圓鋼管混凝土柱外伸端板框架耐火性能研究

董亞超，曹仕君

(蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215000)

0 前 言

空心鋼型材(HSS)柱與開放型鋼相比具有更高的抗扭剛度和更好的屈曲強度，截面內(nèi)部的混凝土通過增加構(gòu)件的強度來防止鋼管局部彎曲，以增強結(jié)構(gòu)性能。同時，鋼管能夠有效限制混凝土變形，提高混凝土強度和剛度。因此，由于兩種材料的共同作用，鋼管混凝土柱CFT的優(yōu)勢已得到廣泛證明。并且由于材料的減少，不論從美學角度還是從經(jīng)濟角度考慮，鋼管混凝土柱對于設計者來說都更具吸引力[1]。

結(jié)構(gòu)設計人員已經(jīng)對CFT的性能進行了大量研究。但是由于數(shù)據(jù)的缺乏以及對其定義的了解不夠深入，如何把梁成功與柱連接成為一個難題。連接類型的選擇取決于每種特殊情況所需的結(jié)構(gòu)特性。不同于承受地震作用，它通常設計成一種支持剪切荷載，并且能夠極為靈活地適應梁的轉(zhuǎn)動的連接節(jié)點，這種連接方式也稱為半剛性連接。半剛性連接按構(gòu)造可以分為：①頂?shù)捉卿撨B接；②平齊端板連接；③外伸端板連接；④T型件連接[2]，本文采用是外伸端板連接。在實際施工中，鋼管內(nèi)部由于是半封閉截面，除了焊接的手段，目前應用較多是一種單邊螺栓結(jié)構(gòu)，它可以實現(xiàn)單側(cè)安裝、單側(cè)擰緊功能，可以實現(xiàn)不破壞鋼管的前提下完成安裝，并且高強螺栓預先設置扭矩，使得最終節(jié)點處的質(zhì)量具有穩(wěn)定性，與焊接相比，單邊螺栓連接減少了大量的人工成本，縮短了施工周期。有效減少安裝時間，節(jié)約焊接成本，同時避免維護問題[3]。

目前，國外使用的鋼構(gòu)件連接單邊螺栓主要包括：美國的BOM、HSBB、Ultra-Twist螺栓，荷蘭的Flowdrill螺栓，日本的TCBB螺栓，英國的Hollo-Bolt、RMH、EHB、Molabolt、BlindBolt螺栓，澳大利亞Ajax ONESIDE螺栓等[4]。

Hollo-Bolt 及其改進型螺栓(以下簡稱HB螺栓)的構(gòu)造簡單、施工方便、傳力機理明確，筆者主要針對此類螺栓連接框架開展研究，如圖1所示。

圖1 Hollo-Bolt螺栓

鑒于以上綜述，可以發(fā)現(xiàn)單邊螺栓結(jié)構(gòu)很好地應用于各類結(jié)構(gòu)與鋼管混凝土柱連接中，目前也得到了廣泛的應用，但是由單邊螺栓節(jié)點組成的鋼管混凝土框架在高溫下力學性能和破壞機理研究鮮有報導，由于鋼材熱傳導系數(shù)較高，升溫迅速且在600℃以上材性退化明顯，而單邊螺栓連接的鋼管混凝土框架含鋼率較高，高溫下，框架的破壞模態(tài)和影響框架耐火極限的參數(shù)都需要通過有限元分析模型來進行更深入的研究。

1 有限元模型

1.1 模型建立

模型以整體結(jié)構(gòu)中典型單層單跨單榀框架為研究對象，詳細尺寸見圖2。試件的柱截面為圓形鋼管截面，直徑為200 mm，強度為Q345，柱子內(nèi)部澆筑混凝土采用C50，試件的梁截面采用H型鋼，等級為Q235。鋼梁和端板之間采用焊接方式，端板等級同梁，梁柱之間采用單邊螺栓連接，類型為M16(8.8級)?？紤]樓板的吸熱作用，每榀框架均考慮了混凝土板，板寬600 mm，板厚80 mm，板中鋼筋采用HRB400E，縱向鋼筋6根間距90 mm，直徑10 mm；分布鋼筋27根，間距70 mm，直徑10 mm。鋼梁上焊接雙排52根10 mm×60 mm ML15型栓釘，沿梁長方向間距70 mm，垂直于梁長方向，間距為50 mm。防火涂料為厚涂型非膨脹涂料，導熱系數(shù)為λ=0.097 W/(m·K)，密度為400 kg/m3，比熱為c=1.047×103 J/(kg·K)，內(nèi)部混有碳纖維加固。

圖2 鋼管混凝土框架(單位：mm)

1.2 幾何模型

對于裝配式圓鋼管混凝土柱鋼梁單邊螺栓連接框架的熱-力耦合分析，首先計算標準升溫曲線下，框架的溫度場分布，再將其計算結(jié)果導入力學分析中。各部件按照實際尺寸進行幾何建模，各部件劃分網(wǎng)格方式按照結(jié)構(gòu)和掃筋，其中帶螺栓孔的端板和鋼管均采用掃筋中性軸算法，實際結(jié)果較好。有限元分析時，混凝土、鋼梁、單邊螺栓、端板、鋼管均采用DC3D8實體單元，混凝土板內(nèi)的鋼筋采用T3D2桁架單元，栓釘采用B31梁單元。其中值得注意的是，單邊螺栓根據(jù)其實際情況建模，但為了計算更好收斂，將兩個墊圈轉(zhuǎn)化為曲面形式，使其與鋼管和端板完全貼合。

1.3 邊界條件

框架的初始溫度為20℃，根據(jù)歐洲規(guī)范，受火面的對流換熱系數(shù)取25 W/(m2·K)，非受火面的對流換熱系數(shù)取9 W/(m2·K)[5-6]，混凝土和鋼材表面的綜合輻射系數(shù)取0.7，升溫曲線采用ISO834曲線[7]，兩邊柱底部采用固定約束條件，頂部與一塊260 mm×20 mm的圓形端板固定約束，梁在混凝土板跨中位置設置一塊100 mm×210 mm的矩形端板，分別在端板上施加對應荷載比的均布荷載。

1.4 界面接觸

在進行溫度場分析時，鋼管和混凝土、鋼管和端板、螺栓和混凝土、鋼梁和端板、鋼筋和混凝土、栓釘和混凝土、混凝土板和鋼梁的接觸均采用“Tie”方式。

在進行力場分析時，單邊螺栓和混凝土界面接觸采用“Embed”方式，栓釘和混凝土板接觸采用“Embed”方式，與鋼梁接觸采用“Tie”方式，環(huán)形端板和鋼梁接觸采用“Tie”方式，鋼筋和混凝土板接觸采用“Embed”方式，整體模型除以上界面，其余接觸均采用法向“硬接觸”，切向采用庫倫摩擦模型，界面摩擦系數(shù)取0.6。

2 模擬結(jié)果

2.1 影響框架抗火參數(shù)

本文研究含鋼率、保護層厚度、荷載比、端板厚度對裝配式圓鋼管混凝土框架耐火極限的影響。

2.2 荷載比

本文設鋼管壁厚為8 mm，CFT柱直徑為200 mm，端板厚度為8 mm，保護層為20 mm。荷載比梯度設置為0.2、0.4、0.6、0.8。由分析結(jié)果可知火災荷載比對框架跨中撓度變形曲線影響較大。隨著荷載比的增加，框架應力場增大，由剛開始的梁破壞轉(zhuǎn)為柱破壞，其達到耐火極限時間由179 min降低為63 min。

2.3 含鋼率

根據(jù)有關(guān)研究，對于同類型節(jié)點，增大柱壁厚度可有效提高節(jié)點的承載能力和剛度，故本文設鋼管厚度梯度為1、3、5、7、9 mm，荷載比為0.1，端板厚度為8 mm，保護層厚度為0 mm。從分析結(jié)果可以得知，含鋼率對框架柱火災下壓縮變形曲線影響明顯，隨著鋼管厚度不斷減小，圓鋼管混凝土框架耐火極限不斷減小，從37 min減小為12 min。值得注意的是，當含鋼率減小時，其膨脹變形量也在不斷減小，直至鋼管厚度達到3 mm和1 mm時，由于柱截面含鋼率較小，其膨脹變形與壓縮變形抵消后接近為0。

2.4 端板厚度

本文設置端板厚度梯度為6、8、10、12 mm，荷載比為0.4，鋼管壁厚為8 mm，保護層厚度20 mm。由分析結(jié)果可以看到，端板厚度對于框架跨中撓度變形時間曲線影響較小，當端板厚度由6 mm依次增加至12 mm，耐火極限依次增加14、9、5 min，其增長幅度逐漸減小?？傮w來說，端板厚度增加，對圓鋼管混凝土框架耐火極限影響較小，增長幅度不明顯。

2.5 保護層厚度

防火涂料依據(jù)防火機理可分為膨脹型和非膨脹型，依據(jù)其厚度可分為厚涂型防火涂料、薄涂型防火涂料和超薄型防火涂料[7]，厚度依次為8～50、3～7、0～3 mm，本文設置8、12、16、20、24、28 mm防火涂料厚度梯度，研究防火涂料厚度對裝配式圓鋼管混凝土框架耐火極限的影響，并設置荷載比為0.2和0.4兩個梯度，鋼管壁厚和端板厚度都為8 mm。由分析結(jié)果可知，當厚涂型防火涂料厚度為8、12、16 mm時，其耐火極限增長幅度較小，荷載比為0.2時，其耐火極限增加9 min和17 min，荷載比為0.4時，其耐火極限增加11 min和15 min。在相同保護層厚度條件下，荷載比增大后，其耐火極限也相應減小，符合不同荷載比對裝配式圓鋼管混凝土框架耐火極限影響的參數(shù)分析結(jié)果，即荷載比增加，框架應力場增大，裝配式圓鋼管混凝土框架達到耐火極限時間也越短。

3 結(jié) 論

1)對裝配式圓鋼管混凝土框架耐火極限影響較大的參數(shù)有：荷載比、含鋼率和保護層厚度。

2)隨著荷載比、含鋼率和保護層厚度增加，框架耐火極限增大，其增長幅度較大。

3)端板厚度對裝配式圓鋼管混凝土框架耐火極限影響較小，隨著端板厚度增加，框架耐火極限增加，但增長幅度較小。

[ID:013264]