管混凝土短柱剩余承載力和溫度測點(diǎn)試驗結(jié)果與本文模型計算結(jié)果的對比，圖1中有限元計算曲線與實測曲線擬合較好，具有良好精度。但也存在一定誤差，主要是由于試驗過程中的不確定性因素較多，如試驗材料、試驗設(shè)備和施工誤差等，而模擬中的試件為理想狀態(tài)，試驗結(jié)果與模擬結(jié)果總會產(chǎn)生差異，但從圖1c中可看出剩余承載力的擬合程度較好，因此本文模型能較精準(zhǔn)的體現(xiàn)火災(zāi)全過程中鋼管混凝土構(gòu)件的溫度和受力機(jī)理。

圖1 有限元模型驗證Fig.1 Validation of finite element model

2 非均勻受火后鋼管混凝土短柱溫度場及軸壓受力機(jī)理分析

2.1 溫度場典型算例

建立典型方鋼管混凝土短柱溫度場計算模型，探究火災(zāi)下構(gòu)件橫截面溫度分布，受火形式采用單面、相對兩面受火。相關(guān)模型參數(shù)為：截面邊長B=300 mm，計算長度L=1200 mm、鋼管厚度ts=4 mm、升溫時間t=180 min，采用ISO- 834標(biāo)準(zhǔn)升降溫曲線。

圖2為兩種受火方式下柱中截面溫度場分布云圖，可見受火方式對構(gòu)件溫度場分布起決定性作用。圖2(a)為單面受火狀態(tài)下柱中截面溫度場云圖，其特點(diǎn)為單軸對稱分布，材料強(qiáng)度重心在對稱軸上但偏向低溫區(qū)，在軸壓荷載作用下，這種溫度格局易產(chǎn)生附加偏心。在相對兩面受火作用下柱中截面溫度云圖呈雙軸對稱分布，各溫度梯度為同心橢圓圖形，且圓心處于截面形心，這種溫度分布較單面受火狀態(tài)下有益于構(gòu)件受火后持載。兩種受火方式下溫度云圖的共同點(diǎn)為：溫度分布取決于受火方式；受火面附近混凝土溫度較高，距離受火面越遠(yuǎn)，混凝土溫度降低幅度很大，這是由于混凝土的良好吸熱性和較差的導(dǎo)熱性，受火面附近混凝土產(chǎn)生溫度聚集現(xiàn)象。表1給出了不同時間和受火方式下，柱中截面各溫度區(qū)域面積占橫截面總面積的比值，從表1中可看出隨著受火面及受火時間的增加，構(gòu)件總體溫度和升溫速率明顯提高，因此不同受火方式對構(gòu)件材料剩余強(qiáng)度及軸壓力學(xué)行為將產(chǎn)生不同影響。

圖2 不同受火方式下構(gòu)件溫度場云圖(單位：℃)Fig.2 Temperature distribution under different fire exposure ways

受火方式及時間t/min截面各區(qū)域比率/%0℃～400℃400℃～600℃600℃～800℃>800℃單面受火6090.06.23.80.012080.59.87.02.718054.715.816.513.0相對兩面受火6079.810.99.30.012065.017.112.85.118033.225.321.819.7

圖3 不同受火方式下橫截面應(yīng)力云圖(單位：℃)Fig.3 Stress distribution of cross section under different exposure ways

采用兩種不同受火方式升溫180 min并降溫后，施加軸壓荷載，在到達(dá)臨界屈服強(qiáng)度時構(gòu)件柱中截面應(yīng)力云圖如圖3所示。隨著受火方式不同，柱中截面壓應(yīng)力也隨之產(chǎn)生變化，并與其溫度云圖具有一定關(guān)聯(lián)性。類似于溫度場分布，單面、相對兩面受火方式下構(gòu)件應(yīng)力仍為單軸對稱和雙軸對稱分布，隨著荷載逐漸增大，高壓應(yīng)力區(qū)逐漸向過火溫度較低的混凝土區(qū)域移動，直至混凝土壓碎破壞，整個應(yīng)力演化過程簡單，沒有明顯應(yīng)力重分布。但單面受火的構(gòu)件有明顯的偏心，在軸壓荷載作用下易產(chǎn)生附加撓度，使受火面附近混凝土提前壓碎。由此可知雖然受火方式和受力機(jī)理均不相同，但經(jīng)過兩種受火方式升降溫后，低溫區(qū)混凝土對構(gòu)件剩余承載力貢獻(xiàn)較大。

3 參數(shù)分析及剩余承載力影響系數(shù)簡化計算

為便于比較分析，定義非均勻受火方鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力影響系數(shù)：Kr=Nr/Nu,其中：Nu為常溫鋼管混凝土軸壓短柱的極限承載力，選用文獻(xiàn)[8]所提供的公式計算取值；Nr為受火后鋼管混凝土軸壓短柱的剩余承載力。對構(gòu)件火災(zāi)后剩余承載力有潛在影響的因素有鋼材強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度、含鋼率α、受火時間t、截面邊長B、防火保護(hù)層厚度a，本節(jié)對上述因素進(jìn)行參數(shù)分析。

3.1 受火時間的影響

圖4為系數(shù)Kr隨受火時間的變化曲線。兩種受火方式下，在35 min以內(nèi)時，受火時間對系數(shù)Kr的影響較小，隨著升溫時間的增加，系數(shù)Kr逐漸減小。這是由于受火面較少以及升溫初期溫度較低，材料因火災(zāi)損失較小，系數(shù)Kr變化幅度不大，隨著溫度的增加，材料強(qiáng)度降低很快，系數(shù)Kr也急劇下降，且鋼材所承受的力在剩余承載力中所占的比例也越來越大[9]，因此曲線后期有放緩的趨勢。

圖4 受火時間的影響Fig.4 Effect of heating up time

3.2 混凝土強(qiáng)度的影響

圖5為系數(shù)Kr隨混凝土強(qiáng)度的變化曲線。由圖5可知兩種受火方式下，隨著混凝土強(qiáng)度的增加，系數(shù)Kr變化較小，受火方式并沒有對混凝土強(qiáng)度與系數(shù)Kr的關(guān)系造成影響，只是雙面受火作用下系數(shù)Kr總體較小。這是因為混凝土強(qiáng)度雖然在增加，但在相同受火方式下，其常溫極限承載力和火災(zāi)后剩余承載力也相應(yīng)提高。

圖5 混凝土強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of concrete strength

3.3 鋼材強(qiáng)度的影響

圖6為系數(shù)Kr隨鋼材強(qiáng)度的變化曲線，兩種受火方式下隨著鋼材強(qiáng)度的增加，系數(shù)Kr變化較小。這是由于火災(zāi)后鋼材強(qiáng)度會隨著溫度的升高而降低，承載力主要來自于混凝土，因此受火時間一定時，鋼材強(qiáng)度對Kr影響很小。

圖6 鋼材強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of steel strength

3.4 含鋼率的影響

圖7為系數(shù)Kr隨含鋼率的變化曲線，兩種受火方式下隨著含鋼率的增加，系數(shù)Kr的變化幅度較小。含鋼率增加的量占總面積的比率較小，且火災(zāi)后鋼材強(qiáng)度損失較大，因此隨著含鋼率的增加，系數(shù)Kr小幅增加，總體變化幅度較小。

圖7 含鋼率的影響Fig.7 Effect of steel ratio

3.5 截面邊長的影響

圖8為系數(shù)Kr與截面邊長的關(guān)系曲線，隨著邊長的增加，系數(shù)Kr變化明顯。這是由于構(gòu)件體積與截面邊長呈正比，常溫極限承載力隨邊長的增加大幅提高，但相同受火時間下，過火材料的體積占構(gòu)件總體積的比率隨著邊長的增加而減小，因此圖8中曲線呈上升趨勢。但邊長超過600 mm后曲線變緩，這是由于隨著邊長的持續(xù)增大，未受火材料所占總體積的比率不斷增加，因此剩余承載力趨于常溫極限承載力，即系數(shù)Kr趨于1。

圖8 截面邊長的影響Fig.8 Effect of sectional dimension

3.6 防火保護(hù)層厚度的影響

圖9為系數(shù)Kr隨防火保護(hù)層厚的變化曲線，可見兩種受火方式下，系數(shù)Kr隨防火保護(hù)層厚度的增加呈上升趨勢。這是由于非均勻受火方式下受火面積較少且防火保護(hù)層熱阻較大，有效降低了構(gòu)件內(nèi)部溫度，火災(zāi)后剩余承載力因此也相應(yīng)提高。

圖9 防火保護(hù)層厚度的影響Fig.9 Effect of spray insulation thickness

3.7 剩余承載力影響系數(shù)簡化計算

依據(jù)上節(jié)分析得知非均勻受火方式下，受火時間、截面邊長、防火保護(hù)層厚度是構(gòu)件火災(zāi)后剩余承載力的主要影響參數(shù)，并參照各參數(shù)對火災(zāi)后剩余承載力的影響曲線規(guī)律，確定公式中各參數(shù)的函數(shù)選用。因此通過對大量計算結(jié)果的整理歸納，得出系數(shù)Kr與受火時間、截面邊長、防火保護(hù)層厚度有如下定量關(guān)系：

(1)

其中：

fk=f(t0)·f(a0)·f(B0)

其中t為受火時間，min；a為防火保護(hù)層厚度，mm；B為截面邊長，mm。

公式中參數(shù)見表2，建議公式適用范圍：C30～C80混凝土、Q235～Q420鋼材、截面邊長B=300 mm～1200 mm、含鋼率α=0.02～0.25、受火時間t=0 min～180 min、厚涂型防火保護(hù)層厚度a=0 mm～30 mm。圖10為公式計算值與模擬值的比較情況，兩者相關(guān)系數(shù)為0.989，均方差為0.02。

4 結(jié)論

1)受火方式直接影響了構(gòu)件內(nèi)部溫度分布，因此對火災(zāi)后構(gòu)件軸壓受力性能產(chǎn)生一定影響。單面受火作用下構(gòu)件溫度云圖為單軸對稱，材料強(qiáng)度重心及高壓應(yīng)力區(qū)偏離構(gòu)件形心，使得構(gòu)件火災(zāi)后在軸壓作用下容易產(chǎn)生偏心受力，不利于構(gòu)件承重和災(zāi)后修復(fù)。相對兩面受火作用下構(gòu)件溫度云圖和軸壓應(yīng)力云圖均為雙軸對稱，這種布局有利于構(gòu)件火災(zāi)后承受軸壓荷載。

表2 參數(shù)P1～P14的取值

圖10 簡化計算結(jié)果與模擬結(jié)果的比較Fig.10 Comparison between simulation and calculated results

2)通過參數(shù)分析得知鋼材強(qiáng)度、混凝土強(qiáng)度和含鋼率對系數(shù)Kr影響較小，受火時間、截面尺寸、防火保護(hù)層厚度對系數(shù)Kr影響較大。

3)通過對大量計算結(jié)果進(jìn)行歸納整理，回歸出單面和相對兩面受火作用后方鋼管混凝土短柱剩余承載力影響系數(shù)Kr的簡化計算公式，經(jīng)對比得知公式具有一定精度，可為有關(guān)方鋼管混凝土工程火災(zāi)后修復(fù)提供參考。

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Residualladingcapacityofconcrete-filledsquaresteeltubestubcolumnsinnon-uniformfires

JIAO Dong

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

This paper studies the residual capacity of concrete filled steel tubular short columns with square section in non- uniform fires. In terms of the proper constitutive relation of concrete and steel, a model of CFST columns coupling thermal and mechanical fields has been set up and the effectiveness of the models has also been verified by experimental data. Further, the mechanism and parameters of SCFST short columns under one side fire and opposite side fire are analyzed. The results show that the fire mode has a significant effect on components temperature field. Fire duration, length of cross section, covering thickness of fire protection are the main parameters which affect the residual capacity of components under non- uniform temperature field. Formulas with potential for engineering use are obtained by regression to calculate the residual capacity influence coefficient of CFST short columns under the two fire modes.

Concrete- filled steel tube; Stub column; Non- uniform fire; Residual lading capacity

1004- 5309(2017)- 00168- 07

10.3969/j.issn.1004- 5309.2017.03.06

2017- 02- 18；修改日期2017- 04- 05

焦東(1991- ),男，碩士，研究方向為大跨度空間結(jié)構(gòu)。

焦東，E- mail: 34479647@qq.com

TU391;X932

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