偏心率對(duì)鋼管混凝土芯柱的耐火極限影響分析

張望 劉婺

(1.遼寧彰武縣工程質(zhì)量監(jiān)督站，遼寧阜新 123000; 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新 123000)

異形鋼管混凝土芯柱的截面形式主要可以分為:1)T形;2)十字形;3)L形。而本文所研究的T形鋼管混凝土芯柱結(jié)構(gòu)則是采用了鋼管混凝土組合柱以及鋼筋混凝土異形柱兩種組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的新型組合結(jié)構(gòu)，這種組合結(jié)構(gòu)形式的鋼管混凝土芯柱具有良好的截面形式和足夠的截面面積來(lái)保證該組合結(jié)構(gòu)優(yōu)良的承載能力，又可以有效保證該組合結(jié)構(gòu)良好的延性能力以及抗火耐火特性，同時(shí)由于其施工工藝方便以及其優(yōu)美的外觀，所以該組合結(jié)構(gòu)形式具有良好的研究應(yīng)用前景。

由于T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)在高溫環(huán)境下的受壓力學(xué)性能以及偏心受壓力學(xué)性能相關(guān)的研究較少，而且其理論分析計(jì)算研究尚未成型，沒(méi)有可以參考和借鑒理論計(jì)算公式。因此本文在前人的研究基礎(chǔ)上，主要研究了T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)在小偏心荷載的壓力作用下的耐火極限和抗火性能。

1 T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)有限元分析模型的建立

在有限元分析模型中，該T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的肢寬為150 mm，高度為900 mm，其薄壁厚設(shè)置為4 mm，所選取的鋼材型號(hào)為Q235。為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要設(shè)置縱向鋼筋以及水平箍筋，縱向鋼筋和水平箍筋的型號(hào)均選為HPB235?？v筋一共需要用10根的φ10，設(shè)置鋼筋箍筋的間距為100 mm，為了保證模型的準(zhǔn)確性，設(shè)置其混凝土外保護(hù)層厚度為15 mm，所建立的組合結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖1所示。

為了保證有限元數(shù)值分析結(jié)果的可信度以及保證異形鋼管混凝土芯柱偏心距對(duì)其力學(xué)性能的影響，文章分別研究了偏心距為10 mm，20 mm，30 mm和40 mm的小偏心受壓情況的火災(zāi)環(huán)境下的力學(xué)性能。

2 火災(zāi)環(huán)境下的溫度場(chǎng)

2.1 混凝土的升溫曲線

在火災(zāi)環(huán)境下，混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能在高溫應(yīng)力的作用下會(huì)形成升溫—時(shí)間曲線，根據(jù)這條曲線就可以確定火災(zāi)環(huán)境溫度場(chǎng)對(duì)其升溫曲線的影響，同時(shí)根據(jù)該曲線來(lái)分析T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)在小偏心荷載的壓力作用下的耐火極限和抗火性能。

根據(jù)文獻(xiàn)［1］1990年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)給出的標(biāo)準(zhǔn)溫度—時(shí)間公式如下:

其中，T為火災(zāi)環(huán)境下溫度;t為火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間。

2.2 高溫下T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的理論分析

基于物理學(xué)中的熱力學(xué)第一定律ΔE=Q+W(其中，ΔE為整個(gè)體系系統(tǒng)內(nèi)能的變化量;Q為系統(tǒng)中熱量的變化值;W為外界系統(tǒng)對(duì)整體系統(tǒng)的做功)可以知道:在四面受火的條件下，T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的溫度保持恒定不變，此時(shí)假設(shè)為沿著T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的截面方向的二維溫度場(chǎng)的力學(xué)問(wèn)題。

由混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論可知:對(duì)于組合構(gòu)件而言，當(dāng)其截面形式為矩形，外界溫度場(chǎng)為均勻場(chǎng)的時(shí)候，此時(shí)可以假設(shè)為平面問(wèn)題。此時(shí)所建立的T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)方程為:

其中，c為T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的材料比熱，kJ/(kg·℃);ρ為T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的材料密度，kg/m3;k為T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的材料的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃);t為火災(zāi)燃燒的持續(xù)時(shí)間［2］。

2.3 T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析

基于有限元數(shù)值分析非線性軟件ABAQUS對(duì)構(gòu)件進(jìn)行建?？芍?在模擬T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的鋼筋以及混凝土的熱工性能的時(shí)候，需要首先確定其熱工性能(導(dǎo)熱系數(shù))，而確定的時(shí)候可以參考現(xiàn)有的研究成果，根據(jù)已有的文獻(xiàn)確定其數(shù)學(xué)計(jì)算公式。

由于混凝土的比熱和密度受水蒸氣的影響較大，因此需要對(duì)混凝土中的水蒸氣進(jìn)行確定，并對(duì)其熱工性能進(jìn)行一定程度的修正，此時(shí)假設(shè)混凝土中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為5%，初始邊界溫度條件設(shè)置為常溫條件下25℃。對(duì)于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，由于其截面鋼筋的體積含量相對(duì)較小，在進(jìn)行分析計(jì)算的時(shí)候可以忽略鋼筋的存在對(duì)整體結(jié)構(gòu)截面溫度場(chǎng)的影響，同時(shí)對(duì)于鋼筋而言，其形心處的溫度值可以通過(guò)插值法來(lái)進(jìn)行求解［2］。

在物理學(xué)中熱量的傳導(dǎo)方式主要有三種:1)熱傳導(dǎo);2)熱對(duì)流;3)熱輻射。在進(jìn)行熱力學(xué)溫度場(chǎng)分析的時(shí)候，則需要考慮兩種分析方式:a.穩(wěn)態(tài)傳熱:不隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng);b.瞬態(tài)傳熱:隨時(shí)間明顯變化的溫度場(chǎng)［3］。

有限元數(shù)值分析非線性軟件ABAQUS具有良好的熱力學(xué)分析功能，因此主要利用該軟件的熱力學(xué)功能對(duì)其進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。其分析的力學(xué)原理主要是基于能量守恒來(lái)建立其熱平衡方程，同時(shí)利用離散法來(lái)分析整個(gè)結(jié)構(gòu)體系各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度，并對(duì)其熱物理參數(shù)進(jìn)行分析確定，通過(guò)有限元軟件對(duì)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)分析如圖2，圖3所示。

圖1 T形鋼管混凝土組合芯柱的截面圖

圖2 T形鋼管混凝土芯柱觀測(cè)點(diǎn)的溫度—時(shí)間關(guān)系曲線

圖3 各個(gè)時(shí)間段溫度場(chǎng)分布云圖

3 高溫環(huán)境下混凝土與鋼材的物理力學(xué)性能分析

基于文獻(xiàn)［1］可以知道:在高溫環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能主要包含以下幾個(gè)物理參數(shù):1)抗壓強(qiáng)度;2)抗拉強(qiáng)度;3)彈性模量;4)應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。

1)高溫環(huán)境下普通混凝土結(jié)構(gòu)的棱柱體抗壓強(qiáng)度公式和抗拉強(qiáng)度公式［4］。

2)高溫環(huán)境下混凝土結(jié)構(gòu)的彈性模量。

3)高溫環(huán)境下混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系見圖4，圖5。

圖4 混凝土應(yīng)力—應(yīng)變曲線

圖5 鋼管外混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

4)高溫下普通鋼材的強(qiáng)度。

5)高溫下普通鋼材的彈性模量。

6)泊松比。

高溫下普通鋼材的泊松比受溫度影響較小，取Vs=0.3。

4 火災(zāi)環(huán)境T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)偏壓作用下的耐火極限分析

為了深入探討T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的耐火極限，在有限元數(shù)值分析中對(duì)柱子施加偏心荷載700 kN，并保持不變一直到數(shù)值計(jì)算結(jié)束?；趪?guó)際ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對(duì)T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行升溫，并探討升溫過(guò)程中組合結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)的力學(xué)影響，如圖6，圖7所示。

圖6 T形鋼管混凝土芯柱受火時(shí)間—位移曲線

圖7 T形鋼管混凝土芯柱受火時(shí)間—撓度曲線

在T形鋼管混凝土芯柱的耐火試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行判斷的標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)其軸向壓縮變形速度(或者是分析其壓縮量)是否超過(guò)范圍。

其中，Δ0為T形鋼管混凝土芯柱的軸向位移總量，mm;v為T形鋼管混凝土芯柱軸位移的變形速度，mm/min;H為T形鋼管混凝土芯柱的受火高度［5］。

通過(guò)分析可知:隨著荷載偏心率的增加，T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)受壓一側(cè)變形增大，嚴(yán)重降低了其耐火能力，即隨著偏心率增大，T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的耐火極限降低，尤其在軸壓比較小時(shí)這種現(xiàn)象特別明顯，這主要是由于隨著周圍溫度的升高，荷載偏心率的增大，T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的抗彎承載力迅速降低，從而降低了其耐火極限。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)高溫環(huán)境下T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的不同偏心率下的耐火極限進(jìn)行對(duì)比分析，我們可以得出以下結(jié)論:隨著荷載偏心率的增加，T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)受壓一側(cè)變形增大，嚴(yán)重降低了其耐火能力，即隨著偏心率增大，T形鋼管混凝土芯柱組合結(jié)構(gòu)的耐火極限降低。

［1］李國(guó)強(qiáng)，韓林海，樓國(guó)彪，等.鋼結(jié)構(gòu)及鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006:20-139.

［2］韓林海.混凝土在高溫作用下溫度場(chǎng)的非線性有限元分析［J］.哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(5):101-103.

［3］過(guò)鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計(jì)算［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］魏曉剛.考慮土—結(jié)構(gòu)相互作用的采動(dòng)區(qū)建筑物抗震抗變形雙重保護(hù)裝置減震分析［D］.阜新:遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2012.

［5］過(guò)鎮(zhèn)海，李 衛(wèi).混凝土耐熱力學(xué)性能的試驗(yàn)研究總結(jié)［R］.北京:清華大學(xué)土木工程系，1991.

［6］韓林海.鋼管混凝土結(jié)構(gòu)［M］.北京:科學(xué)出版社，2000.

［7］劉書賢，魏曉剛，王 偉，等.煤礦采動(dòng)與地震耦合作用下建筑物災(zāi)變分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，42(4):526-534.