高溫(火災(zāi))下鋼管混凝土組合框架塑性力學(xué)特征分析

侯理想，李雨城，孫強(qiáng)

(安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

鋼管混凝土(CFST)組合結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性和韌性好、施工方便和經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于建筑工程中。然而當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，鋼管與混凝土的力學(xué)性能均出現(xiàn)不同程度的降低[1]，對CFST 組合結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞，因而對CFST組合結(jié)構(gòu)在高溫(火災(zāi))下 的力學(xué)性能研究尤為重要。

目前，國內(nèi)外對CFST 組合框架結(jié)構(gòu)抗火性能進(jìn)行了研究和探索。韓林海對鋼與混凝土組合結(jié)構(gòu)的耐火設(shè)計方法進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為科技人員在相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了參考[2-5]。王景玄[6]通過對有側(cè)移作用下荷載位移曲線變化關(guān)系的計算與研究，了解了CFST 組合框架結(jié)構(gòu)在火災(zāi)和外荷載共同作用下的工作機(jī)理。沈晴晴[7]運(yùn)用有限元軟件開展了足尺鋼筋混凝土門框結(jié)構(gòu)的熱-力-結(jié)構(gòu)耦合模擬，得出了一種切實可行的有限元模擬方法。國外Bailey[8]采用有限元程序INSTAF 模擬了Cardington 火災(zāi)試驗，分析了火災(zāi)擴(kuò)散、降溫對框架受力性能的影響。Ding 和Wang[9]重點(diǎn)試驗研究了4 種不同梁柱連接形式的框架破壞情況，研究結(jié)果表明框架梁抗火性能要好于簡支梁。Schaumann[10]發(fā)現(xiàn)通過在高強(qiáng)混凝土中設(shè)置鋼筋或鋼纖維可以有效提高鋼管混凝土柱的耐火極限。但是從國內(nèi)外有關(guān)研究文獻(xiàn)可以看出，目前在熱-力耦合作用下的CFST 組合框架結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的研究仍然較少，需進(jìn)一步深入了解。本文在參考前人研究基礎(chǔ)上，研究高溫火災(zāi)下CFST 組合框架的塑性力學(xué)特征，通過計算高溫火災(zāi)下CFST 組合框架的塑性極限承載力，得出了CFST 組合框架在熱力耦合作用下的塑性鉸出鉸位置與順序，并對比理論計算與數(shù)值分析結(jié)果，驗證了結(jié)果正確性，為今后CFST 組合結(jié)構(gòu)在多因素耦合作用下力學(xué)特性的研究提供了參考。

1 理論計算

1.1 工況實例

本工況為常溫下單層單跨鋼管混凝土(CFST)組合框架結(jié)構(gòu)(圖1)，軸采用方鋼管，其中外部鋼板Q235B，板厚0.5 cm，混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級C40，柱梁截面尺寸b×h=60 cm×60 cm，柱內(nèi)鋼管截面尺寸d=50 cm。

1.2 理論分析

本文依據(jù)ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線模擬在火災(zāi)下溫度隨時間變化，理論計算選用增量變剛度法。

首先施加單位荷載FP= 1 于單層單跨CFST組合框架結(jié)構(gòu)，得出單位彎矩圖1(圖2)，可判斷截面C 處最先出鉸，此時截面C 處彎矩為Mu(控制截面塑性極限彎矩)。由以上的計算結(jié)果，需將截面C 改為鉸結(jié)點(diǎn)，重新計算出剛度矩陣，在C 處施加單位荷載FP= 1 后，能夠得出新的單位彎矩圖2(圖3)。結(jié)果如表1。

圖1 單層單跨CFST組合框架結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 半結(jié)構(gòu)示意圖

表1 控制截面彎矩值

引入高溫下極限塑性承載力影響系數(shù)Kt[11]，由FPt= KtFP計算出在不同受火時間下的鋼管混凝土框架塑性極限承載力，結(jié)果如表2。

表2 不同受火時間下的理論計算破壞荷載

由表1 可知，在各控制截面中截面B 與D 的(Mu-M1)/M2最小，所以第2 個與第3 個塑性鉸同時在B 與D 處出現(xiàn)。因鋼管混凝土組合框架為對稱結(jié)構(gòu)，取半結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時，如圖4 半結(jié)構(gòu)為瞬變體系，只需在結(jié)構(gòu)上再稍微施加荷載半結(jié)構(gòu)就會破壞，即第四個與第五個塑性鉸同時在A 與E 處出現(xiàn)，因此出鉸順序為C—(D、B)—(A、E)。由表2 可知隨著受火時間的增加，鋼管混凝土框架塑性極限承載力逐漸減小。

2 數(shù)值分析

2.1 建立有限元模型

混凝土采用韓林海[11]推薦的鋼管、矩形鋼管混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變模型，該模型考慮了溫度對鋼材屈服強(qiáng)度、核心混凝土抗壓強(qiáng)度和極限應(yīng)變等的影響，具體表達(dá)式為：

式中：x = ε ε0,y = σ σ0，ε0為混凝土高溫下的極限應(yīng)變，σ0為極限應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力，β 為與ξ有關(guān)的參數(shù)，ξ 與溫度相關(guān)的約束效應(yīng)系數(shù)，ξ =αfyT∕fck，α 為構(gòu)件的截面含鋼率，fyT為高溫下鋼材的屈服強(qiáng)，fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，η 為高溫動態(tài)強(qiáng)度提高系數(shù)，η = 1.6 + 1.5∕x，具體確定方法見文獻(xiàn)[11]。

鋼材采用歐洲規(guī)范給出的不考慮強(qiáng)化的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖5。

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

有限元模型及截面示意圖如圖6、圖7，模型的具體尺寸與工況1-1 尺寸保持一致，并施加豎向集中荷載于梁的中部?？蚣苤撞颗c梁柱交結(jié)點(diǎn)處均采用固接，鋼材采用熱分析單元SOLID65 單元，混凝土采用熱分析單元SOLID70 單元，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元都選用SOLID185。接觸面采用面-面接觸，定義目標(biāo)面為TARGE170 單元，與其對應(yīng)的接觸面單元為CONTA174 單元，這類單元經(jīng)常用于結(jié)構(gòu)在多因素耦合狀況下的力學(xué)特性研究。為了增加模擬成功率，設(shè)定鋼材與混凝土間的摩擦系數(shù)為0.6。

圖6 有限元模型示意圖

圖7 有限元模型截面示意圖

2.2 熱力耦合分析

對鋼管混凝土(CFST)組合框架進(jìn)行間接熱-力耦合分析，分析步驟如圖8，即首先進(jìn)行熱分析得到熱分析結(jié)果文件xx.rth，然后將結(jié)果文件xx.rth作為溫度荷載施加在CFST 組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。得出CFST 組合框架水平方向塑性應(yīng)變云圖及局部塑形區(qū)域云圖(圖9、圖10)、受火時間為3600 s 與6000 s 時框架各截面F—M 的關(guān)系結(jié)構(gòu)分析(表3、表4)。

圖8 間接熱-力耦合法分析步驟

表3 F—M結(jié)構(gòu)分析表(3600 s)

表4 F—M結(jié)構(gòu)分析表(6000 s)

由圖9 與圖10 可知有限元模擬結(jié)果對應(yīng)的塑性鉸形貌圖與理論計算結(jié)果一致。由表3 與表4反映數(shù)據(jù)可知，隨著破壞荷載的增大，跨中豎向位移、水平方向塑性應(yīng)變不斷增大，局部塑性區(qū)域范圍不斷擴(kuò)大?？缰薪孛鍯 處在3600 s 時與6000 s時最大承受彎矩值(Mmax)分別為49 875.85 kN·m與3 316.59 kN·m。在3600 s 時右半結(jié)構(gòu)梁柱結(jié)點(diǎn)Mmax為70 827.49 kN·m，大于49 875.85 kN·m。在6000 s 時右半結(jié)構(gòu)梁柱結(jié)點(diǎn)Mmax為3 620.20 kN·m，大于3 316.59 kN·m。即跨中截面C 處出鉸先于梁柱節(jié)點(diǎn)，由于結(jié)構(gòu)是對稱結(jié)構(gòu)體系，只要半結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的一個塑性鉸出現(xiàn)，與其對應(yīng)的半結(jié)構(gòu)左端梁柱節(jié)點(diǎn)同時出鉸，因此出鉸順序為C—(D、B)—(A、E)。即隨著受火時間的增加，各截面溫度隨之上升，極限承載力隨著溫度的升高而減小，其出鉸的位置與順序保持不變。

圖9 CFST組合框架水平方向塑性應(yīng)變云圖

圖10 CFST組合框架局部塑形區(qū)域云圖

3 結(jié)果分析

由上文的理論計算與數(shù)值分析可得出在不同受火時間下的鋼管混凝土(CFST)組合框架結(jié)構(gòu)破壞荷載計算結(jié)果分析(表5)。

由表5，CFST 組合框架理論計算與數(shù)值計算的破壞荷載結(jié)果對比可知，與常溫下CFST 組合框架塑性力學(xué)特性相比，高溫下的CFST 組合框架在升溫過程會有較大的內(nèi)力重分布，因此有著不同的受力性能。隨著受火時間的增加，外部溫度升高，理論計算與數(shù)值計算的破壞荷載值不斷減小，因此溫度是影響CFST 組合框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性鉸而破壞的關(guān)鍵因素。理論計算的破壞荷載結(jié)果與數(shù)值計算的破壞荷載結(jié)果存在一定的誤差，如在240 s、3600 s、6000 s 時的誤差分別為9.75%、11.65%、9.67%，其中最大誤差為11.65%，考慮到有限元數(shù)值分析模型與理論計算的模型存在一定的區(qū)別及偶然誤差等影響因素，大體上可以認(rèn)為擬合程度良好，驗證了高溫下CFST 組合框架結(jié)構(gòu)的塑性力學(xué)特性的準(zhǔn)確性。

表5 在不同受火時間下的CFST組合框架結(jié)構(gòu)破壞荷載計算結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過破壞荷載、極限彎矩、豎向位移、水平方向塑性應(yīng)變、塑性區(qū)域范圍等指標(biāo)反映高溫火災(zāi)下鋼管混凝土(CFST)組合框架的塑性力學(xué)特征，并對比理論計算和有限元數(shù)值分析下的破壞荷載結(jié)果，得出以下主要結(jié)論：

(1)與常溫下CFST 組合框架塑性力學(xué)特性相比，高溫(火災(zāi))下的CFST 組合框架有著不同的受力性能，其破壞荷載隨著溫度的升高而減小，對應(yīng)塑性鉸出鉸的位置與順序保持不變。

(2)有限元數(shù)值分析與理論計算的結(jié)果基本一致，驗證了高溫下CFST 組合框架結(jié)構(gòu)塑性力學(xué)特性的準(zhǔn)確性，為今后熱-力耦合作用下CFST 組合框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性研究提供了參考。