三面受火約束T形截面SRC異形柱耐火性能研究

徐浩然,毛小勇（蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215011）

三面受火約束T形截面SRC異形柱耐火性能研究

徐浩然,毛小勇
（蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215011）

摘 要：為考察約束條件下T形截面SRC異形柱的耐火性能，采用ABAQUS有限元軟件建立了其模型從而模擬在火災(zāi)作用下約束T形截面型鋼混凝土異形柱的耐火性能。采用已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了已建立的有限元模型的可靠性。應(yīng)用驗(yàn)證后的模型分析了約束T形截面型鋼混凝土異形柱在火災(zāi)作用下的軸力和軸向變形特征，并且進(jìn)一步分析了軸向約束剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度、荷載比、偏心率等參數(shù)對(duì)其耐火極限的影響規(guī)律。結(jié)果表明，火災(zāi)荷載比是影響約束SRC異形柱耐火極限的主要因素，隨著火災(zāi)荷載比的增加耐火極限顯著降低；隨著軸向約束剛度和偏心率的增加，T形截面SRC異形柱耐火極限略有下降；隨著轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度的增加T形截面SRC異形柱耐火極限略有提高。

關(guān)鍵詞：三面受火；SRC異形柱；約束；耐火極限；標(biāo)準(zhǔn)升溫

0 引言

型鋼混凝土（SRC）異形柱是在鋼筋混凝土異形柱內(nèi)配置型鋼而形成的新型組合柱。SRC異形柱可以應(yīng)用到多高層建筑中, 具有良好的應(yīng)用前景。

針對(duì)SRC異形柱在常溫下的承載力、抗震性能等國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了不少研究成果[1]，然而SRC異形柱抗火性能方面的研究還處于起步階段，對(duì)此類構(gòu)件的耐火能力缺乏必要的認(rèn)識(shí)。由于SRC異形柱截面開(kāi)展，厚度較小，火災(zāi)下柱肢和內(nèi)部型鋼升溫較快，伴隨著高溫下鋼材、混凝土材料性能劣化，構(gòu)件承載力下降迅速，極易受到損傷。尤其是軸向約束條件下，混凝土更加容易產(chǎn)生爆裂和剝落，進(jìn)一步加劇了內(nèi)部型鋼的升溫速度，減小了柱的耐火極限。因此，對(duì)約束SRC異形柱的研究亟待展開(kāi)，從而能進(jìn)一步認(rèn)識(shí)其在抗火性能減少火災(zāi)所造成的損失。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)SRC柱的抗火性能已有所研究。宋天詣等應(yīng)用有限元軟件ABAQUS建立了計(jì)算SRC柱在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下的非線性有限元模型，并且通過(guò)已有試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模型的合理性[2]。經(jīng)建生、鄭永乾、韓林海通過(guò)對(duì)SRC構(gòu)件截面溫度分布和耐火極限方面的研究得出，火災(zāi)下SRC柱承載能力受構(gòu)件截面周長(zhǎng)和長(zhǎng)細(xì)比影響較為明顯，而其中截面尺寸是影響火災(zāi)下SRC柱承載能力的主要因素[3]。Mao對(duì)7根不同受火方式下的SRC柱進(jìn)行耐火極限試驗(yàn)研究得出，三面受火較四面受火SRC柱升溫慢，荷載比和偏心率對(duì)柱耐火極限影響顯著[4]。

由于截面不同，SRC異形柱的抗火性能與SRC柱存在顯著差異，同時(shí)由于位置、維護(hù)結(jié)構(gòu)等不同，SRC異形柱可能處于不同的受火狀態(tài)?？紤]到T形截面異形柱一般作為邊柱，因此本文以標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下三面受火約束T形截面SRC異形柱為研究對(duì)象。

1　有限元模型及驗(yàn)證

1.1 有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模按照軟件中的順序熱力耦合進(jìn)行分析。

模型為實(shí)腹式SRC 異形柱，含鋼率為2%～15%，截面尺寸如圖1。最小型鋼保護(hù)層厚度為50 mm[5-6]，主筋與鋼骨之間的距離取30 mm[7]，鋼筋的保護(hù)層厚度取20mm[8]。

進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，SRC柱受火面對(duì)流換熱系數(shù)取25 W/ m2?K，綜合輻射系數(shù)取0.5。[9]材料的熱工參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律采用TT Lie給出的相關(guān)公式確定?；炷痢⑿弯摬捎肈C3D8 單元；鋼筋采用DC1D2單元；鋼筋、型鋼和混凝土之間采取綁定約束（TIE）?；炷梁托弯摍M截面網(wǎng)格尺寸控制在30 mm 左右，縱向網(wǎng)格尺寸為50mm左右。升溫曲線采用ISO-834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。

進(jìn)行力學(xué)分析時(shí)，保持溫度場(chǎng)分析的網(wǎng)格劃分和節(jié)點(diǎn)編號(hào)不變，改變單元類型?；炷?、型鋼及端板采用8 節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（C3D8R）；鋼筋采用2 節(jié)點(diǎn)桁架單元（T3D2）。端板和混凝土以及型鋼和混凝土之間采取綁定約束（TIE），鋼筋與混凝土的相互作用形式為嵌入(EMBEDDED REGION)。

邊界條件的設(shè)定：力學(xué)分析時(shí)，柱下端為餃接，約束柱X、Y、Z方向的位移，并且把繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位移約束，不考慮柱子的扭轉(zhuǎn)；柱頂約束X、Y方向位移且把繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)位移約束。

柱端部的軸向約束和轉(zhuǎn)動(dòng)約束采用SPRING2彈簧單元施加，彈簧的剛度根據(jù)柱子的截面形式和柱高計(jì)算得到。在柱頂施加軸向約束彈簧和轉(zhuǎn)動(dòng)約束彈簧，在柱底施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束彈簧。如圖2[10-11]。圖3為T形截面型鋼混凝土異形柱單元網(wǎng)格劃分圖，在溫度場(chǎng)和力學(xué)分析時(shí)網(wǎng)格劃分情況保持一致。

在軸心受壓狀態(tài)下施加荷載時(shí)，按柱受火高度的千分之一作為初始偏心距考慮了柱的初始彎曲影響。

1.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證材料性能參數(shù)及分析模型的正確性，本文選用高溫下T形截面鋼筋混凝土異形柱的抗火試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

文獻(xiàn)[12]對(duì)軸壓T 形截面鋼筋混凝土異形柱進(jìn)行了抗火試驗(yàn)。鋼筋混凝土柱截面尺寸、溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

采用 ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。爐膛內(nèi)實(shí)測(cè)升溫過(guò)程與ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的對(duì)比情況如圖5。

圖6給出了各溫度測(cè)點(diǎn)計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比曲線。靠近柱外側(cè)的測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)值和模擬值有較大偏差，這是因?yàn)檐浖谀M的過(guò)程中沒(méi)有考慮水分的蒸發(fā)以及混凝土剝落的影響。

圖7是各測(cè)點(diǎn)軸向位移的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比曲線。模擬值和試驗(yàn)值的整體趨勢(shì)一致，但是由于材料熱工參數(shù)與實(shí)際的差異，邊界條件的不同以及水蒸氣的影響等導(dǎo)致了位移值存在一定差異?？傮w上有限元模擬結(jié)果與試驗(yàn)值符合較好。

2　約束SRC異形柱軸力及變形特征

圖8為不同軸向約束剛度比下柱軸向變形隨受火時(shí)間的變化情況。由圖可知，約束柱的軸向變形受軸向約束剛度的影響較大，軸向約束剛度越小軸向變形越大。這是因?yàn)檩S向約束剛度越小，對(duì)柱的軸向變形約束能力越弱，在火災(zāi)荷載的作用下軸向變形越大。

圖9給出了軸向約束SRC異形柱軸力隨時(shí)間的變化曲線。由圖可知，柱中軸力隨時(shí)間的變化呈先增大后減小的整體趨勢(shì)，并且在相同時(shí)刻軸向約束剛度越大柱中的軸力越大。這是由于軸向約束的存在，柱在高溫下受熱膨脹加大了柱的軸力，隨著溫度的繼續(xù)升高，柱材料劣化導(dǎo)致柱縮短，從而軸力下降；軸向約束剛度越大，柱在受熱膨脹階段柱的軸向約束越大軸力越大，同樣在材料性能劣化階段，柱軸向約束下降的也越快，所以柱中軸力回到初始值的時(shí)間幾乎一致。

3　 約束T形截面型鋼混凝土異形柱耐火極限參數(shù)分析

3.1 參數(shù)范圍與選取

為分析火災(zāi)下約束SRC異形柱耐火極限的變化規(guī)律，定義軸力變化系數(shù)為P（t）/P（0），其中，P（t）為升溫過(guò)程中SRC柱中軸力，P（0）為柱初始軸力，定義約束SRC異形柱達(dá)到耐火極限為其軸力回復(fù)至初始軸力的時(shí)刻[13]。

考慮的主要因素包括：火災(zāi)荷載比μ（μ=P0 /Pu，P0為常溫下柱的軸力，Pu為常溫下柱的極限承載力）；軸向約束剛度比αs（αs=kl/ klc，kl為軸向約束剛度，klc為柱常溫軸向剛度）；長(zhǎng)細(xì)比λ（λ=l/i，l 為柱長(zhǎng)，i 為換算截面法得出的回轉(zhuǎn)半徑）；偏心率e（e=2e0/b，e0為初始偏心距，b為偏心方向相應(yīng)邊長(zhǎng)）。

采用3 種偏心距，即e分別取0.3、0.5、0.7；3 種火災(zāi)荷載比，即μ分別取0.3、0.5、0.7；4 種軸向約束剛度比，即αs分別取0.05、0.1、0.15、0.2； 3種轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比，即βr分別取1、5、10。

3.2 偏心率的影響

圖10為約束T形截面SRC異形柱耐火極限（tR表示耐火極限）隨不同偏心率的變化。由圖中可知，耐火極限受偏心率的影響不大，隨著偏心率的增大柱耐火極限略有降低。這是因?yàn)殡S著偏心率增大柱的常溫下幾下承載力降低，在相同的荷載比下施加在柱端的軸力??；同時(shí)偏心率的加大增大了P-δ效應(yīng)，降低了構(gòu)件的耐火性能。

3.3 火災(zāi)荷載比影響

圖11為約束T形截面SRC異形柱耐火極限隨火災(zāi)荷載比的變化情況。由圖可知，火災(zāi)荷載比時(shí)影響約束T形截面SRC異形柱的主要因素。在其他條件相同的情況下，構(gòu)件的耐火極限隨著火災(zāi)荷載比的增加線性降低。這是因?yàn)楹奢d比越大，構(gòu)件內(nèi)部材料的應(yīng)力越大，在火災(zāi)作用下，隨著溫度的上升材料性能劣化，用于抵抗高溫下的附加應(yīng)力的儲(chǔ)備越小，從而降低了構(gòu)件的耐火性能。

3.4 軸向約束剛度比影響

圖12是不同軸向約束剛度比下，約束T形截面SRC異形柱耐火極限隨軸向約束剛度比的變化情況。由圖可知，軸向約束剛度比從對(duì)柱的耐火極限影響不大。這是由于軸向約束的大小只影響柱中軸力的大小和變化快慢，柱中軸力回到初始值的時(shí)間是相同的所以對(duì)柱的耐火極限影響不大。

3.5 轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比影響

圖13是不同轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比下，約束T形截面SRC異形柱耐火極限隨轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比的變化情況。從圖可以看出，轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比對(duì)耐火極限有微小提高。這是由于轉(zhuǎn)動(dòng)約束的存在對(duì)于構(gòu)件的軸力變化幾乎沒(méi)有貢獻(xiàn)。

4　 結(jié)論

通過(guò)建立標(biāo)準(zhǔn)升溫下三面受火約束T形截面SRC異形柱的有限元分析模型分析了偏心率、火災(zāi)荷載比、軸向約束剛度比、轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比對(duì)約束T形截面SRC異形柱耐火極限的影響規(guī)律。基于文中分析可得到如下結(jié)論：

（1）偏心率對(duì)約束T形截面SRC異形柱耐火極限影響不大。

（2）隨著火災(zāi)荷載比的增大約束T形截面SRC異形柱的耐火極限快速降低的趨勢(shì)；

（3）隨著軸向約束剛度比的增加，約束T形截面SRC異形柱的耐火極限略有降低；隨著轉(zhuǎn)動(dòng)約束剛度比的增加略有上升。

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作者簡(jiǎn)介：徐浩然（1990-），男，江蘇泗洪人，碩士研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)抗火性能研究。

通信作者：毛小勇。