裝配式方鋼管混凝土框架抗火性能有限元分析

曹仕君

(蘇州科技大學(xué) 江蘇省結(jié)構(gòu)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 蘇州 215011)

0 前 言

隨著裝配式建筑不斷發(fā)展，裝配式鋼管混凝土框架得到了廣泛的應(yīng)用，這極大地提高了施工效率，但由于鋼結(jié)構(gòu)材料在火災(zāi)下極易發(fā)生破壞，因此，各國(guó)專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)始廣泛關(guān)注裝配式鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)在荷載和火災(zāi)的共同作用下的抗火性能和力學(xué)性能[1-8]，火災(zāi)作用實(shí)質(zhì)上指的是在當(dāng)建筑構(gòu)件或結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力和高溫共同作用，使得結(jié)構(gòu)或者構(gòu)件處在荷載和火災(zāi)的共同作用下的復(fù)雜環(huán)境內(nèi)，通常稱(chēng)這種復(fù)雜環(huán)境為熱-力耦合。

本文對(duì)裝配式方鋼管混凝土框架進(jìn)行火災(zāi)有限元模擬，建立了裝配式方鋼管混凝土框架的計(jì)算有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)及熱力耦合場(chǎng)分析。

1 有限元模型建立

利用Abaqus有限元分析軟件建立在火災(zāi)溫度場(chǎng)作用下的框架模型。其主要的步驟大致分為：創(chuàng)建Part、創(chuàng)建Materia、創(chuàng)建截面屬性、裝配Part、設(shè)置Step、定義Load、定義Boundary condition、Mesh、創(chuàng)建Job、提交作業(yè)并進(jìn)行后處理。溫度場(chǎng)分析模型中，框架梁和兩側(cè)柱受火，初始溫度取20℃。

1.1 溫度場(chǎng)模型

1)分析步的建立：在“Step-1”中設(shè)置Time period為9 000 s，設(shè)置最大增量為100 000，在增量模式中，初始值為1，最小值為9×10-6，最大值為9 000。將Max.allowable temperature change per increment設(shè)置100，Max.allowable emissivity change per increment 設(shè)置0.1。

2)相互作用(interaction)：第一步：對(duì)于型鋼和鋼管混凝土設(shè)置薄膜系數(shù)(Film coefficient)為0.025。輸入室溫(Sink temperature)為20℃。第二步：輻射類(lèi)型(Radiation type)選擇至環(huán)境溫度。設(shè)置輻射率(Emissivity)為0.5。第三步：對(duì)于混凝土板設(shè)置薄膜系數(shù)(Film coefficient)為0.009，輸入室溫20℃。

3)單元?jiǎng)澐?Mesh)：兩側(cè)柱、混凝土板與型鋼梁均8節(jié)點(diǎn)線性傳熱實(shí)體單元—DC3D8進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格密度分別為80、50、50 mm。柱頂端板和梁柱節(jié)點(diǎn)處端板網(wǎng)格單元?jiǎng)澐置芏纫约皢卧?lèi)型和混凝土板相同。對(duì)于刷有防火涂料的型鋼梁及兩側(cè)柱建模時(shí)：防火涂料網(wǎng)格單元?jiǎng)澐置芏葹?0 mm，單元類(lèi)型為8節(jié)點(diǎn)的線性實(shí)體-C3D8R，以減小熱傳遞作用?；炷涟迮浣罹W(wǎng)格單元?jiǎng)澐置芏葹?5 mm，單元類(lèi)型為2節(jié)點(diǎn)線性傳熱實(shí)體-DC1D2。整體框架網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 框架有限元模型網(wǎng)格劃分

1.2 熱力耦合模型

目前建立熱力耦合場(chǎng)模型主要采用兩種方法：順序耦合熱應(yīng)力分析、完全耦合熱應(yīng)力分析。本文選用順序耦合先進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，再將溫度場(chǎng)作為預(yù)定義場(chǎng)的形式導(dǎo)入力場(chǎng)模型分析，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配式方鋼管混凝土框架在火災(zāi)下的力學(xué)性能及破壞機(jī)制。

1)分析步建立。在熱-力耦合場(chǎng)下對(duì)裝配式方鋼管混凝土框架進(jìn)行分析時(shí)，使用幾何非線性計(jì)算，將整個(gè)分析過(guò)程分為兩個(gè)靜力分析步進(jìn)行：“Step-1”給模型施加初始力場(chǎng)，其參數(shù)根據(jù)溫度場(chǎng)下的分析結(jié)果設(shè)置，“Step-2”給模型施加溫度場(chǎng)。

2)邊界條件定義。在熱-力耦合場(chǎng)下對(duì)模型進(jìn)行分析中，框架底部設(shè)置為完全固結(jié)，約束水平位移和轉(zhuǎn)角(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，同時(shí)約束了框架平面外變形(U2=UR1=UR3=0)，柱頂及梁跨中位置設(shè)置集中荷載?；炷梁弯摻钪g的內(nèi)力傳遞通過(guò)兩者的內(nèi)置約束(Embedded region)實(shí)現(xiàn)。在“Step-2”中為模型施加溫度預(yù)定義場(chǎng)時(shí)，在“Predefined Field-2”中將預(yù)先計(jì)算完成的模型溫度場(chǎng)通過(guò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)文件的方式實(shí)現(xiàn)。

2 溫度場(chǎng)有限元模擬分析

對(duì)裝配式方鋼混凝土框架有限元模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，得出裝配式方鋼管混凝土的溫度分布規(guī)律。

1)梁受火區(qū)溫度沿梁長(zhǎng)度方向分布均勻，在H型鋼梁和混凝土板受火區(qū)交界處存在溫度過(guò)渡區(qū)，過(guò)渡區(qū)溫度由H型鋼梁向混凝土板由高到低分布，說(shuō)明溫度在由H型鋼梁向混凝土內(nèi)部傳遞時(shí)存在明顯的削減。

2)方形鋼管混凝土柱截面溫度呈雙軸對(duì)稱(chēng)分布規(guī)律，且由外緣向中心點(diǎn)溫度遞減，相較于柱邊緣，柱截面角點(diǎn)位置處溫度更高。圖2為構(gòu)件柱截面溫度云圖。

(a)梁跨中截面溫度云圖(50 min)

(b)柱中截面溫度云圖(50 min)

3 熱力耦合場(chǎng)有限元模擬分析

本節(jié)選取兩端柱頂豎向位移，梁跨中及梁距左右邊跨1/4處的撓度作為研究對(duì)象，在熱力耦合場(chǎng)下對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，由圖3可見(jiàn)，由于破壞均出現(xiàn)在裝配式方鋼管混凝土框架的H型鋼梁跨中，裝配式方鋼管混凝土框架耐火極限參照梁跨中時(shí)間-撓度曲線出現(xiàn)明顯陡增的時(shí)間點(diǎn)，由圖3(a)和(b)可見(jiàn)裝配式方鋼管混凝土框架模擬的耐火極限53 min。圖4為熱力耦-全場(chǎng)框架模型變形云圖。

(a)梁跨中1/2和1/4處時(shí)間-位移曲線

(b)兩側(cè)柱豎向時(shí)間-位移曲線

圖4 熱力耦全場(chǎng)框架模型變形云圖

柱軸壓比作為框架受火性能的主要影響因素，圖5分別表示不同軸壓比對(duì)框架梁柱不同時(shí)間-位移曲線的影響。

(a)不同軸壓比下梁1/4處時(shí)間撓度曲線

(b)不同軸壓比下柱頂時(shí)間位移曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了裝配式方鋼管混凝土框架在溫度場(chǎng)及熱力耦合場(chǎng)下的有限元模型，在溫度場(chǎng)下對(duì)其溫度分布規(guī)律進(jìn)行研究，隨后在熱力耦合場(chǎng)下對(duì)框架的力學(xué)性能及框架變形規(guī)律進(jìn)行研究，研究表明，柱軸壓比會(huì)影響框架的耐火極限，柱軸壓比越大，其耐火極限越小。為研究裝配式方鋼管混凝土框架提供了較好的理論指導(dǎo)。

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