外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱耐火性能研究

李佳奇，王 蕊，趙 暉，王會文

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山西，太原 030024)

中空夾層鋼管混凝土(CFDST)由于核心混凝土部分被內(nèi)鋼管取代，相比于普通鋼管混凝土(CFST)具有重量輕、抗彎剛度大、抗震性能和耐火性能好等優(yōu)點[1?3]，常用于電塔、橋墩、高層建筑等結(jié)構(gòu)。與其他鋼管外露構(gòu)件類似，中空夾層鋼管混凝土的耐火性能也是其推廣應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一。針對此問題，Yang 和Han[4]通過對中空夾層鋼管混凝土柱進(jìn)行火災(zāi)下有限元分析，提出了其防火保護(hù)層厚度和耐火極限的計算簡式。Lu 等[2,5?6]對該類構(gòu)件進(jìn)行了耐火性能試驗研究和火災(zāi)下有限元模擬，重點分析了防火保護(hù)層厚度、空心率、荷載比、長細(xì)比、外鋼管尺寸及內(nèi)外鋼管強度對中空夾層鋼管混凝土耐火性能的影響規(guī)律。Romero等[7]對中空夾層鋼管高強混凝土柱進(jìn)行了耐火性能試驗，結(jié)果表明試件的耐火極限隨內(nèi)鋼管厚度的增加而增加。

不銹鋼因具有良好的塑性、耐腐蝕和耐火性能等優(yōu)點逐漸應(yīng)用于建筑行業(yè)[8]。外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土就是在不影響中空夾層構(gòu)件優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上將外包鋼材替換為不銹鋼，增強了構(gòu)件的耐腐蝕性能和耐火性能，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前針對外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能研究還未見報道，但針對該類構(gòu)件的靜力性能[9?16]、抗沖擊性能[17]和抗震性能[18]的研究已相對較多。本文采用ABAQUS 有限元軟件對該類構(gòu)件進(jìn)行分析，探究其在火災(zāi)下的工作機理和耐火性能的影響因素。

1 有限元模型建立

1.1 試驗參數(shù)設(shè)計

本文共設(shè)計了126 個火災(zāi)下的外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱耐火極限試件，主要分析了截面直徑(200 mm、400 mm、600 mm)、空心率χ(0.3、0.4、0.5)、荷載比n(0.3、0.4、0.5；n=NF/Nu，NF為試件火災(zāi)下所受荷載，Nu為試件常溫下極限承載力)、混凝土強度fcu(30 MPa、40 MPa、50 MPa)和內(nèi)鋼管強度fyi(235 MPa、390 MPa)對該類構(gòu)件耐火極限的影響。所有耐火極限試件均采用順序熱力耦合的方法，按ISO834 標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行四面均勻受火的有限元分析。外包不銹鋼采用GB/T 20878?2007[19]規(guī)定的S30408 級不銹鋼。試件兩端的邊界條件為鉸接，總長為3600 mm，其中受火高度為3000 mm。表1 中列出部分試件的詳細(xì)參數(shù)，其中Do和Di分別為外鋼管和內(nèi)鋼管的外直徑。

1.2 溫度場模型

建立溫度場模型時需要選取合適的材料熱工參數(shù)。參考Tao 等[20]和劉發(fā)起[21]的研究成果，本文混凝土的熱工參數(shù)采用Lie[22]提出的模型，不銹鋼和碳素鋼的熱工參數(shù)采用歐洲規(guī)范EN 1993-1-2:2005[23]中的模型。不銹鋼表面的熱對流系數(shù)和表面輻射系數(shù)采用Gardner 和Ng[24]建議的35 W/(m2·℃)和0.2。此外，本文采用Han 等[25]建議的不銹鋼與混凝土接觸熱阻計算公式。建模時，混凝土采用DC3D8 三維傳熱實體單元，鋼管采用DS4 傳熱殼單元。

表1 試件參數(shù)Table 1 Parameters of specimens

1.3 耐火極限模型

建立力學(xué)場模型時需要確定合理的火災(zāi)下材料的力學(xué)性能。其中，混凝土高溫應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系采用Lie[22]提出的模型，碳素鋼和不銹鋼采用EN1993-1-2: 2005[23]中的高溫應(yīng)力-應(yīng)變模型。各表面間的相互作用在切線方向定義為庫侖摩擦(不銹鋼和碳素鋼與核心混凝土間的摩擦系數(shù)分別取0.25 和0.3)[20?21, 25?29]，法線方向定義為硬接觸；蓋板與內(nèi)外鋼管的焊接工況采用殼-實體耦合約束來模擬。模型中，混凝土采用C3D8R 三維實體單元，鋼管采用S4R 殼單元。火災(zāi)下的力學(xué)模型需要在荷載預(yù)定義場中讀取溫度場數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)格劃分也需要與溫度場模型保持一致[30]。此外，本文在模型中引入L/1000(L為柱長，mm)的初彎曲來反映構(gòu)件的初始缺陷[21]。

2 有限元模型驗證

為保證模型準(zhǔn)確性，本文首先對已有文獻(xiàn)中火災(zāi)下普通中空夾層鋼管混凝土柱[2]和不銹鋼管混凝土柱(CFSST)[25]的試驗結(jié)果進(jìn)行了模擬驗證。驗證試件的詳細(xì)參數(shù)見表2。圖1 和圖2 分別給出了升溫過程中試件不同位置處溫度和試件軸向位移的模擬(FE)與試驗結(jié)果(Test)對比曲線。圖中d為測溫點距混凝土外表面的距離。可以看出，部分試件的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果間存在一定差異(如CC2 在41 mm處和SS1 在33 mm 處溫度場數(shù)據(jù)、CC3 和SS1 的耐火極限數(shù)據(jù))，這主要與高溫試驗影響因素較多造成試驗結(jié)果離散性較大有直接關(guān)系[21]。此外，有限元模型不能較好考慮高溫下水蒸氣遷移、模型選取的熱工參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)均非實測值等因素也會影響最終模擬結(jié)果[21,29]。

表2 驗證試件參數(shù)Table 2 Parameters of specimens for verification

圖1 溫度場模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.1 Comparison between predicted and test temperature-time curves

本文進(jìn)一步收集了26 組圓鋼管混凝土柱[31?32]耐火極限試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行了有限元驗證，試件耐火極限的模擬值tmax,f和試驗值tmax,t對比如圖3 所示，tmax,f/tmax,t的平均值為1.013，方差為0.180。綜合考慮以上因素，可以認(rèn)為本文建立的有限元模型能較好預(yù)測不同類型鋼管混凝土高溫下的耐火性能。

3 與普通中空夾層鋼管混凝土柱耐火性能對比

為更好地分析外包不銹鋼對中空夾層鋼管混凝土耐火性能的影響，本節(jié)選取試件L-400-4-50-390 和相同截面尺寸、相同材料強度的外包碳素鋼中空夾層鋼管混凝土柱進(jìn)行耐火極限對比分析。

圖2 軸向位移-時間曲線模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比Fig.2 Comparison between predicted and test displacement-time curves

圖3 有限元模擬耐火極限與試驗結(jié)果對比Fig.3 Comparison between predicted and test results of fire resistance

3.1 溫度場分析

兩類構(gòu)件在升溫過程中混凝土不同位置的溫度-時間對比曲線如圖4(a)所示。從圖中可看出，相同位置處，外包不銹鋼構(gòu)件的溫度要低于外包碳素鋼構(gòu)件。例如，在180 min 時外包不銹鋼構(gòu)件的混凝土外表面(1 點)溫度比外包碳素鋼構(gòu)件的混凝土外表面溫度低9%。如圖5(a)所示，不銹鋼的導(dǎo)熱系數(shù)以及表面輻射系數(shù)(不銹鋼為0.2，碳素鋼為0.7)要低于普通碳素鋼[20]，因此相同受火條件下不銹鋼升溫速度比普通碳素鋼慢，對構(gòu)件內(nèi)部起到了一定保護(hù)作用。

圖4 外包不銹鋼構(gòu)件和外包碳素鋼構(gòu)件耐火性能對比Fig.4 Comparison of fire performance between CFDST columns with external stainless steel tubes and those with external carbon steel tubes

3.2 耐火性能分析

兩類構(gòu)件升溫過程中軸向變形曲線對比如圖4(b)所示。從圖中可以看出，外包不銹鋼構(gòu)件比外包碳素鋼構(gòu)件的耐火極限高出54 min，提高了83%。如圖5(b)和圖5(c)所示，相同溫度下，不銹鋼力學(xué)性能折減更少，使得構(gòu)件的承載力和抗彎剛度更高，進(jìn)而增加了耐火極限[25]。

圖4(c)給出了兩類構(gòu)件在受火過程中截面各部分所承擔(dān)荷載的變化。從圖中可以看出，火災(zāi)前期外包鋼材受熱膨脹，兩種構(gòu)件均出現(xiàn)了荷載向外包鋼材轉(zhuǎn)移的情況，外包碳素鋼構(gòu)件的荷載轉(zhuǎn)移情況更明顯。隨后外包碳素鋼構(gòu)件的外部鋼材迅速劣化，荷載轉(zhuǎn)移給內(nèi)部混凝土和內(nèi)鋼管承擔(dān)。相比之下，外包不銹鋼構(gòu)件的截面各部分荷載轉(zhuǎn)移更加平穩(wěn)，外包鋼材的殘余強度在相同受火時間下更高，這與Han 等[21]得到的不銹鋼管混凝土柱與普通鋼管混凝土柱的對比結(jié)果相同。

4 參數(shù)分析

4.1 截面直徑

試件耐火極限隨截面直徑的變化規(guī)律如圖6所示。從圖中可以看出，當(dāng)空心率和荷載比不變時，試件的耐火極限隨截面直徑增加而增加。以圖6(b)中χ=0.3,n=0.3 試件組為例，當(dāng)試件的截面直徑從200 mm 增加到400 mm 和600 mm 時，其耐火極限分別提高了90%和230%。截面形狀系數(shù)Am/V(Am為單位長度構(gòu)件的受熱面積，V為單位長度構(gòu)件的體積)是衡量受火構(gòu)件抗火性能的重要參數(shù)[29,33]，結(jié)合圖7 可知，隨著截面直徑的增大，截面形狀系數(shù)顯著降低，構(gòu)件升溫更慢，使得試件的耐火極限更大[34]。

4.2 空心率

試件耐火極限隨空心率的變化規(guī)律如圖8 所示。以圖8(b)中fcu=30 MPa，fyi=390 MPa，n=0.3試件組為例，當(dāng)空心率從0.3 分別增大到0.4 和0.5 時，試件的耐火極限分別增大了20%和39%。可見隨著空心率增大，試件的耐火極限呈增長趨勢。結(jié)合圖4(a)可知，隨著試件空心率增大，內(nèi)鋼管的抗彎承載力提高且內(nèi)鋼管在混凝土的隔熱作用下升溫緩慢。雖然試件空心率的增大削弱了混凝土隔熱作用，但在耐火極限時內(nèi)鋼管溫度依然較低，從而延緩了試件的破壞，這與Lu 等[2]所得的結(jié)論一致。

圖7 不同空心率(χ)構(gòu)件的截面形狀系數(shù)Fig.7 Section factors of member with different hollow ratios

4.3 荷載比

圖9 給出了試件耐火極限隨荷載比的變化規(guī)律。從圖中可以看出，隨荷載比增加，試件的耐火極限顯著降低。以圖9(b)中fcu=30 MPa、fyi=390 MPa、χ=0.4 試件組為例，當(dāng)試件的荷載比從0.3 分別增大到0.4 和0.5 時，其耐火極限分別減小了29%和60%。

4.4 材料強度

不同混凝土強度和內(nèi)鋼管強度下試件的耐火極限對比如圖10 所示。從圖中可以看出，隨材料強度的增加，試件的耐火極限略有提高。以圖10(b)中n=0.4 的試件組為例，當(dāng)fyi=235 MPa，fcu從30 MPa 分別提高到40 MPa 和50 MPa 時，試件的耐火極限分別提高了6%和12%；當(dāng)fcu=30 MPa，fyi從235 MPa 提高到390 MPa 時，試件耐火極限提高了12%。結(jié)合圖4(a)和圖4(c)可知，在火災(zāi)后期，構(gòu)件中大部分核心混凝土混凝土和內(nèi)鋼管仍處于較低的溫度水平，承擔(dān)大部分荷載，在這種情況下增大構(gòu)件的混凝土強度和內(nèi)鋼管強度能夠提升其耐火極限。

4.5 試驗結(jié)果方差分析

考慮到試件耐火極限的影響因素較多，本文進(jìn)一步采用方差分析方法研究了各參數(shù)對試件耐火極限的影響程度，如表3 所示。對比貢獻(xiàn)率可以發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)有參數(shù)分析范圍內(nèi)，各參數(shù)的影響順序依次為截面直徑>荷載比>空心率>材料強度。

圖8 空心率對耐火極限的影響Fig.8 Effects of hollow ratio on fire resistance

圖9 荷載比對耐火極限的影響Fig.9 Effects of load ratio on fire resistance

5 抗火設(shè)計建議

基于對外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱的耐火性能分析結(jié)果，本節(jié)對該類構(gòu)件的抗火設(shè)計提出如下建議：

圖10 混凝土強度和內(nèi)鋼管屈服強度對耐火極限的影響Fig.10 Effects of concrete strength and yield strength of internal steel tube on fire resistance

表3 耐火極限方差分析Table 3 Analysis of variance of fire resistance

1)由于不銹鋼的耐火性能良好，工程中使用普通中空夾層鋼管混凝土抗火設(shè)計方法對外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱進(jìn)行抗火設(shè)計是偏于保守的。

2)空心率在0.3～0.5 范圍內(nèi)，如果對構(gòu)件的耐火性能有較高要求，可適當(dāng)增大其空心率和材料強度。

3)在不考慮保護(hù)層作用時，外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱耐火極限可按表4 建議取值。

表4 外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱的耐火極限建議取值 /minTable 4 Suggested values of fire resistance for CFDST columns with external stainless steel tubes

6 結(jié)論

本文通過上述研究可以得到以下幾點結(jié)論：

(1)相比普通中空夾層鋼管混凝土，外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱具有更好的耐火性能。

(2)外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱的耐火極限受截面直徑和荷載比影響較大，空心率和材料強度也對構(gòu)件耐火極限有一定影響。

(3)在參數(shù)分析基礎(chǔ)上，本文對外包不銹鋼中空夾層鋼管混凝土柱的抗火設(shè)計提出了建議。