高溫后中空夾層鋼管混凝土柱軸壓性能研究*

劉曉，麻路，王兵

(1.沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院，遼寧 沈陽110044;2.清華大學(xué) 土木工程系，北京100084)

中空夾層鋼管混凝土是指在2個同心放置的鋼管間填充混凝土而形成的復(fù)合構(gòu)件，是在鋼管混凝土基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的新型組合結(jié)構(gòu)，繼承了鋼管混凝土的優(yōu)點(diǎn)，承載力高、塑性韌性好、施工方便、抗震性能好［1－3］，還具有減輕結(jié)構(gòu)自重、截面開展、穩(wěn)定性高、抗彎和耐火性能好等優(yōu)勢［4－7］，適于用在偏心率較大或抗彎剛度高的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，如高架橋的橋墩或高層、超高層建筑。目前，對中空夾層鋼管混凝土的研究主要集中在常溫下力學(xué)性能的理論分析和試驗(yàn)研究［8］，而對該組合柱在高溫后力學(xué)性能方面的研究還未見報(bào)道。我國是建筑火災(zāi)頻發(fā)的國家，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年會發(fā)生超過10萬起火災(zāi)，建筑火災(zāi)約占70%，給人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。如何提高建筑結(jié)構(gòu)的耐火性能，延緩逃生和救援時間，以及火災(zāi)后建筑結(jié)構(gòu)的安全度，能否在災(zāi)后繼續(xù)使用等問題，必須引起從事建筑結(jié)構(gòu)研究人員的高度重視。CFDST是新型的結(jié)構(gòu)形式，關(guān)于火災(zāi)后力學(xué)性能的研究對其在建筑結(jié)構(gòu)中的推廣和應(yīng)用具有現(xiàn)實(shí)意義，因此，本文對CFDST構(gòu)件在恒高溫作用后的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 有限元模型

利用有限元軟件ABAQUS，對圓套圓CFDST軸壓短柱在恒高溫后的力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，構(gòu)件參數(shù)見表1。

表1 試件參數(shù)一覽表Table 1 Test specimens of speciments

1.1 材料本構(gòu)模型

1.1.1 鋼材

高溫后的鋼材應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系采用雙折線［9］，即彈性段和強(qiáng)化段，形式如下所示:

1.1.2 混凝土

高溫作用后核心混凝土應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系仍按常溫下的形式選取，只是考慮了溫度作用影響，其本構(gòu)方程為:

式中，

其中:σ0(T)和ε0(T)分別是考慮高溫作用影響時受壓構(gòu)件截面形心處的應(yīng)力和應(yīng)變;ξ［10］(ξ=αfyo/fck)表示鋼管對混凝土的約束效應(yīng)系數(shù);α(α=Aso/Ace)表示CFDST構(gòu)件截面名義含鋼率;fc表示混凝土圓柱體的抗壓強(qiáng)度;fck表示混凝土軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。

1.2 單元類型的選取、網(wǎng)格化分、邊界條件、加載方式

內(nèi)、外鋼管均采用四節(jié)點(diǎn)減縮積分格式(S4R)來進(jìn)行模擬，為滿足網(wǎng)格精度要求，在殼單元厚度方向采用9個積分點(diǎn)的Simpson積分;核心混凝土采用八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R)。采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，對各個部件進(jìn)行單元劃分，如圖1所示。

圖1 邊界條件及網(wǎng)格劃分示意圖Fig.1 Schematic diagram of boundary conditions and meshing

將蓋板設(shè)為剛體，蓋板與混凝土采用“硬”接觸來傳遞荷載，內(nèi)、外鋼管與混凝土的界面接觸分為沿法線方向的“硬”接觸和沿切線方向的“罰”接觸，摩擦系數(shù)為 0.25［11］;蓋板與內(nèi)、外鋼管之間采用“Shell to Solid”的約束方式連接。加載方式如圖1(a)所示，在蓋板1處施加剛性約束，令其既不產(chǎn)生位移也不產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，在蓋板2處限制其在x和y方向的位移以及沿x，y和z方向的轉(zhuǎn)角，僅在z方向上施加軸向位移荷載。

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所建模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果［8］進(jìn)行對比。圖2為有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線對比示意圖，本文計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

圖2 荷載—應(yīng)變關(guān)系曲線對比Fig.2 Comparison of load － strain relations

圖3中(a1)和(b1)是文獻(xiàn)［9］中試件cc－4a常溫下的典型破壞形態(tài)，從圖中可以看出，本文20℃所模擬的內(nèi)外鋼管破壞形態(tài)與試驗(yàn)破壞形態(tài)吻合較好。此外，隨構(gòu)件經(jīng)受溫度的升高，端部混凝土壓碎程度加劇，外鋼管對混凝土的約束作用降低，混凝土對內(nèi)鋼管擠壓作用增強(qiáng)，內(nèi)鋼管凹曲部位逐漸延伸至端部。

2 參數(shù)分析

通過常溫下CFDST軸壓力學(xué)性能的研究可知，混凝土的強(qiáng)度和鋼管對混凝土的約束效應(yīng)對構(gòu)件的承載能力有影響，因此，本文對影響高溫后CFDST構(gòu)件力學(xué)性能的因素除考慮溫度T(20，300，500，700和 900 ℃)外，引入了空心率 χ(0，0.28，0.51 和0.80)、名義含鋼率 α (0.05，0.10 和0.15)、外鋼管屈服強(qiáng)度fyo(235，345和500)、內(nèi)鋼管屈服強(qiáng)度fyi(235，345和500)、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu(30，60和90)作為變化參數(shù)，分析其對荷載—位移關(guān)系曲線的影響。

圖3 試驗(yàn)破壞形態(tài)與有限元破壞形態(tài)對比圖Fig.3 Comparison chart of test failure modes and finite element failure modes

2.1 溫度 T

圖4為圓中空夾層鋼管混凝土構(gòu)件在空心率相同，不同恒高溫作用后的荷載－變形關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著溫度的升高，彈性階段逐漸縮短，軸壓短柱的極限承載力逐漸降低，但極限應(yīng)變變化不大。根據(jù)有限元模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，與常溫狀態(tài)相比，構(gòu)件在300℃時的極限承載力下降幅度很小，最多下降7.74%;溫度為500℃時，最多下降17.83%;700℃時，最多下降32.99%;900℃時，構(gòu)件極限承載力最多下降52.09%。由此得出:當(dāng)曾經(jīng)歷溫度低于500℃時，極限承載力下降幅度很小，而高于500℃時，極限承載力降速略有增加。主要因?yàn)?外鋼管在高溫作用后力學(xué)性能有較大程度的恢復(fù)，與常溫相比，其屈服強(qiáng)度和彈性模量相同或降低很少;而混凝土在經(jīng)受溫度較低時，抗壓強(qiáng)度變化不大，在內(nèi)外鋼管的約束下，承載力下降緩慢;隨著溫度的升高，混凝土發(fā)生不可逆的化學(xué)變化，其彈性模量和抗壓強(qiáng)度下降幅度增大，在溫度降低后，力學(xué)性能基本沒有得到恢復(fù)［12－13］。

由圖中曲線的下降段可見，隨著構(gòu)件曾經(jīng)受溫度的升高，CFDST構(gòu)件表現(xiàn)出與鋼管混凝土相似的力學(xué)性能，溫度越高，下降段越平緩，因?yàn)榛炷翆儆跓岫栊圆牧?，對?nèi)外鋼管起到升溫滯后的作用，尤其是內(nèi)鋼管，在高溫作用后，材性損失很小，在混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度而退出工作后，內(nèi)鋼管相當(dāng)于鋼骨混凝土中的鋼骨，起到支撐的作用，再加上外鋼管對混凝土的約束作用，使構(gòu)件的極限承載力降低緩慢，具有很好地延性［14］。

圖4 各空心率在不同溫度作用下的荷載—變形關(guān)系曲線Fig.4 Load － deformation curves under the different temperatures

2.2 空心率χ

圖5為不同空心率的構(gòu)件在經(jīng)受高溫作用后極限承載力柱形圖。由圖可見，隨著構(gòu)件經(jīng)受溫度的升高，各空心率構(gòu)件的極限承載力呈下降趨勢。還可以看出，當(dāng)溫度低于500℃時，除空心率為0.8的構(gòu)件極限承載力較低外，其余構(gòu)件極限承載力相近;當(dāng)溫度高于500℃時，空心率對各構(gòu)件的極限承載力影響很小?？傮w來說，隨著溫度的升高，空心率對高溫后CFDST構(gòu)件的極限承載力影響逐漸降低。

圖5 不同空心率下的極限承載力柱形圖Fig.5 Column chart of ultimate bearing capacity under different hollow rate

2.3 名義含鋼率α

圖6是不同名義含鋼率下的極限承載力－溫度關(guān)系曲線。從圖中看出，構(gòu)件的極限承載力隨名義含鋼率的升高而增大，這是因?yàn)槊x含鋼率越高，鋼管對核心混凝土的約束作用越強(qiáng)，對提高構(gòu)件極限承載力貢獻(xiàn)越大。

圖6 不同名義含鋼率α下的N－T關(guān)系Fig.6 N － T relationship under different nominal steel ratio

2.4 鋼管屈服強(qiáng)度

圖7為內(nèi)、外鋼管屈服強(qiáng)度不同時，CFDST的極限承載力—溫度關(guān)系曲線?？梢?，外鋼管的屈服強(qiáng)度對極限承載力影響較內(nèi)鋼管的大，因?yàn)橥怃摴軐炷恋募s束作用越強(qiáng)，構(gòu)件的極限承載力提高越明顯;而內(nèi)鋼管的屈服強(qiáng)度的增大對提高經(jīng)受不同高溫作用后構(gòu)件的承載力貢獻(xiàn)不大。

2.5 混凝土強(qiáng)度fcu

圖8為構(gòu)件在不同混凝土抗壓強(qiáng)度下的極限承載力－溫度關(guān)系曲線。可見，在常溫階段，極限承力隨混凝土強(qiáng)度的提高而增長，但是，隨著構(gòu)件經(jīng)受溫度的升高，混凝土強(qiáng)度對極限承載力的影響逐漸降低，這是由于混凝土強(qiáng)度隨經(jīng)受溫度的升高逐漸降低，當(dāng)溫度超過500℃時，混凝土強(qiáng)度基本喪失［15］。

圖7 不同鋼材屈服強(qiáng)度下的N－T關(guān)系Fig.7 N － T relationship under different steel yield strength

圖8 不同混凝土強(qiáng)度下的N－T關(guān)系Fig.8 N － T relationship under the different concrete strength

3 結(jié)論

(1)確定了合理的中空夾層鋼管混凝土本構(gòu)關(guān)系和有限元模型，所得全過程曲線和破壞形態(tài)與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

(2)隨著CFDST溫度的升高，其高溫后構(gòu)件的極限承載力呈下降趨勢，在溫度低于500℃時，極限承載力下降幅度很小，表明溫度對構(gòu)件極限承載力影響不大;當(dāng)溫度高于500℃時，極限承載力下降幅度加快，此時溫度對其極限承載力的影響較大。

(3)外鋼管屈服強(qiáng)度對提高CFDST構(gòu)件的極限承載力有顯著影響，混凝土抗壓強(qiáng)度對提高常溫階段構(gòu)件的極限承載力影響較大，但隨溫度的升高，影響逐漸降低，而空心率、內(nèi)鋼管的屈服強(qiáng)度對高溫后CFDST構(gòu)件極限承載力影響相對較小。

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