圓鋼管混凝土短柱的火災(zāi)后剩余承載力研究

李毅 王志濱??

摘要：在提出火災(zāi)全過程各階段中鋼管和核心混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ABAQUS中的熱應(yīng)力耦合分析模塊計算了ISO-834標準火災(zāi)全過程作用后圓鋼管混凝土軸壓短柱的荷載變形關(guān)系曲線，計算結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合.對火災(zāi)全過程中圓鋼管混凝土軸壓短柱的荷載變形關(guān)系、鋼管和核心混凝土的截面應(yīng)力分布以及兩者之間的相互作用進行了分析，探討了升溫時間、初始荷載、截面含鋼率、鋼材強度、混凝土強度、防火保護層厚度和截面尺寸等參數(shù)對圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的影響規(guī)律，最終提出了圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的簡化計算公式.

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；短柱；火災(zāi)全過程；剩余承載力；有限元分析；簡化計算

中圖分類號： TU398.9文獻標識碼：A

隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用和高層建筑火災(zāi)事故的日益增多，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究越來越受到人們的重視，對火災(zāi)后鋼管混凝土柱殘余力學(xué)性能的研究也在不斷深入.霍靜思等[1]對高溫后鋼管混凝土抗沖擊性能進行了試驗研究；Han和Huo[2]提出了未受初始荷載的火災(zāi)后鋼管混凝土長柱的剩余承載力簡化計算方法；Yang等[3]采用纖維模型法對鋼管混凝土長柱進行了火災(zāi)全過程分析，提出了適用于存在初始荷載作用的火災(zāi)后鋼管混凝土長柱剩余承載力的預(yù)測方法.軸壓短柱是建筑結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)件之一， 林曉康[4]和余鑫對火災(zāi)后的鋼管混凝土軸壓短柱進行了試驗研究；Han等[6]和Tao等[7]報道了火災(zāi)后的軸壓短柱試驗；Huo等[8]對承受初始荷載的圓鋼管混凝土軸壓短柱在經(jīng)歷恒高溫作用后的力學(xué)性能進行了試驗研究；Song等[9]采用順序耦合的熱應(yīng)力分析方法對鋼管混凝土軸壓短柱進行了火災(zāi)全過程分析.試驗研究和理論分析的最終目的是為工程設(shè)計提供可靠參考，而對于如何評估火災(zāi)后軸壓短柱的剩余承載能力，目前尚未見相關(guān)報道.

本文采用有限元軟件ABAQUS對圓鋼管混凝土軸壓短柱進行火災(zāi)全過程分析，采用完全耦合的熱力分析模塊建立考慮火災(zāi)全過程影響的圓鋼管混凝土軸壓短柱的有限元計算模型，對火災(zāi)全過程中圓鋼管混凝土軸壓短柱的工作機理進行深入研究，對火災(zāi)后圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的影響參數(shù)進行比較分析，最后提出火災(zāi)后圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的簡化計算方法.

1有限元計算模型

1.1溫度作用曲線

目前火災(zāi)試驗多采用國際標準化組織建議的ISO-834室內(nèi)環(huán)境溫度曲線[10]，如圖1所示，th為升溫時間，根據(jù)實際火災(zāi)情況確定，tp為室內(nèi)溫度降至常溫的時間.標準化室內(nèi)環(huán)境溫度曲線雖不能真實反映火災(zāi)全過程中室內(nèi)環(huán)境溫度的變化，但可為結(jié)構(gòu)抗火研究提供統(tǒng)一標準，使大量火災(zāi)試驗結(jié)果具有可比性.

湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）2015年

第9期李毅：圓鋼管混凝土短柱的火災(zāi)后剩余承載力研究

ISO-834室內(nèi)環(huán)境溫度曲線中未給出火災(zāi)后構(gòu)件內(nèi)部溫度恢復(fù)至常溫的終點時刻tr，在采用有限元軟件ABAQUS計算構(gòu)件截面溫度場時發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件內(nèi)部溫度的變化不僅與室內(nèi)環(huán)境溫度變化有關(guān)，還與構(gòu)件截面尺寸及防火保護層厚度有關(guān).本文根據(jù)有限元計算結(jié)果，以升溫時間、截面尺寸和防火保護層厚度為自變量，通過多元非線性回歸得到了tr的計算公式如下：

4結(jié)論

1） 采用本文提出的高溫中、高溫后以及降溫階段的鋼材和核心混凝土應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，基于完全耦合的熱力分析方法對圓鋼管混凝土軸壓短柱進行火災(zāi)全過程分析是可行的.

2） 火災(zāi)全過程中核心混凝土和鋼管的縱向應(yīng)力分布主要與截面溫度場分布有關(guān).火災(zāi)中鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生分離，鋼管對核心混凝土的約束作用消失；當室內(nèi)環(huán)境溫度降至常溫后，鋼管開始對核心混凝土產(chǎn)生約束作用.

4） 影響火災(zāi)后圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的主要參數(shù)為：受火時間、防火保護層厚度和截面尺寸.

5） 按本文提出的簡化計算公式計算的結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，可為有關(guān)工程設(shè)計提供參考.

參考文獻

[1]霍靜思， 何遠明， 肖莉平， 等. 高溫后鋼管混凝土抗多次沖擊力學(xué)性能試驗研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2012， 39（9）：6-10.

HUO Jingsi，HE Yuanming，XIAO Liping，et al.Experimental study on the dynamic behavior of concretefilled steel tube after exposure to high temperatures under multiple impact loadings[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2012， 39（9）： 6-10. （In Chinese）

[2]HAN L H， HUO J S. Concretefilled hollow structural steel columns after exposure to ISO-834 fire standard[J]. Journal of Structural Engineering， 2003， 129（1）：68-78.

[3]YANG H， HAN L H， WANG Y C. Effects of heating and loading histories on postfire cooling behaviour of concretefilled steel tubular columns[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2008， 64（5）： 556-570.

[4]林曉康. 火災(zāi)后鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的滯回性能研究[D]. 福州： 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 2006： 43-47.