中空夾層鋼管混凝土短柱的耐火極限

劉 曉, 盧孟超, 王 兵, 侯東序

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

中空夾層鋼管混凝土(concrete filled double skin steel tube,CFDST)是在鋼管混凝土的基礎(chǔ)上,用內(nèi)鋼管代替部分核心混凝土,形成的具有自重小、抗震性能好、結(jié)構(gòu)承載力大、施工方便、耐火性能好等優(yōu)點的新型構(gòu)件[1-2]。中空夾層鋼管混凝土由內(nèi)、外截面形心重合的鋼管組成,在鋼管夾層中澆筑混凝土共同受力,其不同類型的截面形式如圖1所示。中空夾層鋼管混凝土短柱在遭受火災(zāi)時,外鋼管因受熱而軟化,承載力也有一定程度的降低。核心混凝土可以吸收外鋼管傳遞的熱量,同時內(nèi)鋼管對外鋼管也能起到一定的支撐作用,使外鋼管不會發(fā)生整體破壞或局部屈曲。核心混凝土對內(nèi)鋼管具有保護作用,使內(nèi)鋼管在受火時免于高溫的影響仍保留著較高的強度。而當(dāng)核心混凝土被壓碎或開裂時,內(nèi)外鋼管又可以反過來對核心混凝土進行約束和保護。

圖1 不同截面形式的中空夾層鋼管混凝土

許多學(xué)者對鋼管混凝土長柱的耐火極限進行了相關(guān)研究:楊有福等[3]研究認為截面尺寸、構(gòu)件長細比和防火保護層厚度對圓中空夾層鋼管混凝土的耐火極限影響較大;呂學(xué)濤等[4-5]研究了單面受火狀態(tài)下和相對兩面受火狀態(tài)下的鋼管混凝土長柱的耐火極限,研究表明,載荷比是影響構(gòu)件耐火極限的主要參數(shù),載荷比與構(gòu)件的耐火極限成反比;張玉琢等[6-7]建立了在標準升溫曲線下的方中空夾層鋼管再生混凝土長柱的有限元模型和方中空夾層鋼管混凝土長柱的相鄰三面受火模型,同時分析溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律,并對柱的耐火極限公式進行簡化計算;張力等[8]研究考慮混凝土取代率作用下的中空夾層鋼管再生混凝土長柱的耐火極限,對截面溫度進行分析,并得到不同參數(shù)對構(gòu)件耐火極限的影響規(guī)律。由于學(xué)者對中空夾層鋼管混凝土短柱的耐火極限的研究較少,本文對圓套圓形鋼管截面和方套圓形鋼管截面的中空夾層鋼管混凝土短柱耐火極限進行研究,分析截面形式、空心率、載荷比和核心混凝土抗壓強度等級等參數(shù)對中空夾層鋼管混凝土短柱的耐火極限的影響規(guī)律。

1 有限元模型

本文利用有限元軟件ABAQUS分別建立了圓套圓形鋼管截面和方套圓形鋼管截面的中空夾層鋼管混凝土短柱有限元模型。模型由溫度場和應(yīng)力場2部分組成,即三維順序熱-力耦合模型。首先選擇合適的熱工參數(shù),建立了中空夾層鋼管混凝土短柱在ISO-834標準升溫曲線[9]作用下的溫度場模型(熱分析),然后建立應(yīng)力場模型進行分析。

1.1 溫度場

溫度場模型(熱分析)由內(nèi)鋼管、外鋼管、核心混凝土和蓋板4部分組成。控制模型的主要因素為柱的幾何尺寸、材料在高溫下的性能以及鋼管與混凝土之間的熱和機械相互作用[10]。模型各部件采用實體單元和殼單元,構(gòu)件網(wǎng)格尺寸設(shè)置為20 mm,網(wǎng)格劃分如圖2所示。熱分析的目的是獲得在ISO-834標準火災(zāi)條件下柱的溫度分布。將ISO-834標準升溫曲線作為溫度載荷作用于柱的整體,熱量傳遞分為熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對流[11],溫度場中熱輻射和熱對流的布置如圖2所示。初始溫度定義為20 ℃,在模型中選擇Edit attributes,在Absolute zero temperature輸入-273,在Stefan-Boltzmann constant輸入5.67×10-3。

圖2 網(wǎng)格劃分和溫度場邊界條件設(shè)置

1.1.1 鋼材熱工參數(shù)

對比國內(nèi)外鋼材的溫度場模型,此次模擬選取文獻[12]的溫度場模型。

1) 導(dǎo)熱系數(shù)

2) 比熱容

3) 容重。由于鋼材的容重隨溫度的變化很小,故一般取定值7 850 kg·m-3。

4) 熱膨脹系數(shù)

抓好整合資金三個方面的重點工作。一是進一步改進和完善廣西涉農(nóng)資金整合政策，積極引導(dǎo)各類涉農(nóng)資金適當(dāng)傾斜支持自治區(qū)級貧困縣，做好政策銜接和資金平衡。

式中,t為溫度,℃。

1.1.2 核心混凝土熱工參數(shù)

1) 導(dǎo)熱系數(shù)

2) 比熱容使用文獻[13]修正后的比熱

3) 核心混凝土的容重取2 400 kg·m-3。

4) 熱膨脹系數(shù)

αc=(0.008t+6)×10-6。

式中:ρs、ρc、ρw分別為鋼管、核心混凝土和水的容重,kg·m-3;cs、cc、cw分別為鋼管、核心混凝土和水的比熱,kJ·(kg·℃)-1。

1.2 應(yīng)力場

應(yīng)力場模型是在溫度場模型基礎(chǔ)上創(chuàng)建的,直接對溫度場模型進行復(fù)制命名,模型操作步驟與溫度場基本一致,對其進行力學(xué)性能的定義。對構(gòu)件進行耐火極限計算的關(guān)鍵點是將溫度場的節(jié)點溫度與應(yīng)力場計算相結(jié)合,確保構(gòu)件溫度能準確地傳遞到應(yīng)力場分析計算中,應(yīng)力場分析步的時間長度與溫度場分析步的時間長度一樣。

2 模型驗證

為確保建模計算的正確性,對文獻[7]、文獻[14-15]中的試件進行模擬驗證,試件參數(shù)如表1所示。將溫度場模型中各部分單元的溫度變化趨勢和在高溫爐進行試驗所采集的數(shù)據(jù)進行分析,把模擬得到的耐火極限-豎向位移曲線與試驗得到的曲線進行對比,驗證有限元模型建模分析計算與試驗結(jié)果的吻合情況。

表1 試件參數(shù)

圖3為文獻[7]、文獻[14-15]中試驗與有限元軟件ABAQUS模擬結(jié)果的對比曲線,從圖中可以看出,模擬計算得到耐火極限-豎向位移曲線與試驗數(shù)據(jù)整理的耐火極限-豎向位移曲線整體趨勢相似,耐火極限值相差較小,構(gòu)件的耐火極限試驗值與模擬值分別相差4,1和5 min,結(jié)果吻合較好,驗證了模型的正確性。

圖3 有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比曲線

3 溫度場分析

以ISO-834標準升溫曲線模擬火災(zāi)作用下短柱的溫度趨勢分布,以圓中空夾層鋼管混凝土短柱和方中空夾層鋼管混凝土短柱為例進行溫度場分析,短柱長均為800 mm,內(nèi)外鋼管厚度為3 mm,核心混凝土的抗壓強度等級為C40,構(gòu)件截面尺寸均為200 mm×100 mm,受火時間均為120 min。圖4(a)和圖4(b)分別為圓中空夾層鋼管混凝土和方中空夾層鋼管混凝土的受火時間-溫度曲線,圖中測點1為核心混凝土與外鋼管內(nèi)側(cè)的接觸點,測點3為核心混凝土與內(nèi)鋼管外側(cè)的接觸點,測點2為測點1和測點3的中點,各測點在同一條直線上。從圖中可知,各測點的溫度隨受火時間的增加而上升,各測點溫度在受火前期上升較快,后期逐漸趨于平穩(wěn)。

圖4 核心混凝土上不同測量點的溫度時間曲線和測點分布

圖5(a)為圓中空夾層鋼管混凝土中混凝土溫度分布情況,混凝土溫度從外側(cè)傳遞到內(nèi)側(cè)成比例均勻降低,外側(cè)最高溫度為1 030 ℃,內(nèi)側(cè)最高溫度達到547 ℃;圖5(b)為方中空夾層鋼管混凝土中混凝土溫度分布情況,溫度從混凝土外側(cè)傳遞到內(nèi)側(cè)逐漸降低,當(dāng)溫度下降到外側(cè)與內(nèi)側(cè)兩者中點時,溫度傳遞緩慢,最后達到499 ℃?；炷镣鈧?cè)溫度高于內(nèi)側(cè)溫度,是因為受火時混凝土內(nèi)部含有的水蒸氣蒸發(fā)減少了大量熱量,導(dǎo)致溫度傳遞從外側(cè)到內(nèi)側(cè)越來越低。

圖5 核心混凝土截面溫度分布

4 參數(shù)分析

在確定內(nèi)外鋼管的長度、厚度和鋼材屈服強度保持不變的情況下,分析截面形式、空心率χ(分別為0.31、0.52、0.72)、核心混凝土的抗壓強度等級(分別為C30、C40、C50)和載荷比n(分別為0.6、0.7、0.8)4個參數(shù)對中空夾層鋼管混凝土短柱耐火極限的影響。其中截面形式分為圓套圓和方套圓2種,即圓中空夾層鋼管混凝土和方中空夾層鋼管混凝土。

4.1 截面形式

改變中空夾層鋼管混凝土短柱的截面形式,在空心率為0.31、0.52、0.72情況下得到構(gòu)件在圓套圓截面(CC)和方套圓截面(SC)形式下的耐火極限,如圖6所示。由圖6可知,CC構(gòu)件均比SC構(gòu)件的耐火極限大,耐火性好。

圖6 不同截面形式短柱的耐火極限

常溫軸壓時,SC構(gòu)件比CC構(gòu)件的極限承載力大,當(dāng)載荷比相同時,對SC構(gòu)件施加的恒定載荷比CC構(gòu)件要大,但CC構(gòu)件比SC構(gòu)件在火災(zāi)下達到破壞所需要的時間長,故圓中空夾層鋼管混凝土短柱比方中空夾層鋼管混凝土短柱的耐火極限大。

4.2 核心混凝土抗壓強度等級

改變中空夾層鋼管混凝土中核心混凝土的抗壓強度等級,在CC和SC構(gòu)件載荷比為0.6、0.7、0.8情況下得到構(gòu)件在不同混凝土抗壓強度等級下的耐火極限,如圖7所示。從圖7(a)可知圓中空夾層鋼管混凝土短柱的載荷比為0.6時,構(gòu)件的混凝土抗壓強度等級從C30提升到C40時,構(gòu)件的耐火極限增加了2 min,混凝土抗壓強度等級從C40提升到C50時,構(gòu)件的耐火極限增加了3 min;從圖7(b)可知方中空夾層鋼管混凝土短柱的載荷比為0.6時,構(gòu)件的混凝土抗壓強度等級從C30提升到C40時,構(gòu)件的耐火極限增加了1 min,混凝土抗壓強度等級從C40提升到C50時,構(gòu)件的耐火極限增加了2 min。從圖7中還可以看出,載荷比為0.7和0.8時,隨著混凝土強度等級的增加,耐火極限變化趨勢與載荷比為0.6時的變化趨勢一致。由此可見,中空夾層鋼管混凝土短柱的耐火極限均隨著核心混凝土強度的增加而上升,但耐火極限上升幅度較小。

圖7 不同核心混凝土強度等級短柱的耐火極限

4.3 空心率

中空夾層鋼管混凝土是由內(nèi)外鋼管和混凝土組合而成,中間有一個空腔,保持外鋼管的直徑或邊長不變,改變空腔的大小即改變內(nèi)鋼管直徑的大小,可以得到不同空心率的中空夾層鋼管混凝土柱。

改變中空夾層鋼管混凝土短柱的空心率,在CC和SC構(gòu)件混凝土抗壓強度等級分別為C30、C40、C50情況下得到構(gòu)件不同空心率下的耐火極限,如圖8所示,從圖中可知,當(dāng)空心率為0.52時,構(gòu)件的耐火極限最大,當(dāng)空心率為0.31時,構(gòu)件的耐火極限最小。由此可見,隨著空心率的增大,構(gòu)件的耐火極限呈先增大后減小的趨勢。

圖8 不同空心率短柱的耐火極限

當(dāng)空心率小于0.52時,在相同的載荷比下,空心率越大,構(gòu)件的極限承載力越小,對構(gòu)件施加的恒定載荷越小,構(gòu)件在火災(zāi)下達到破壞所需要的時間越長,同時構(gòu)件截面的含鋼率也會增加,內(nèi)鋼管在火災(zāi)作用下分擔(dān)的載荷同樣增加,延緩了構(gòu)件的破壞,故構(gòu)件的耐火極限增加;當(dāng)空心率大于0.52時,隨著空心率的增加,構(gòu)件內(nèi)部混凝土截面面積減小,混凝土吸熱能力變差,降低了核心混凝土承擔(dān)的載荷,鋼材在受火作用下?lián)p失較小,在一定程度上減少了核心混凝土對構(gòu)件造成的影響,同時在火災(zāi)作用下核心混凝土對內(nèi)鋼管的保護作用減弱,構(gòu)件的耐火極限反而減小。

4.4 載荷比

改變中空夾層鋼管混凝土短柱的載荷比,在CC和SC構(gòu)件混凝土抗壓強度等級分別為C30、C40、C50情況下得到構(gòu)件不同載荷比下的耐火極限,如圖9所示。從圖中可知,隨著載荷比的增大,構(gòu)件的耐火極限減小。

載荷比越大,在其他條件保持不變的情況下,對構(gòu)件施加的載荷越大,中空夾層鋼管混凝土短柱在火災(zāi)作用下喪失承載力就越快,構(gòu)件的耐火極限越小,故構(gòu)件的耐火極限隨載荷比的增加而減小。

5 結(jié) 論

1) 有限元分析軟件ABAQUS建模計算結(jié)果與已有試驗結(jié)果進行對比驗證,結(jié)果吻合較好,驗證了模型的正確性。

2) 在相同的火災(zāi)作用下,其他各項參數(shù)保持不變,只改變短柱的截面形式,圓中空夾層鋼管混凝土比方中空夾層鋼管混凝土喪失承載力所需要的時間久,耐火極限大。

3) 中空夾層鋼管混凝土短柱的耐火極限隨核心混凝土抗壓強度等級的增加而增大,其上升幅度不大;構(gòu)件的耐火極限隨載荷比的增大而減小,載荷比是影響中空夾層鋼管混凝土耐火極限的主要參數(shù);構(gòu)件的耐火極限隨空心率的增大呈先增大后減小的趨勢,當(dāng)空心率為0.52時,中空夾層鋼管混凝土的耐火極限最大,當(dāng)空心率為0.31時,中空夾層鋼管混凝土的耐火極限最小。