高溫下配筋鋼管混凝土T形柱軸壓承載力計算

孫 浩

Equipment technology 裝備技術

高溫下配筋鋼管混凝土T形柱軸壓承載力計算

孫 浩

（合肥職業(yè)技術學院，安徽 合肥 238000）

采用截面疊加理論對配筋鋼管混凝土T形柱進行研究，提出了T形截面配筋鋼管混凝土柱在高溫下軸壓承載力理論計算簡式，并建立T形截面配筋鋼管混凝土柱有限元模型，將有限元分析結果與理論計算公式對比，驗證了理論公式的正確性，為T形截面配筋鋼管混凝土柱抗火設計提供了一定的理論依據(jù)，對工程設計有一定的參考價值。

鋼管混凝土；異形柱；有限元；承載力

0 前言

進入二十一世紀以來，中國的建筑行業(yè)飛速發(fā)展，城市的建設規(guī)模越來越大，高層建筑猶如雨后春筍在各大城市拔地而起，鋼管混凝土異形柱結構作為一種新型結構形式，兼具鋼筋混凝土異形柱和鋼管混凝土柱兩種結構形式的優(yōu)勢，不但能提高承載力，改善結構的耐火能力、塑性變形能力，同時能夠防止建筑內(nèi)部凸角柱的出現(xiàn)，有效增加了建筑室內(nèi)空間的利用效率，因此在建筑設計中被廣泛地采用。

鋼管混凝土T形柱是截面為T形的鋼管混凝土異形柱，通常用在邊柱的設計。配筋鋼管混凝土T形柱的制作可通過將兩個矩形截面薄壁鋼管焊成T形截面鋼柱，并在鋼柱中配置縱筋和箍筋，再將砼澆筑到鋼柱中。據(jù)統(tǒng)計，近10年我國平均每年發(fā)生262萬起火災，平均每天700多起，平均每年有2500多人因火災而傷亡，由火災造成的經(jīng)濟損失規(guī)模超過千億元，并且目前火災的規(guī)模和危害具有日益擴大化的趨勢，在國家大力倡導采用鋼結構的大背景下，開展結構抗火性能研究十分必要且迫切。實驗研究表明，在鋼管混凝土內(nèi)部核心混凝土中設置縱向鋼筋和構造箍筋可以有效提高T形截面配筋鋼管混凝土柱的抗火能力，本文通過理論研究和有限元分析，提出了配筋鋼管混凝土T形截面柱在火災環(huán)境下的軸心受壓承載力計算簡式，并結合典型算例驗證了公式的合理性。

1 理論分析

1.1 配筋鋼管混凝土T形柱在常溫環(huán)境下的軸心受壓承載力計算

配筋鋼管混凝土T形柱相對于普通鋼管混凝土柱，其特點是在T形鋼管的內(nèi)部混凝土中配置了縱向鋼筋，因此其軸心受壓承載力是通過T形截面鋼管、內(nèi)置縱筋以及內(nèi)部核心混凝土共同承擔。根據(jù)文獻[1]的研究成果可知，配筋鋼管混凝土柱比不配置縱筋的鋼管混凝土柱的軸心受壓承載力大，多出的那部分軸心受壓承載力可看作是配置縱筋貢獻的，因此配筋鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力計算簡式為：

式中：Nu為配筋鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力，Nu0為普通鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力；Ayr為配置縱筋的總截面面積；fyr為鋼筋的屈服強度；

1.2 高溫下配筋T形截面鋼管混凝土柱軸壓承載力計算方法

故高溫下鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力Nu(t)計算簡式可表示為：

鋼管的熱傳導性能要遠高于混凝土, 故在高溫火災環(huán)境下，鋼管混凝土T形柱中鋼管的溫度上升速度比混凝土高很多,當火災溫度超過600度時，外部的鋼管基本全部軟化并退出工作，核心混凝土將承擔全部荷載，因此鋼管混凝土T形柱與鋼筋混凝土柱在高溫環(huán)境下的破壞形態(tài)是接近一致的。根據(jù)參考文獻[5]的相關研究，鋼筋混凝土柱與相同截面尺寸的鋼管壁厚不超過10毫米的配筋鋼管混凝土柱的溫度場幾乎完全一致。

此外，根據(jù)參考文獻[4,6，7]的相關研究，可采用強度折減系數(shù)Kyr(t)來表示配筋鋼管混凝土中縱筋在高溫火災環(huán)境下的強度衰減程度，Kyr(t)主要與縱筋外的混凝土保護層厚度c有關，c越大，Kyr(t)下降速度越慢，Kyr(t)的計算公式可表示為：

式中：t為受火時間，單位為小時；c為縱筋外層混凝土的厚度，單位為毫米。

因此，配筋鋼管混凝土T形柱在高溫火災環(huán)境下的軸心受壓承載力Nu計算簡式可表示為：

式中：λ為柱的長細比。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

利用ansys有限元軟件建立配筋鋼管混凝土T形柱的有限元模型，模型尺寸下圖1所示，柱內(nèi)部配置14Φ16縱筋，箍筋為Φ8@200，縱筋外層混凝土保護層厚度為20mm。

通過熱分析得出配筋鋼管混凝土T形柱的溫度分布圖，并將柱腹板的不同區(qū)域的表面溫度與加拿大Lie[8]做高溫火災環(huán)境下的鋼管混凝土柱試件的表面溫度的試驗結果對比分析，兩者相互吻合良好，間接證明了所建立的有限元模型和模擬的火災溫度場的準確性。

3.2 結果分析

對結構施加荷載與約束，并進行分析，得出鋼管混凝土T形柱在不同受火時間下的軸心受壓承載力情況，同時采用ISO-834國際破壞判斷準則[9]，即認為在受火時間為t時，當配筋鋼管混凝土T形柱的軸向壓縮變形超過受火高度的0.1%時，則判定柱已破壞，此時柱所承受的荷載即為受火時間t下的軸心受壓承載力。按照此判斷準則將理論計算結果與有限元模擬結果對比分析，結果如下表所示。

表 不同受火時刻和相應荷載作用下鋼管混凝土T形柱的軸向變形

受火時間(分鐘)1530456090120 荷載比0.770.450.250.180.140.1 模擬軸向變形（毫米）34.8137.3939.5841.4943.4145.21 誤 差（%）-8.68-1.813.988.979.6613.84

通過對比分析可得，受火時間在90分鐘內(nèi)時，理論公式計算與有限元模擬結果相互吻合的較好，證明了提出的理論計算簡式在一定范圍內(nèi)的準確性。

4 結論

本文基于疊加理論的基礎上，通過大量理論分析研究提出了配筋T形截面鋼管混凝土柱在高溫火災環(huán)境下的軸心受壓承載力計算簡式，并利用ansys軟件建立有限元模型進行有限元分析，通過典型算例將理論計算結果與有限元分析結果對比，兩者相互吻合的較好，驗證了提出的理論簡式的正確性，為進一步研究異形截面鋼管混凝土柱抗火性能和工程實際應用提供了重要的理論依據(jù),具有一定的參考價值。

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