基于鋼混組合柱構(gòu)件的耐火性分析

周曉勇

摘要：鋼混組合柱構(gòu)件的耐火性關(guān)系著相關(guān)建筑的消防安全，所以針對(duì)鋼混組合柱構(gòu)件的耐火性進(jìn)行研究十分有必要。本文基于筆者的研究時(shí)間，對(duì)不同防火保護(hù)層的鋼混組合柱構(gòu)件的耐火極限進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，最終以蒸壓輕質(zhì)混凝土板為保護(hù)層的鋼混組合柱構(gòu)件耐火性表現(xiàn)最好，所以蒸壓輕質(zhì)混凝土板更適合作為鋼混組合柱構(gòu)件的防火層來(lái)進(jìn)行使用。

關(guān)鍵詞：鋼混組合柱構(gòu)件;有限元分析;耐火性

鋼混組合柱構(gòu)件是一種用途廣泛的建筑構(gòu)件，其自身承載能力強(qiáng)，延展性好等優(yōu)勢(shì)，但也有明顯的缺點(diǎn)，最為突出的就是鋼混組合柱的耐火性較差，所以鋼混組合柱在使用的過(guò)程中通常會(huì)加設(shè)防火保護(hù)層摻入耐火鋼來(lái)提高鋼混組合柱構(gòu)件的耐火性。本文主要就鋼混組合柱構(gòu)件的耐火性進(jìn)行分析，針對(duì)防火保護(hù)層的厚度和種類(lèi)進(jìn)行模型分析和對(duì)比，最終找出適合鋼混組合柱構(gòu)件的防火保護(hù)層。

1 方鋼管混凝土組合柱概述

1.1 原料

本次研究所選擇的鋼混組合柱構(gòu)件是L型鋼管混凝土組合柱4根，試件的防火保護(hù)層均有不同，在此以1、2、3、4標(biāo)號(hào)。防火保護(hù)層分為厚涂型防火涂料和蒸壓輕質(zhì)混凝土板，其中厚涂型防火涂料的厚度為400kg·m-3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.116W·m1·℃-1，比熱容為1047J· kg-1.℃-1;蒸壓輕質(zhì)混凝土板的厚度為600kg· m-3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.170W.m-1.℃ -1，比熱容為1700J· kg-1.℃-1。符合國(guó)家GB/T97762008鋼混組合柱以及其他相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

其中1號(hào)為無(wú)防火涂層，2號(hào)為厚涂型防火涂料，3號(hào)為蒸壓輕質(zhì)混凝土板，4號(hào)為厚涂型防火涂料加蒸壓輕質(zhì)混凝土板。

1.2 溫度場(chǎng)模型

利用相關(guān)軟件建立溫度場(chǎng)模型，對(duì)流系數(shù)依照試驗(yàn)情況設(shè)定為25W/ （m2· K），防火板和鋼管的表面輻射系數(shù)設(shè)定為0.8和0.5，各個(gè)部分之間的接觸熱阻忽略，設(shè)定為各部分之間熱量處于完全傳遞的狀態(tài)。依照不同部分特性，本次設(shè)計(jì)的鋼混結(jié)構(gòu)柱模型采用網(wǎng)格劃分，混凝土針對(duì)其特性采用8結(jié)點(diǎn)線性熱傳遞實(shí)體單元DC3D8，鋼管針對(duì)其特性采用4結(jié)點(diǎn)線性熱傳遞殼單元DS4。

1.3 方法

鋼材采用高溫下鋼材應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系與熱膨脹模型，混凝土采用混凝土瞬態(tài)熱應(yīng)變計(jì)算式。利用ABAQUS進(jìn)行順序熱力耦合分析，鋼材采用理想彈塑性模型，滿足vonMises屈服準(zhǔn)則，混凝土采用塑性損傷模型。鋼管與混凝土之間法向采用硬接觸，切向采用庫(kù)侖摩擦。對(duì)鋼管混凝土，建議摩擦系數(shù)μ可取0.2 - 0.6，考慮高溫作用，本文取界面摩擦系數(shù)為0.3。端板與混凝土之間采用硬接觸。兩側(cè)端板邊界條件設(shè)置為鉸接。鋼材采用SR4單元，混凝土采用C3D8R單元。

2 耐火性分析

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，測(cè)得1號(hào)試件的耐火極限為62，其計(jì)算值為64;2號(hào)試件的耐火極限為80，其計(jì)算值為82;3號(hào)試件的耐火極限為169，共計(jì)算值為184;4號(hào)試件的耐火極限為169，其計(jì)算值為184.

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，筆者認(rèn)為無(wú)防火保護(hù)的鋼混組合柱構(gòu)件很好的反映了先膨脹再收縮的變形規(guī)律。四個(gè)構(gòu)件剛開(kāi)始均對(duì)高溫產(chǎn)生了一定耐性，

在升溫初期，柱膨脹變形的計(jì)算值較試驗(yàn)值略小，原因在于試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)爐溫的控制無(wú)法完全按照既定的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫，試驗(yàn)中實(shí)際爐溫要比標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線高，從而導(dǎo)致膨脹變形的試驗(yàn)值偏大。

過(guò)了一段時(shí)間后，采用有限元計(jì)算試件的耐火極限，對(duì)于1號(hào)，2號(hào)兩根試件，其耐火極限的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本一致。對(duì)于有防火保護(hù)的3號(hào)試件和4號(hào)試件，其耐火極限計(jì)算值較試驗(yàn)值偏大，原因在于進(jìn)行有限元分析時(shí)，無(wú)法模擬出實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中防火涂料保護(hù)層在高溫作用下發(fā)生的裂縫、剝落等損傷，有限元計(jì)算出的耐火極限值偏大。

在升溫后期：對(duì)于文獻(xiàn)3號(hào)中的L形方鋼管混凝土組合柱試件，在3h后的軸向變形極小，僅為0.65mm。同時(shí)，有限元計(jì)算得到的壓縮變形量也較小，軸向位移與實(shí)測(cè)值基本吻合。由于試驗(yàn)條件限制，該試驗(yàn)進(jìn)行至3h后終止，故其后位移情況僅為有限元模擬結(jié)果。

4號(hào)試件耐火極限計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比情況可知，有限元分析方法具有一定的可靠性與合理性，對(duì)無(wú)防火保護(hù)的鋼管混凝土柱，耐火極限計(jì)算誤差較小，最大誤差為3.1%;而對(duì)于有防火保護(hù)的鋼管混凝土柱，其耐火極限計(jì)算值比實(shí)測(cè)值偏大9%左右，兩者都在工程應(yīng)用允許的合理誤差范圍之內(nèi)。同時(shí)組合柱的耐火極限隨著軸壓比增大而減小。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知3號(hào)和4號(hào)鋼混組合柱構(gòu)件的耐火性表現(xiàn)最后，但是3號(hào)鋼混組合柱構(gòu)件所用的材料比4號(hào)更為節(jié)約，所以根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)筆者認(rèn)為3號(hào)的鋼混組合柱構(gòu)件的耐火性表現(xiàn)最好，所以蒸壓輕質(zhì)混凝土板更適合作為鋼混組合柱構(gòu)件的防火層來(lái)進(jìn)行使用。

參考文獻(xiàn)

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