帶肋薄壁方鋼管混凝土柱溫度場試驗(yàn)研究與分析

王微微，米振偉，呂學(xué)濤，張玉琢

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，阜新，123000)

帶肋薄壁方鋼管混凝土柱溫度場試驗(yàn)研究與分析

王微微，米振偉，呂學(xué)濤*，張玉琢

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，阜新，123000)

為研究帶肋薄壁鋼管混凝土柱在火災(zāi)下的溫度分布，進(jìn)行3根足尺帶肋薄壁方鋼管混凝土柱升溫試驗(yàn)。建立方鋼管混凝土柱溫度場有限元模型，模型計算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好。利用模型分析了典型的溫度場分布規(guī)律，并研究了各參數(shù)對構(gòu)件溫度場的影響規(guī)律。結(jié)果表明：構(gòu)件截面溫度場在四面受火狀態(tài)下呈雙軸對稱分布，且角部溫度較高。加勁肋對構(gòu)件溫度場的影響僅限于焊接點(diǎn)附近，加勁肋間距和含鋼率對構(gòu)件整體溫度場影響微?。唤孛孢呴L、受火時間和受火方式是影響構(gòu)件溫度場的主要因素。

標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)；帶肋薄壁方鋼管混凝土柱；溫度場；加勁肋；有限元分析

0 引言

隨著人民生活水平的提高，生活方式的多樣化，建筑火災(zāi)發(fā)生的機(jī)率大大增加，由于鋼管混凝土結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用廣泛，因此鋼管混凝土柱的抗火性能研究尤為重要[1]。國外對鋼管混凝土柱抗火性能的研究起步較早，其中Lie和Kodur對各種類型的鋼管混凝土柱進(jìn)行了一系列的抗火性能試驗(yàn)[2, 3]，為后續(xù)相關(guān)的理論研究工作奠定了研究基礎(chǔ)。目前我國學(xué)者對鋼管混凝土柱的抗火研究也取得了較多的成果。Han等[4]報道了在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下，13根圓截面鋼纖維混凝土柱溫度場試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)考慮截面尺寸和鋼管壁厚對試件溫度場的影響。Yang等[5]介紹了在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下3根矩形截面鋼管混凝土柱的溫度場試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)還考慮了受火面的變化，即三面或四面受火對試件溫度場的影響。吳等[6]對3根配筋鋼管混凝土柱進(jìn)行了火災(zāi)下力學(xué)性能的試驗(yàn)研究。呂等[7, 8]進(jìn)行了單面、相對兩面及三面受火的方鋼管混凝土柱的耐火極限和抗火性能的試驗(yàn)研究與理論分析。韓等[9]介紹了4根鋼管混凝土柱的溫度場試驗(yàn)結(jié)果，并在數(shù)值模擬中考慮了水分、接觸熱阻和高溫瞬態(tài)熱應(yīng)變的影響。

本文進(jìn)行了3根帶肋薄壁方鋼管混凝土柱的火災(zāi)試驗(yàn)，而構(gòu)件溫度場分析是后續(xù)研究抗火性能的重要組成部分，尤其加勁肋對構(gòu)件溫度場的影響機(jī)理研究尚未見報道，為此本文在試驗(yàn)結(jié)果對理論計算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分析加勁肋間距、截面尺寸和受火方式等因素對溫度場的影響，為后續(xù)構(gòu)件的抗火性能研究提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 構(gòu)件設(shè)計

本次試驗(yàn)共設(shè)計制作了3根薄壁方形鋼管混凝土柱，凈高2360 mm，截面尺寸300 mm×300 mm，柱上下端分別設(shè)置20 mm厚蓋板，距離上下蓋板200 mm處設(shè)置直徑20 mm的散熱孔，以保證升溫過程中混凝土內(nèi)部水分的遷移蒸發(fā)。

鋼管采用厚度為2 mm的薄鋼板，內(nèi)填C30混凝土。為防止鋼管在試驗(yàn)中過早鼓屈而失效，在鋼管內(nèi)壁設(shè)置直徑為6 mm的鋼筋加勁肋，設(shè)置三種不同間距：0 mm(S1)、100 mm(S2)、150 mm(S3)，以考慮加勁肋對構(gòu)件溫度場的影響。

在距離下蓋板730 mm、1530 mm、1830 mm處截面上設(shè)置3組熱電偶。為測量混凝土溫度，在距離鋼管表面37 mm、70 mm和150 mm(混凝土中心)分別設(shè)置測點(diǎn)，如圖1。

圖1 試件詳圖(單位：mm)Fig.1 Details of specimens(unit: mm)

1.2 火災(zāi)試驗(yàn)

試驗(yàn)在湘潭大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，本試驗(yàn)采用裝配式電熱爐為構(gòu)件升溫，構(gòu)件兩端分別伸出爐體280 mm，以保證足夠的壓縮變形空間，實(shí)際受火高度1800 mm。升溫前先在構(gòu)件上逐級施加壓力，達(dá)到設(shè)計荷載穩(wěn)壓十分鐘后開始升溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 曲線分布

電熱爐由6塊爐體拼接而成，每塊爐體各設(shè)置一熱電偶用來實(shí)時監(jiān)測爐內(nèi)溫度，各測點(diǎn)實(shí)測溫度(T)—受火時間(t)曲線如圖2所示。

圖2 構(gòu)件實(shí)測溫度Fig.2 Measured temperatures of specimen

由圖2可以看到：(1) 受火早期鋼管表面升溫較快，后期變緩，升溫曲線變化趨勢與爐溫升溫曲線大體相同。(2) 距離鋼管37 mm測點(diǎn)，由于距離受火面較近，升溫速率較核心混凝土相比明顯加快，達(dá)到100 ℃后仍然有溫度平臺，但不明顯。(3) 距離鋼管70 mm測點(diǎn)，升溫曲線趨勢與混凝土中心測點(diǎn)基本相同，升溫速率加快，在達(dá)到100 ℃后出現(xiàn)溫度平臺，持續(xù)時間短于混凝土中心測點(diǎn)。(4) 混凝土中心測點(diǎn)在試驗(yàn)開始的30 min內(nèi)溫度無明顯上升，隨著爐內(nèi)溫度升高出現(xiàn)上升段。在達(dá)到100 ℃后，有明顯的溫度平臺，且持續(xù)時間較長。(5) 本次試驗(yàn)是方形薄壁鋼管混凝土柱耐火性能試驗(yàn)的一部分,構(gòu)件S1、S3由于受火時間較短的原因,導(dǎo)致混凝土測點(diǎn)溫度均未達(dá)到100 ℃。由此可以看出，升溫速率、溫度平臺段和最高溫度均與距離受火面的遠(yuǎn)近相關(guān)，距離受火面越近，其溫度平臺越短，升溫速率越快。同時混凝土材料屬于多孔介質(zhì)，其內(nèi)部存在游離水、膠凝水和結(jié)晶水，隨著溫度的增加，混凝土內(nèi)部的水分產(chǎn)生復(fù)雜的遷移變化。這是混凝土升溫曲線出現(xiàn)平臺段的主要原因。

3 數(shù)值模擬

3.1 建模參數(shù)及結(jié)果驗(yàn)證

溫度場分析用ABAQUS/standard模塊，核心混凝土采用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體熱分析單元DC3D8，外部鋼管采用殼體熱分析單元S4R，內(nèi)部鋼筋加勁肋采用一維桁架熱分析單元T3D2。本試驗(yàn)使用電爐升溫，電爐四周封閉，爐內(nèi)的空氣流動相對微弱，電阻絲與試件之間的距離較小，因此綜合輻射系數(shù)取0.7[10]，對流換熱系數(shù)參考文獻(xiàn)[11]的建議取值25 W/(m2·℃)。要分析火災(zāi)下構(gòu)件內(nèi)部的溫度分布規(guī)律，不僅要確定外部溫度條件，還要確定構(gòu)件材料各項熱工系數(shù)，包括：密度ρ(kg/m3)、比熱l(W/m℃)、體積熱容ρc(J/m3℃)。本文熱工參數(shù)采用文獻(xiàn)[12]提供的表達(dá)式計算，通過調(diào)整混凝土比熱容考慮含水率(取5%)的影響，并假定超過100 ℃時水分全部蒸發(fā)。

構(gòu)件在加工制作中，鋼管與混凝土的接觸只是離散的點(diǎn)或面接觸，其余由導(dǎo)熱系數(shù)不同的空氣或其他介質(zhì)填充，導(dǎo)致鋼管與混凝土兩種截面之間在升溫時產(chǎn)生溫差。本次試驗(yàn)過程中，荷載的施加影響了接觸面之間的壓力，鋼管鼓曲處出現(xiàn)脫空，加大了這種差異，因此建模過程中引入接觸熱阻，參考文獻(xiàn)[8、13]的建議，接觸熱阻值取值范圍R=0.01 K·m2/W～0.03 K·m2/W。經(jīng)試算本文取值R=0.02 K·m2/W。為驗(yàn)證本文模型，選用試驗(yàn)爐同為熱電爐的文獻(xiàn)[10]中兩根圓形鋼管混凝土柱的溫度場試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖3(a)、圖3(b))和本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖3(c)～圖3(h))，計算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果吻合較好(圖3(a)、圖3(b))。

圖3 計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Fig.3 Comparison between computed results and test results

3.2 典型溫度場分析

建模參數(shù)：截面邊長B=300 mm、鋼管厚度ts=2 mm、加勁肋直徑d=6 mm、加勁肋間距R=100 mm。由圖4可以看到，方形構(gòu)件在四面受火情況下，溫度場分布為雙軸對稱圖形，溫度從外向內(nèi)逐漸降低。由于受兩側(cè)鋼管傳熱的影響，構(gòu)件截面角部溫度較高，混凝土核心區(qū)域溫度較低。圖4可看出隨著受火時間增加，構(gòu)件升溫速率明顯增大；距離受火面越近，溫度梯度變化越大?；炷恋膫鳠嵝阅茌^差，因此混凝土內(nèi)部溫度梯度較大,特別是外側(cè)部位。四面受火邊界的條件使構(gòu)件截面溫度應(yīng)變和溫度應(yīng)力均勻?qū)ΨQ。溫度沿構(gòu)件長度均勻分布情況下，雙軸對稱受火條件不會使截面材料產(chǎn)生強(qiáng)度偏心，其抗火性能與單軸對稱受火條件相比并不相同。

對于巖質(zhì)邊坡工程如圖2所示，由圖1、圖2可以看出，巖質(zhì)邊坡類型與高中物理斜面模型非常相似。圖3為華山巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出華山巖質(zhì)邊坡程片狀結(jié)構(gòu)分布，與高中物理斜面模型也很相似。邊坡是地質(zhì)體的基本工程狀態(tài)之一，如自然巖質(zhì)邊坡、露天開挖、水利建設(shè)中開挖形成的邊坡，開挖路塹形成的路塹邊坡都是邊坡的一種形式，特別是20世紀(jì)80年代以來，隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的恢復(fù)和高速發(fā)展及自然因素的影響，滑坡災(zāi)害呈逐年加重趨勢。因此研究邊坡工程在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的意義。

圖4 截面溫度梯度 Fig.4 Temperature gradient of section

實(shí)際工程中，通常設(shè)置加勁肋來延緩鋼管鼓曲，而鋼材的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)高于混凝土，因此熱量會通過加勁肋輸送到混凝土中。試驗(yàn)結(jié)果表明(圖5)，混凝土核心區(qū)域溫度場并沒有因加勁肋間距的變化而產(chǎn)生波動。模擬結(jié)果表明，由于加勁肋要吸收更多的熱量傳遞，因此在鋼管表面形成以焊接點(diǎn)為中心的熱影響區(qū)域且溫度較低(圖6)。焊接點(diǎn)處附近混凝土溫度較高且變化劇烈，以焊接點(diǎn)為中心，隨著距離的增加，混凝土溫度曲線下降幅度越小，曲線趨于平緩(圖7)。

圖5 加勁肋間距不同時混凝土中心點(diǎn)處實(shí)測溫度Fig.5 Temperature in concreteunder different spacing distances of stiffener

H為焊點(diǎn)附近鋼管測點(diǎn)受火時間圖6 加勁肋附近鋼管溫度梯度Fig.6 Temperature gradient of steel tube near stiffener

S為焊點(diǎn)附近混凝土測點(diǎn)距離鋼管表面深度圖7 加勁肋附近混凝土溫度梯度Fig.7 Temperature gradient of concrete near stiffener

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)椋?1) 加勁肋傳遞的熱量與其截面積成正比，較小的鋼筋截面積與混凝土的熱惰性使熱量聚集在焊接點(diǎn)附近而無法到達(dá)內(nèi)部，因此在外圍混凝土形成以焊接點(diǎn)為中心的半橢球形熱影響范圍。(2) 鋼管的高導(dǎo)熱性且厚度較薄，其溫度場對加勁肋的熱干擾較敏感，產(chǎn)生異變區(qū)域。

3.3 參數(shù)分析

依據(jù)試驗(yàn)和模擬的結(jié)果，分析了在ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下，受火時間、受火方式、含鋼率、加勁肋間距與截面邊長對構(gòu)件溫度場的影響。除特別說明外，模型相關(guān)參數(shù)為：加勁肋間距S=100 mm、加勁肋直徑d=6 mm、鋼管厚度ts=2 mm、截面邊長B=300 mm、含鋼率=2.7%。

3.3.1 受火方式

考慮單軸對稱(以三面受火為例)和雙軸對稱(以相對兩面受火為例)兩種受火邊界，其截面溫度梯度如圖8。可見不論何種受火方式，受火面附近溫度變化劇烈，隨著向背火面延伸，溫度降低較快且趨于平緩。在雙軸對稱受火條件下，截面溫度仍為雙軸對稱，且相對面溫差較小。在單軸對稱受火條件下，溫度分布為單軸對稱，最低溫度軸偏向于背火區(qū)域，且受火和背火面溫差超過500 ℃，因此混凝土將產(chǎn)生截面材料強(qiáng)度偏心。同時混凝土與鋼管的熱膨脹系數(shù)存在差異，較薄的鋼管在升溫初期鼓曲的速度較快，其內(nèi)表面與混凝土表面過早脫離，降低對混凝土的約束作用。受火面與背火面存在較大溫差，因而兩種受火面附近材料膨脹不對稱，這種變形差導(dǎo)致構(gòu)件產(chǎn)生附加撓度，直接影響其抗火性能。

圖8 受火方式的影響Fig.8 Effect of fire exposure ways

3.3.2 受火時間

圖9 受火時間的影響Fig.9 Effect of fire exposure time

3.3.3 加勁肋間距與截面邊長比

較密的加勁肋會對構(gòu)件局部溫度場造成一定的異動，但截面邊長增加引起的體積變化會削弱加勁肋對構(gòu)件整體溫度場造成的負(fù)面作用，所以單一考慮間距并不能全面體現(xiàn)加勁肋對構(gòu)件溫度場的影響，本文引入加勁肋間距與構(gòu)件截面邊長之比β來評估其影響大小。如圖10，在不同比值的情況下，截面溫度梯度并沒有發(fā)生明顯的變化，因此加勁肋對混凝土溫度場的影響只體現(xiàn)在局部區(qū)域(如焊接點(diǎn)處)，對構(gòu)件整體溫度場影響較小。

圖10 不同加勁肋間距與邊長比的影響Fig.10 Temperatures under different ratios of stiffener spacing distance to length

3.3.4 截面邊長

圖11為構(gòu)件截面邊長B不同時混凝土中心溫度-時間變化曲線。不同截面邊長引起構(gòu)件較大的體積變化，且混凝土導(dǎo)熱性較差，因此在相同條件下隨著截面邊長增加而混凝土中心溫度明顯降低，截面邊長對構(gòu)件溫度場的影響較大。

圖11 截面邊長的影響Fig.11 Effect of cross-sectional dimensions

3.3.5 含鋼率

圖12為含鋼率變化時(鋼管厚度依次為2 mm、4 mm、6 mm、8 mm)混凝土中心溫度-時間曲線。隨著含鋼率的增加，混凝土中心溫度逐漸減小，變化幅度遞減。這是由于含鋼率的變化對鋼管體積影響較大，對熱量傳遞而言，鋼管相當(dāng)于防火層，其體積變化增加了這種溫度阻礙作用，同時混凝土吸熱能力較強(qiáng)，這種作用的影響并不明顯，因此含鋼率對構(gòu)件溫度場的影響較小。

4 結(jié)論

本文通過方形帶肋薄壁鋼管混凝土柱火災(zāi)試驗(yàn)研究，并利用ABAQUS軟件進(jìn)行構(gòu)件溫度場分析后，得出以下結(jié)論：

圖12 含鋼率的影響Fig.12 Effect of steel ratio

(1)相比于傳統(tǒng)鋼管混凝土柱，加勁肋的施加對構(gòu)件溫度場的影響僅限于局部，如造成焊點(diǎn)附近混凝土溫度升高，對于橫截面方向的溫度場還是以梯度形式分布。

(2)在構(gòu)件升溫過程中，鋼管的升溫速率較快，混凝土升溫速率較慢，構(gòu)件截面角部溫度較高，核心區(qū)混凝土溫度較低。

(3)模擬結(jié)果表明，火災(zāi)時間、受火方式和截面邊長對構(gòu)件溫度場影響較大，而含鋼率與加勁肋間距對構(gòu)件整體溫度場影響較小。

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Experimental studies and FEM analysis of temperature distribution of thin-walled square concrete-filled steel tube with steel bar stiffeners

WANG Weiwei， MI Zhenwei， LV Xuetao， ZHANG Yuzhuo

(School of Civil Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China)

A test was conducted and a finite element model was established to study the temperature distribution in thin-walled square concrete-filled steel tube with steel bar stiffeners under standard fire. The reliability of the approach was validated by the good agreements between the theoretical results and the experimental data at elevated temperature. The effects of parameters on the temperature distribution of thin-walled square concrete-filled steel tube with steel bar stiffeners under standard fire were analyzed. Results show that under the standard fire exposure, the temperature field shows a distribution of biaxial symmetry. The effects of steel bar stiffeners on temperature distribution is limited to the field of near weld. Steel bar spacing and steel ratio have slight influence on temperature field of columns. Size of the cross section, fire exposure time and the surface varieties of fire exposure are the main factors influencing the temperature field of columns.

Square concrete-filled steel tubes with steel bar stiffeners; Temperature field; Model verification; Steel bar stiffener; Finite element analysis

2016-04-10；修改日期：2016-11-09

遼寧省教育廳一般項目(LJYL033)

王微微(1980-)，女，講師，博士生，主要從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火性能研究。

呂學(xué)濤, Email: lxtwww30@sina.com

1004-5309(2017)-00093-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.05

X93; X932

A