T形截面型鋼混凝土異形柱的包裹層耐火性能研究

羅綿輝 孟坤

摘要：裝配式鋼結(jié)構(gòu)已成為我國建筑發(fā)展的形式之一，但防腐、耐火和造價仍是制約其發(fā)展的主要因素。外包混凝土T形截面異形柱是一種新型柱，它可以隱藏在墻體內(nèi)，具有較好的力學(xué)性能、耐火性能和耐腐蝕性能。在火災(zāi)情況下，外包裹材料、外包裹形式和厚度是影響異形柱耐火性能的主要因素。為了清楚地分析柱的耐火性能，必須獲得包裹材料和鋼材內(nèi)部的溫度場。利用cfd軟件ABAQUS 6.14對普通混凝土、再生混凝土和陶粒混凝土等3種包裝材料的立柱進(jìn)行了數(shù)值模擬，在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO-834溫度-時間曲線下，研究不同包裹材料異形柱內(nèi)部的溫度分布和上升曲線，得到溫度隨著火時間的變化曲線和分布規(guī)律。研究結(jié)果為T形截面SRC異形柱外包防火層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有價值的參考，也為異形柱的力學(xué)性能研究提供了溫度條件。

Abstract： Prefabricated steel structure has become one of the forms of construction development in China， but anti-corrosion， fire resistance and cost are still the main factors restricting its development. Encased concrete T-shaped section special-shaped column is a new type of column， which can be hidden in the wall and has good mechanical properties， fire resistance and corrosion resistance. In case of fire， the outer packaging material， outer packaging form and thickness are the main factors affecting the fire resistance of the special-shaped column. In order to clearly analyze the fire resistance of the column， the temperature field inside the wrapping material and steel must be obtained. The cfd software ABAQUS 6.14 was used to numerically simulate the columns of three kinds of packaging materials such as ordinary concrete， recycled concrete and ceramsite concrete. Under the standard fire ISO-834 temperature-time curve， the temperature distribution and rise curve inside the special-shaped column of different wrapping materials was studied， and the temperature change curve and distribution law with the fire time were obtained. The research results provide a valuable reference for the optimal design of the T-section SRC special-shaped column outer fireproof layer， and also provide temperature conditions for the study of the mechanical properties of the special-shaped column.

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土;異形柱;耐火;包裹材料

Key words： Steel Reinforced Concrete;special-shaped columns;fire resistance;wrapping materials

中圖分類號：TU398? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）22-0131-04

0? 引言

型鋼混凝土異形柱是型鋼混凝土（Steel Reinforced Concrete，簡稱SRC）和異形柱的結(jié)合體[1]，與普通矩形柱比較，它沒有凸出柱楞，占用室內(nèi)面積小，具備良好的應(yīng)用前景。但發(fā)生火災(zāi)時受火表面積較大，在相同荷載作用下比其他混凝土柱更容易被破壞[2]。異形柱外包裹材料類型、外包裹形式和厚度是影響異形柱耐火性能的主要因素。近年來，以普通混凝土作為外包裹材料的異形柱耐火性能有較多研究，毛小勇等[3]建立T形截面SRC異形柱抗火分析有限元模型，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)升溫下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型的溫度場和耐火極限進(jìn)行了驗(yàn)證。楊志新[4]設(shè)計(jì)了8根T形SRC異形柱，分別進(jìn)行了抗火性能試驗(yàn)、數(shù)值模擬、截面特性分析研究和截面損傷評估。

再生混凝土是利用廢棄混凝土塊經(jīng)破碎、清洗、分級后，部分或全部代替砂石等天然集料，再加入水泥、水等配制而成。再生混凝土較普通混凝土強(qiáng)度稍低，是一種新型環(huán)保建筑材料，再生混凝土作為包裹層，降低成本的同時可以實(shí)現(xiàn)建筑垃圾的資源化，節(jié)約能源。目前，關(guān)于再生混凝土柱耐火性能的研究處于起步階段，董宏英，王攀峰[5]等設(shè)計(jì)了2個再生混凝土強(qiáng)度等級分別為C20和C30的全再生鋼筋混凝土筒體模型，研究得出隨再生混凝土強(qiáng)度的提高，筒體的耐火性能逐漸降低，耐火極限下降。張玉琢，呂學(xué)濤等[7]通過建立單面受火的方鋼管約束鋼筋再生混凝土柱有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證分析了截面溫度場和應(yīng)力場的變化規(guī)律[7]。為推廣再生混凝土的廣泛應(yīng)用，研究其耐火性能具有重要的工程意義。

陶粒混凝土是指以陶粒代替石子作為骨料，與適量河砂、水泥等凝膠材料及水配制而成的混凝土。陶?；炷辆邆漭p質(zhì)、耐火性好、抗震性能強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)[8]，目前國內(nèi)對于陶?；炷恋难芯恐饕性谏a(chǎn)工藝、物理特能等方面，而對其耐火性能卻少有研究。周明，王新堂，王萬禎[9]等通過對4組10根鋼管陶粒混凝土短柱受火后性能的對比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)以輕質(zhì)材料陶粒為粗骨料制成的鋼管混凝土短柱受火后仍然具有較高的承載力和良好的延性。

本文利用有限元軟件ABAQUS 6.14建立了T形截面SRC異形柱四面受火有限元模型，分別以普通混凝土、再生混凝土、陶?；炷磷鳛榘牧?，在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO-834溫度-時間曲線下，研究了3種包裹材料異形柱內(nèi)部的溫度分布和上升曲線，得到異形柱內(nèi)部溫度隨著火時間的變化曲線和分布規(guī)律。研究結(jié)果為T形截面SRC異形柱外包防火層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有價值的參考，也為異形柱的力學(xué)性能研究提供了溫度條件。

1? 異形柱溫度場計(jì)算基本原理

火災(zāi)發(fā)生時，T形截面SRC異形柱四周被高溫空氣包圍，異形柱外表面與高溫空氣進(jìn)行對流換熱與輻射換熱，異形柱外表面溫度升高后通過熱傳導(dǎo)將熱量由外表面?zhèn)髦廉愋沃鶅?nèi)部，使混凝土與鋼材溫度升高。高溫空氣與異形柱外表面?zhèn)鳠徇^程方程如下：

式中：λ為異形柱內(nèi)部材料導(dǎo)熱系數(shù)W/m·℃;α為對流傳熱系數(shù)W/（m2·℃）;ε為綜合輻射系數(shù);σ為Stefan-Boltzmann常數(shù);T為高溫空氣溫度℃;Tw為異形柱外表面溫度℃。

熱量在異形柱內(nèi)部傳遞過程的微分方程如下：

式中：k為異形柱內(nèi)部材料導(dǎo)熱系數(shù)W/m·℃;ρ為異形柱內(nèi)部材料密度kg/m3;c為異形柱內(nèi)部材料比熱容kJ/kg·℃。

2? 異形柱模型介紹

2.1 T形截面SRC異形柱模型

模型為實(shí)腹式T形截面SRC異形柱，其截面結(jié)構(gòu)如圖1所示。T形截面SRC異形柱四面受火，分別以普通混凝土、再生混凝土與陶?；炷磷鳛榘牧?，在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO-834升溫條件下，研究火災(zāi)發(fā)生2小時內(nèi)異形柱截面溫度分布及各測溫點(diǎn)溫度隨時間變化的規(guī)律。研究只針對異形柱溫度場而不涉及異形柱受力分析，假設(shè)混凝土為各向同性材料，內(nèi)部沒有熱源，且忽略異形柱受火開裂等問題。

標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO-834升溫曲線方程如下：

式中：T為火災(zāi)發(fā)生至t時刻的環(huán)境溫度℃;t0為初始時刻的環(huán)境溫度℃;t為火災(zāi)持續(xù)的時間min。

T形截面SRC異形柱截面上設(shè)置4個測溫點(diǎn)，如圖2所示。

2.2 有限元模型

T形截面SRC異形柱的包裹混凝土采用三維八結(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元（DC3D8），型鋼采用四結(jié)點(diǎn)傳熱四邊形殼單元（DS4）。假設(shè)異形柱四面受火均勻且沿高度方向受熱條件相同，因此對柱內(nèi)部溫度場的研究可簡化為對異形柱截面的溫度場研究。T形截面SRC異形柱有限元模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。

假設(shè)火災(zāi)發(fā)生前環(huán)境初始溫度1℃，異形柱內(nèi)部溫度分布均勻，初始溫度為20℃。對流傳熱系數(shù)α=1500，綜合輻射系數(shù)ε=0.5，Stefan-Boltzmann常數(shù)σ=5.6697×10-8，分析步時間長度7200，絕對零度-273.15。

3? 包裹材料熱工參數(shù)

3.1 普通混凝土的熱工參數(shù)

在高溫條件下，普通混凝土的熱傳導(dǎo)率隨溫度升高先保持不變隨后減小，比熱容隨溫度升高而增大，單齊云[6]給出了普通混凝土的熱傳導(dǎo)率、密度與比熱容等參數(shù)的取值方法，具體如下：

3.1.1 熱傳導(dǎo)率

普通混凝土熱傳導(dǎo)率λ與溫度t的關(guān)系式為：

3.1.2 密度與比熱容

普通混凝土密度 ρ=2300kg/m3，比熱容為：

3.2 再生混凝土的熱工參數(shù)

本文采用再生粗骨料及細(xì)骨料取代率均為100%的再生混凝土作為異形柱包裹材料，董宏英[5]給出了再生混凝土熱傳導(dǎo)率、比熱容隨溫度變化的規(guī)律。

3.2.1 熱傳導(dǎo)率

再生粗骨料取代率為100%時，熱傳導(dǎo)率隨溫度升高而減小。

3.2.2 密度與比熱容

密度取值2200kg/m3，比熱容隨溫度升高而增大。

3.3 陶?；炷恋臒峁?shù)

參考JGJ 51-90《輕集料混凝土技術(shù)規(guī)程》輕集料混凝土熱物理系數(shù)表，對陶?；炷恋臒峁?shù)取值如下，密度為1700kg/m3，熱傳導(dǎo)率為0.87W/（m·K），比熱容為920 J/（kg·K）。

4? 模型結(jié)果分析

對以普通混凝土、再生混凝土、陶?；炷磷鳛榘牧系?根T形截面SRC異形柱，在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO-834升溫條件下利用ABAQUS 6.14軟件建模并進(jìn)行計(jì)算，在火災(zāi)中受火2小時后3根異形柱截面溫度分布如圖4所示。

由圖4可知，在四面受火2小時后，3根異形柱截面均表現(xiàn)出靠近外表面處溫度較高，接近于周圍高溫空氣溫度，截面各處由外至內(nèi)溫度逐漸降低，3種包裹材料異形柱截面上溫度分布規(guī)律基本相同，但具體溫度值有差異。

3種根異形柱截面上4個測溫點(diǎn)溫度隨火災(zāi)發(fā)生時間增加而升高，火災(zāi)發(fā)生2小時內(nèi)測溫點(diǎn)溫度隨時間變化曲線如圖5所示。

由圖5可看出，越靠近異形柱外表面的測溫點(diǎn)（測溫點(diǎn)1、2）溫度越高，相反越靠近異形柱中心的測溫點(diǎn)（測溫點(diǎn)3、4）溫度越低，每一測溫點(diǎn)受火時間越長，則測溫點(diǎn)溫度越高，異形柱外層溫升速率較大，而內(nèi)層較小。

4個測溫點(diǎn)在3種包裹材料中的溫度-時間曲線如圖6所示。

由圖6可知，在受火前70分鐘，測溫點(diǎn)1、2以普通混凝土和陶?；炷磷靼牧系臏囟?時間曲線幾乎重疊，說明火災(zāi)初期這兩種包裹材料對異形柱內(nèi)部的耐火隔熱保護(hù)性能相近，隨受熱時間延長，陶?；炷聊突鸶魺嵝阅苊黠@較普通混凝土差。觀察受火2小時4個測溫點(diǎn)溫度曲線可看出以陶粒混凝土作為包裹材料時測溫點(diǎn)溫度最高，其次是普通混凝土，而以再生混凝土作為包裹材料時測溫點(diǎn)溫度最低，由此可得出發(fā)生火災(zāi)時，受火條件相同時再生混凝土包裹層耐火隔熱性能最優(yōu)，普通混凝土中等，而陶?；炷磷畈睢?/p>

5? 總結(jié)

①T形截面SRC異形柱截面溫度隨受火時間增加而升高，靠近異形柱外表面處溫升速率大且溫度接近于周圍高溫空氣溫度，而接近異形柱中心處溫升速率小，異形柱截面溫度由外至內(nèi)逐漸降低。②T形截面SRC異形柱的3種包裹材料在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)ISO-834升溫曲線下，受火條件相同時耐火隔熱性能最優(yōu)為再生混凝土，其次是普通混凝土，最差為陶?；炷?。③本文研究以普通混凝土、再生混凝土、陶?；炷磷鳛榘牧系腡形截面SRC異形柱內(nèi)部溫度分布及溫升規(guī)律，研究結(jié)果為T形截面SRC異形柱外包防火層的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有價值的參考，也為異形柱的力學(xué)性能研究提供了溫度條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]吳耀鵬，張旭，李曉蕾.典型受火方式下型鋼混凝土異形柱耐火極限研究[J].鋼結(jié)構(gòu)，2017（11）：117-122.

[2]祝德彪.型鋼混凝土十字形柱耐火極限的試驗(yàn)研究[D].山東建筑大學(xué)，2016.

[3]周璇，毛小勇.T形截面型鋼混凝土異形柱耐火極限研究[J].蘇州科技學(xué)院學(xué)報（工程技術(shù)版），2013，26（1）：42-45.

[4]楊志新.T形型鋼混凝土異形柱抗火性能的試驗(yàn)研究[D].青島理工大學(xué)，2012.

[5]董宏英，王攀峰，曹萬林，張建偉.再生混凝土強(qiáng)度對筒體耐火性能的影響[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，39（6）：869-874.

[6]單齊云.L形型鋼混凝土異形柱抗火性能的試驗(yàn)研究[D].青島理工大學(xué)，2011.

[7]張玉琢，呂學(xué)濤，劉發(fā)起，劉雨杰.單面受火的方鋼管約束鋼筋再生混凝土柱耐火極限[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2018（S1）：175-182.

[8]畢建靜，高震.陶粒混凝土研究[J].四川水泥，2019（1）：9.

[9]周明，王新堂，王萬禎.鋼管陶粒混凝土短柱火災(zāi)后承載力及力學(xué)性能的試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑，2013，43（1）：99-103，111.

作者簡介：羅綿輝（1983-），男，廣東汕尾人，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)閭鳠崤c節(jié)能、制冷與空調(diào);孟坤（1996-），男，安徽宿州人，在讀研究生，研究方向?yàn)檠b配式鋼結(jié)構(gòu)。