火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土抗彎性能

劉 曉, 徐翰文, 盧孟超

(沈陽(yáng)大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110044)

中空夾層鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(concrete filled doubled skin steel tube,CFDST)相對(duì)傳統(tǒng)的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)(concrete filled steel tube,CFST)而言,具有更高的承載能力、延性和抗火性能[1-6].因此中空夾層鋼管混凝土廣泛應(yīng)用于高層建筑、大跨徑橋梁等現(xiàn)代建筑中.隨著我國(guó)技術(shù)的發(fā)展與科技的進(jìn)步,高強(qiáng)度的材料逐漸應(yīng)用在建筑結(jié)構(gòu)之中.一般把抗壓強(qiáng)度超過(guò)60 MPa的混凝土稱為高強(qiáng)混凝土,把屈服強(qiáng)度超過(guò)460 MPa的鋼材稱為高強(qiáng)鋼材.中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土結(jié)合了高強(qiáng)材料質(zhì)量輕、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn),在保證強(qiáng)度的同時(shí)極大地減輕自重.

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)常溫下的中空夾層鋼管混凝土和高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究.陳培超等[7]對(duì)高溫后圓鋼管約束型鋼混凝土短柱進(jìn)行了有限元分析.趙磊等[8]對(duì)火災(zāi)后方鋼管再生混凝土的軸壓進(jìn)行了有限元分析,得出構(gòu)件的極限承載力隨著再生骨料取代率的增加而逐漸降低. Liew等[9]對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土梁柱結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行了研究.Portolés等[10]對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土的偏壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究.張哲等[11]對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土的耐火性能進(jìn)行了研究.對(duì)于鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的研究,王曉初等[12]通過(guò)理論推導(dǎo)的方法比較并修正了不同國(guó)家FRP筋混凝土梁抗彎承載力的計(jì)算公式.周樂(lè)等[13]對(duì)FPR鋼結(jié)構(gòu)的受壓承載力和屈曲載荷進(jìn)行研究,并根據(jù)試驗(yàn)曲線推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)的公式.

純彎是構(gòu)件僅受彎矩作用,無(wú)軸向載荷作用下的特殊情況,雖然這種受力情況在實(shí)際工程中比較少見(jiàn),但是研究CFDST的純彎受力狀態(tài)對(duì)繼續(xù)研究其偏壓和壓彎的情況具有重要意義,有必要對(duì)此類構(gòu)件抗彎性能進(jìn)行研究.目前對(duì)火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土純彎構(gòu)件力學(xué)性能的研究還未見(jiàn)報(bào)道.因此本文采用ABAQUS軟件,建立火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土梁純彎力學(xué)性能的有限元模型,并驗(yàn)證模型的有效性.隨后進(jìn)行工程應(yīng)用范圍的參數(shù)分析,對(duì)火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土梁在ISO-834的彎矩- 跨中撓度曲線進(jìn)行評(píng)估.

1 有限元模型

1.1 材料本構(gòu)關(guān)系

火災(zāi)后夾心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型采用林曉康[14]提出的火災(zāi)后混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,該模型在考慮約束效應(yīng)的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型的基礎(chǔ)上修正了峰值應(yīng)力與峰值應(yīng)變.火災(zāi)后高強(qiáng)鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型采用韓林海[15]提出的雙折線模型,該模型即考慮了高強(qiáng)鋼材的強(qiáng)化階段,又考慮了經(jīng)歷高溫后高強(qiáng)鋼材屈服強(qiáng)度的衰減.在溫度場(chǎng)的計(jì)算中,鋼材和混凝土均采用文獻(xiàn)[16]提出的熱工參數(shù).

1.2 模型的建立

火災(zāi)后模型采用順序熱-力耦合的方法建立,首先進(jìn)行熱力學(xué)分析,得出構(gòu)件各節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況,再與常溫的力學(xué)模型進(jìn)行耦合,即模擬火災(zāi)后各節(jié)點(diǎn)受力情況.

為了組成中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土梁,各個(gè)部件要被賦予不同的屬性.在溫度場(chǎng)中,設(shè)立夾心混凝土和蓋板時(shí),采用八結(jié)點(diǎn)線性傳熱六面體單元(DC3D8),內(nèi)外鋼管采用四結(jié)點(diǎn)傳熱四邊形殼單元(DS4);模擬分析時(shí),為保證殼體精度,在單元厚度方向選擇9個(gè)積分點(diǎn).為了保證鋼管與夾心混凝土充分傳熱,采用Tie的接觸方式.在力場(chǎng)中,夾心混凝土和蓋板采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元減縮積分, 沙漏控制(C3D8R);內(nèi)外鋼管采用四結(jié)點(diǎn)曲面薄殼或厚殼減縮積分, 沙漏控制, 有限膜應(yīng)變(SR4).相互作用方面,混凝土和蓋板采用表面與表面接觸的方式連接,剛性大的作為主面,剛性小的作為從面,即內(nèi)外鋼管和蓋板作為主面,夾心混凝土作為從面,蓋板和鋼管采用殼-實(shí)體耦合的接觸方式.為更好地傳遞受力情況,混凝土與蓋板之間的法線方向的接觸采用“硬”接觸.在實(shí)際試驗(yàn)中,鋼管和混凝土?xí)捎诜N種因素產(chǎn)生相對(duì)滑移,為了準(zhǔn)確模擬這種情況,在切線方向采用“罰”函數(shù)的摩擦公式,摩擦系數(shù)取0.6.內(nèi)外鋼管和夾心混凝土采用邊布種結(jié)構(gòu)技術(shù)劃分網(wǎng)格,兩端蓋板采用全局布種劃分網(wǎng)格.為保證熱-力耦合計(jì)算能夠順利進(jìn)行,溫度場(chǎng)和力場(chǎng)的網(wǎng)格劃分一致.

模型采用位移加載的方式,即在梁靠近左右蓋板的2個(gè)4分點(diǎn)處施加載荷.左右端分別限制X、Y、Z和X、Y方向的位移.構(gòu)件的計(jì)算長(zhǎng)度L均為1 400 mm,蓋板采用240 mm×240 mm×20 mm的剛性板,各部件網(wǎng)格劃分及構(gòu)件加載方式如圖1所示.

(a) 內(nèi)外鋼管及混凝土的網(wǎng)格劃分(b) 模型邊界條件及加載方式

1.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證所選本構(gòu)關(guān)系及模型建立方法的正確性及合理性,結(jié)合文獻(xiàn)[17]中受火時(shí)間為90 min的火災(zāi)后圓鋼管混凝土cw-2,文獻(xiàn)[18]中的常溫下高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土和文獻(xiàn)[19]中所經(jīng)歷溫度為300 ℃的中空夾層方鋼管高強(qiáng)混凝土bsc-1a、bsc-1b和所經(jīng)歷溫度為500 ℃的中空夾層方鋼管高強(qiáng)混凝土bsc-2a進(jìn)行模擬驗(yàn)證.以上構(gòu)件驗(yàn)證結(jié)果如表1所示,其中Di為內(nèi)鋼管的外徑,Do(B)為外鋼管的外徑或邊長(zhǎng),ti、to為內(nèi)外鋼管的壁厚,fyi、fyo為內(nèi)、外鋼管屈服強(qiáng)度,fcu為夾心混凝土抗壓強(qiáng)度.由表可知,模擬值與試驗(yàn)值之比的平均值為1.031,方差為0.070,因此可認(rèn)為所建立的有限元模型是合理可靠的.

表1 各文獻(xiàn)中驗(yàn)證構(gòu)件的具體參數(shù)Table 1 Specific parameters of verified specimens in various documents

2 參數(shù)分析

采用ABAQUS軟件分析了受火時(shí)間t(60～180 min)、空心率χ(0.31～0.72)、混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu(80～120 MPa)和內(nèi)外鋼管屈服強(qiáng)度f(wàn)yi、fyo(345～690 MPa)對(duì)火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土受彎承載力的影響.其中χ=Di/(Do-2to).建立了11組模型,對(duì)圓套圓的中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土梁在火災(zāi)后的力學(xué)性能進(jìn)行模擬,所有構(gòu)件的模型參數(shù)見(jiàn)表2.抗彎承載力取外鋼管受拉區(qū)纖維應(yīng)變達(dá)到10 000×10-6時(shí)所對(duì)應(yīng)的彎矩.

表2 模型參數(shù)Table 2 Parameters of models

第4和第5位上的數(shù)字3、4、5、6分別代表構(gòu)件外鋼管和內(nèi)鋼管采用345、460、590、690 MPa的鋼材.

2.1 溫度場(chǎng)分布情況

圖2為不同空心率的構(gòu)件在受火時(shí)間分別為60、90、120和180 min時(shí)的跨中截面溫度分布情況,從圖2可以看出溫度以同心圓的方式分布,從外鋼管到內(nèi)鋼管的方向,溫度逐漸降低.空心率為0.31的構(gòu)件內(nèi)外溫差最大,空心率為0.72的構(gòu)件內(nèi)外溫差最小,這是因?yàn)榭招穆试叫?構(gòu)件所含的混凝土就越多,夾心的混凝土由于熱惰性使得熱量傳遞到內(nèi)鋼管的速度大為滯后,所以溫差就越大.

(a) χ=0.31, t=60min(b) χ=0.31, t=90min(c) χ=0.31, t=120min(d) χ=0.31, t=180min(e) χ=0.52, t=60min(f) χ=0.52, t=90min(g) χ=0.52, t=120min(h) χ=0.52, t=180min(i) χ=0.72, t=60min(j) χ=0.72, t=90min(k) χ=0.72, t=120min(l) χ=0.72, t=180min

2.2 受火時(shí)間t

圖3為空心率為0.52的構(gòu)件C-10-5-4-4在經(jīng)歷不同受火時(shí)間下的彎矩(M)-跨中撓度(um)曲線.從圖3可以看出,隨著受火時(shí)間的增加,構(gòu)件的抗彎承載力呈下降趨勢(shì),抗彎剛度隨受火時(shí)間的增加略有減小.在達(dá)到最大抗彎承載力后,曲線隨著受火時(shí)間的增加而趨于平緩,在構(gòu)件跨中撓度達(dá)到L/40處(約35 mm)仍未出現(xiàn)下降段,表明中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土在火災(zāi)后仍表現(xiàn)出較好的后期延性.受火時(shí)間從60～90 min時(shí),構(gòu)件的抗彎承載力下降幅度最大,約為14%,這是因?yàn)榛炷猎谑芑?0 min后承載力下降,產(chǎn)生大量溫度裂縫并且不可逆,由原來(lái)的內(nèi)外鋼管夾層混凝土共同承擔(dān)彎矩轉(zhuǎn)換為主要由內(nèi)外鋼管承擔(dān)彎矩,而鋼材的物理特性使其在火災(zāi)后恢復(fù)大部分的力學(xué)性能,使得構(gòu)件在后期有較好的延性.因此曲線沒(méi)有明顯的下降段,較為平順.綜上可以看出,中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土具有很好的耐火性和火后延性.

圖3 不同受火時(shí)間對(duì)C-10-5-4-4構(gòu)件抗彎承載力的影響

2.3 空心率χ

圖4為不同空心率的構(gòu)件C-8-3-4-4、C-8-5-4-4、C-8-7-4-4在受火時(shí)間為180 min時(shí)的彎矩-跨中撓度曲線.從圖4可以看出,空心率為0.72的構(gòu)件抗彎剛度比其他空心率構(gòu)件的抗彎剛度大,延性也相比其他空心率構(gòu)件的延性好.圖5為最大縱向應(yīng)變達(dá)到10 000×10-6時(shí)各個(gè)空心率對(duì)構(gòu)件跨中截面中性軸的影響情況.從圖5可以看出,所有構(gòu)件的中性軸都靠近受壓區(qū)一側(cè),這是因?yàn)榛炷料啾蠕摬目估芰^弱.空心率為0.72的構(gòu)件,其截面含鋼率較大,參與受彎作用的鋼材也多.故空心率為0.72的構(gòu)件抗彎承載力最高,其次為空心率為0.52、0.31的構(gòu)件.

圖4 不同空心率對(duì)構(gòu)件抗彎承載力的影響(t=180 min)

(a) χ=0.31(b) χ=0.52(c) χ=0.72

2.4 混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu

圖6為采用不同混凝土抗壓強(qiáng)度的構(gòu)件C-8-5-4-4、C-10-5-4-4、C-12-5-4-4在受火時(shí)間為90 min的彎矩-跨中撓度曲線.從圖6可以看出,由于混凝土高溫的熱惰性,在受熱后其承載能力恢復(fù)較差,混凝土抗壓強(qiáng)度的變化對(duì)承載力和延性影響不大.

2.5 外鋼管屈服強(qiáng)度f(wàn)yo和內(nèi)鋼管屈服強(qiáng)度f(wàn)yi

圖7為受火時(shí)間為60 min的構(gòu)件C-8-5-3-4、C-8-5-4-4、C-8-5-5-4、C-8-5-6-4在只有外鋼管屈服強(qiáng)度不同時(shí)的彎矩-跨中撓度曲線.由圖7可見(jiàn),在其余條件相同的情況下,由普通鋼到高強(qiáng)鋼,構(gòu)件的抗彎剛度影響不大,而抗彎能力提升明顯,外鋼管的屈服強(qiáng)度對(duì)整體承載力的提升最為明顯,外鋼管由Q345變?yōu)镼460時(shí),構(gòu)件的抗彎承載力從59.71 kN·m提升到71.71 kN·m,提升了20.1%,因此提高外鋼管屈服強(qiáng)度對(duì)抗彎承載力影響顯著.

圖8為受火時(shí)間為60 min的構(gòu)件C-8-5-4-3、C-8-5-4-4、C-8-5-4-5、C-8-5-4-6在只有內(nèi)鋼管屈服強(qiáng)度不同時(shí)的彎矩-跨中撓度曲線.由圖可知,提升內(nèi)鋼管的屈服強(qiáng)度對(duì)提高構(gòu)件的抗彎剛度影響不大,抗彎性能也略有增加.因此提升內(nèi)鋼管屈服強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件抗彎能力和延性沒(méi)有明顯作用.

圖6 混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件抗彎承載力的影響(t=90 min)Fig.6 Influence of concrete compressive strength on ultimate bearing moment of specimens(t=90 min)

圖7 外鋼管屈服強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件抗彎承載力的影響(t=60 min)Fig.7 Effect of yield strength of outer steel tube on ultimate bending moment of specimens(t=60 min)

圖8 內(nèi)鋼管屈服強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件抗彎承載力 的影響(t=60 min)

3 典型曲線分析

以C-8-5-4-4構(gòu)件受火時(shí)間180 min為典型算例,分析中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土純彎構(gòu)件的受力機(jī)理.典型構(gòu)件的計(jì)算條件為Do=200 mm,Di=100 mm,to=ti=3 mm,fyo=fyi=460 MPa,fcu=80 MPa,χ=0.52,L=1 400 mm.圖9為彎矩-拉壓應(yīng)變曲線,虛線為外鋼管的屈服應(yīng)變,由εyo=fyo/Eso得出,其中Eso為外鋼管的彈性模量.由圖9可以看出,受拉區(qū)的外鋼管相比受壓區(qū)先達(dá)到屈服極限.

圖9 彎矩-拉壓應(yīng)變曲線Fig.9 Moment-strain(tension and compression) curve

圖10為火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件及各組成部件承擔(dān)彎矩情況.為方便描述,分別選取A、B、C三個(gè)參考點(diǎn).由圖10可見(jiàn)全過(guò)程曲線分為3個(gè)階段.

圖10 整個(gè)構(gòu)件及各組成部件承擔(dān)彎矩情況

從O點(diǎn)到A點(diǎn)為彈性階段,MA=0.6Mce,此時(shí)構(gòu)件的彎矩-撓度關(guān)系基本為線性關(guān)系,這一階段內(nèi)外鋼管與混凝土相互作用力較小,中性軸幾乎和中心點(diǎn)的水平線重合,此階段外鋼管承擔(dān)了近50%的彎矩.

從A點(diǎn)到C點(diǎn)為彈塑性階段,此時(shí)隨著載荷的增加,受壓區(qū)外鋼管逐漸達(dá)到屈服應(yīng)變,導(dǎo)致承擔(dān)的彎矩略有下降,由51.96%下降到50.89%,內(nèi)鋼管承擔(dān)彎矩增加,由17.37%提高到21.05%.外鋼管開(kāi)始對(duì)核心混凝土產(chǎn)生約束效應(yīng),并在B點(diǎn)處左右達(dá)到峰值,隨后逐漸下降,MB=0.8Mce.由于高溫的作用,混凝土的力學(xué)性能并沒(méi)有得到大量恢復(fù),其所提供的抗彎能力也小于內(nèi)鋼管,彎矩相比撓度增加緩慢且呈非線性關(guān)系.

C點(diǎn)后為塑性階段,MC=Mce.外鋼管承載力提高到55.58%,且其趨勢(shì)隨構(gòu)件的全過(guò)程曲線基本保持一致.內(nèi)鋼管提供的彎矩輕微增長(zhǎng),而混凝土提供的彎矩逐漸下降.整個(gè)構(gòu)件在達(dá)到極限抗彎承載力后仍保持較好的延性,各部件在火災(zāi)作用后協(xié)同工作良好,表明中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土純彎構(gòu)件具有較好的抗火性能.

4 結(jié) 論

1) 用ABAQUS軟件計(jì)算得到了火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土純彎構(gòu)件的彎矩-跨中撓度曲線,并且與已有試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

2) 火災(zāi)后中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土構(gòu)件的抗彎性能隨受火時(shí)間的增加而減弱,提高外鋼管的屈服強(qiáng)度對(duì)其抗彎性能提升顯著.提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和內(nèi)鋼管的屈服強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件抗彎性能的提升作用不大.

3) 典型彎矩-跨中撓度全過(guò)程曲線分為彈性階段、彈塑性階段和塑性階段.中空夾層高強(qiáng)鋼管高強(qiáng)混凝土純彎構(gòu)件在經(jīng)歷火災(zāi)作用后,夾心混凝土由于熱惰性喪失大部分力學(xué)性能,抗彎能力大幅度降低.內(nèi)鋼管受到混凝土的保護(hù),力學(xué)性能恢復(fù)較好.構(gòu)件整體的抗彎能力主要由內(nèi)外鋼管提供,抗火性能較好,經(jīng)歷火災(zāi)作用后仍具有較好的延性.