三面受火約束T形截面SRC異形柱耐火性能研究

徐浩然,毛小勇（蘇州科技學院 土木工程學院,江蘇 蘇州 215011）

三面受火約束T形截面SRC異形柱耐火性能研究

徐浩然,毛小勇
（蘇州科技學院 土木工程學院,江蘇 蘇州 215011）

摘 要：為考察約束條件下T形截面SRC異形柱的耐火性能，采用ABAQUS有限元軟件建立了其模型從而模擬在火災作用下約束T形截面型鋼混凝土異形柱的耐火性能。采用已有的試驗數據驗證了已建立的有限元模型的可靠性。應用驗證后的模型分析了約束T形截面型鋼混凝土異形柱在火災作用下的軸力和軸向變形特征，并且進一步分析了軸向約束剛度、轉動約束剛度、荷載比、偏心率等參數對其耐火極限的影響規律。結果表明，火災荷載比是影響約束SRC異形柱耐火極限的主要因素，隨著火災荷載比的增加耐火極限顯著降低；隨著軸向約束剛度和偏心率的增加，T形截面SRC異形柱耐火極限略有下降；隨著轉動約束剛度的增加T形截面SRC異形柱耐火極限略有提高。

關鍵詞：三面受火；SRC異形柱；約束；耐火極限；標準升溫

0 引言

型鋼混凝土（SRC）異形柱是在鋼筋混凝土異形柱內配置型鋼而形成的新型組合柱。SRC異形柱可以應用到多高層建筑中, 具有良好的應用前景。

針對SRC異形柱在常溫下的承載力、抗震性能等國內外已經有了不少研究成果[1]，然而SRC異形柱抗火性能方面的研究還處于起步階段，對此類構件的耐火能力缺乏必要的認識。由于SRC異形柱截面開展，厚度較小，火災下柱肢和內部型鋼升溫較快，伴隨著高溫下鋼材、混凝土材料性能劣化，構件承載力下降迅速，極易受到損傷。尤其是軸向約束條件下，混凝土更加容易產生爆裂和剝落，進一步加劇了內部型鋼的升溫速度，減小了柱的耐火極限。因此，對約束SRC異形柱的研究亟待展開，從而能進一步認識其在抗火性能減少火災所造成的損失。

目前，國內外對SRC柱的抗火性能已有所研究。宋天詣等應用有限元軟件ABAQUS建立了計算SRC柱在ISO-834標準升溫條件下的非線性有限元模型，并且通過已有試驗結果驗證了模型的合理性[2]。經建生、鄭永乾、韓林海通過對SRC構件截面溫度分布和耐火極限方面的研究得出，火災下SRC柱承載能力受構件截面周長和長細比影響較為明顯，而其中截面尺寸是影響火災下SRC柱承載能力的主要因素[3]。Mao對7根不同受火方式下的SRC柱進行耐火極限試驗研究得出，三面受火較四面受火SRC柱升溫慢，荷載比和偏心率對柱耐火極限影響顯著[4]。

由于截面不同，SRC異形柱的抗火性能與SRC柱存在顯著差異，同時由于位置、維護結構等不同，SRC異形柱可能處于不同的受火狀態。考慮到T形截面異形柱一般作為邊柱，因此本文以標準升溫條件下三面受火約束T形截面SRC異形柱為研究對象。

1　有限元模型及驗證

1.1 有限元模型

利用ABAQUS有限元軟件進行建模按照軟件中的順序熱力耦合進行分析。

模型為實腹式SRC 異形柱，含鋼率為2%～15%，截面尺寸如圖1。最小型鋼保護層厚度為50 mm[5-6]，主筋與鋼骨之間的距離取30 mm[7]，鋼筋的保護層厚度取20mm[8]。

進行溫度場分析時，SRC柱受火面對流換熱系數取25 W/ m2?K，綜合輻射系數取0.5。[9]材料的熱工參數隨溫度的變化規律采用TT Lie給出的相關公式確定。混凝土、型鋼采用DC3D8 單元；鋼筋采用DC1D2單元；鋼筋、型鋼和混凝土之間采取綁定約束（TIE）。混凝土和型鋼橫截面網格尺寸控制在30 mm 左右，縱向網格尺寸為50mm左右。升溫曲線采用ISO-834 標準升溫曲線。

進行力學分析時，保持溫度場分析的網格劃分和節點編號不變，改變單元類型。混凝土、型鋼及端板采用8 節點實體單元（C3D8R）；鋼筋采用2 節點桁架單元（T3D2）。端板和混凝土以及型鋼和混凝土之間采取綁定約束（TIE），鋼筋與混凝土的相互作用形式為嵌入(EMBEDDED REGION)。

邊界條件的設定：力學分析時，柱下端為餃接，約束柱X、Y、Z方向的位移，并且把繞Z軸的轉動位移約束，不考慮柱子的扭轉；柱頂約束X、Y方向位移且把繞Z軸的轉動位移約束。

柱端部的軸向約束和轉動約束采用SPRING2彈簧單元施加，彈簧的剛度根據柱子的截面形式和柱高計算得到。在柱頂施加軸向約束彈簧和轉動約束彈簧，在柱底施加轉動約束彈簧。如圖2[10-11]。圖3為T形截面型鋼混凝土異形柱單元網格劃分圖，在溫度場和力學分析時網格劃分情況保持一致。

在軸心受壓狀態下施加荷載時，按柱受火高度的千分之一作為初始偏心距考慮了柱的初始彎曲影響。

1.2 模型驗證

為了驗證材料性能參數及分析模型的正確性，本文選用高溫下T形截面鋼筋混凝土異形柱的抗火試驗數據進行對比分析。

文獻[12]對軸壓T 形截面鋼筋混凝土異形柱進行了抗火試驗。鋼筋混凝土柱截面尺寸、溫度測點布置如圖4所示。

采用 ISO834 標準升溫曲線。爐膛內實測升溫過程與ISO834標準升溫曲線的對比情況如圖5。

圖6給出了各溫度測點計算值與試驗值的對比曲線。靠近柱外側的測點試驗值和模擬值有較大偏差，這是因為軟件在模擬的過程中沒有考慮水分的蒸發以及混凝土剝落的影響。

圖7是各測點軸向位移的試驗值與模擬值對比曲線。模擬值和試驗值的整體趨勢一致，但是由于材料熱工參數與實際的差異，邊界條件的不同以及水蒸氣的影響等導致了位移值存在一定差異。總體上有限元模擬結果與試驗值符合較好。

2　約束SRC異形柱軸力及變形特征

圖8為不同軸向約束剛度比下柱軸向變形隨受火時間的變化情況。由圖可知，約束柱的軸向變形受軸向約束剛度的影響較大，軸向約束剛度越小軸向變形越大。這是因為軸向約束剛度越小，對柱的軸向變形約束能力越弱，在火災荷載的作用下軸向變形越大。

圖9給出了軸向約束SRC異形柱軸力隨時間的變化曲線。由圖可知，柱中軸力隨時間的變化呈先增大后減小的整體趨勢，并且在相同時刻軸向約束剛度越大柱中的軸力越大。這是由于軸向約束的存在，柱在高溫下受熱膨脹加大了柱的軸力，隨著溫度的繼續升高，柱材料劣化導致柱縮短，從而軸力下降；軸向約束剛度越大，柱在受熱膨脹階段柱的軸向約束越大軸力越大，同樣在材料性能劣化階段，柱軸向約束下降的也越快，所以柱中軸力回到初始值的時間幾乎一致。

3　 約束T形截面型鋼混凝土異形柱耐火極限參數分析

3.1 參數范圍與選取

為分析火災下約束SRC異形柱耐火極限的變化規律，定義軸力變化系數為P（t）/P（0），其中，P（t）為升溫過程中SRC柱中軸力，P（0）為柱初始軸力，定義約束SRC異形柱達到耐火極限為其軸力回復至初始軸力的時刻[13]。

考慮的主要因素包括：火災荷載比μ（μ=P0 /Pu，P0為常溫下柱的軸力，Pu為常溫下柱的極限承載力）；軸向約束剛度比αs（αs=kl/ klc，kl為軸向約束剛度，klc為柱常溫軸向剛度）；長細比λ（λ=l/i，l 為柱長，i 為換算截面法得出的回轉半徑）；偏心率e（e=2e0/b，e0為初始偏心距，b為偏心方向相應邊長）。

采用3 種偏心距，即e分別取0.3、0.5、0.7；3 種火災荷載比，即μ分別取0.3、0.5、0.7；4 種軸向約束剛度比，即αs分別取0.05、0.1、0.15、0.2； 3種轉動約束剛度比，即βr分別取1、5、10。

3.2 偏心率的影響

圖10為約束T形截面SRC異形柱耐火極限（tR表示耐火極限）隨不同偏心率的變化。由圖中可知，耐火極限受偏心率的影響不大，隨著偏心率的增大柱耐火極限略有降低。這是因為隨著偏心率增大柱的常溫下幾下承載力降低，在相同的荷載比下施加在柱端的軸力小；同時偏心率的加大增大了P-δ效應，降低了構件的耐火性能。

3.3 火災荷載比影響

圖11為約束T形截面SRC異形柱耐火極限隨火災荷載比的變化情況。由圖可知，火災荷載比時影響約束T形截面SRC異形柱的主要因素。在其他條件相同的情況下，構件的耐火極限隨著火災荷載比的增加線性降低。這是因為荷載比越大，構件內部材料的應力越大，在火災作用下，隨著溫度的上升材料性能劣化，用于抵抗高溫下的附加應力的儲備越小，從而降低了構件的耐火性能。

3.4 軸向約束剛度比影響

圖12是不同軸向約束剛度比下，約束T形截面SRC異形柱耐火極限隨軸向約束剛度比的變化情況。由圖可知，軸向約束剛度比從對柱的耐火極限影響不大。這是由于軸向約束的大小只影響柱中軸力的大小和變化快慢，柱中軸力回到初始值的時間是相同的所以對柱的耐火極限影響不大。

3.5 轉動約束剛度比影響

圖13是不同轉動約束剛度比下，約束T形截面SRC異形柱耐火極限隨轉動約束剛度比的變化情況。從圖可以看出，轉動約束剛度比對耐火極限有微小提高。這是由于轉動約束的存在對于構件的軸力變化幾乎沒有貢獻。

4　 結論

通過建立標準升溫下三面受火約束T形截面SRC異形柱的有限元分析模型分析了偏心率、火災荷載比、軸向約束剛度比、轉動約束剛度比對約束T形截面SRC異形柱耐火極限的影響規律。基于文中分析可得到如下結論：

（1）偏心率對約束T形截面SRC異形柱耐火極限影響不大。

（2）隨著火災荷載比的增大約束T形截面SRC異形柱的耐火極限快速降低的趨勢；

（3）隨著軸向約束剛度比的增加，約束T形截面SRC異形柱的耐火極限略有降低；隨著轉動約束剛度比的增加略有上升。

參考文獻:

[1]毛志偉，鄭廷銀.型鋼混凝土異形柱的研究現狀與展望[J].鋼結構工程研究，2008（增刊）:11-12.

[2]宋天詣.型鋼混凝土柱耐火極限研究[C].第六屆全國土木工程研究生學術論壇,2008.

[3]經建生,鄭永乾,韓林海.型鋼混凝土（SRC）構件抗火設計的關鍵問題.第六屆全國現代結構工程學術研討會[Z].2006(02):1532-1540.

[5]陳宗平,趙鴻鐵,薛建陽等.型鋼混凝土異形柱截面配鋼分析[J].哈爾濱工業大學學報,2005,37(08):181-184.

[6]陳宗平，趙鴻鐵，薛建陽等.型鋼混凝土異形的混凝土保護層厚度[J].哈爾濱工業大學學報,2005,37(08):128-131.

[7]聶建國，劉明，葉列平. 鋼-混凝土組合結構[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.

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[9]李國強，韓林海，樓國彪等.鋼結構及鋼-混凝土組合結構抗火設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2006.

[10]Hibbit, Karlsson and Sorensen, Inc. ABAQUS standard user’ manual[M].USA，2008.

[11]石亦平周玉蓉.ABAQUS 有限元分析實例詳解[M]北京：機械工業出版社,2006.

[12]吳波,徐玉野.高溫下鋼筋混凝土異形柱的試驗研究[J].建筑結構學報，2007,28(05):24-31.

[13]吳波,喬長江.約束混凝土柱的升降溫全過程軸力分析[J].土木建筑與環境工程，2010,32(02):53-59.

基金項目：江蘇省六大高峰人才項目（2011-JZ-004），江蘇省333工程中青年學術帶頭人項目（2011-Ⅲ-2217）。

作者簡介：徐浩然（1990-），男，江蘇泗洪人，碩士研究生，研究方向：結構抗火性能研究。

通信作者：毛小勇。