某鋼管混凝土柱結構受火仿真研究

張承業

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安　710065)

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某鋼管混凝土柱結構受火仿真研究

張承業

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安710065)

摘要：為復核某水電站主廠房新型鋼-混凝土組合結構受火性能，通過ADINA仿真分析軟件計算對該結構進行了分析研究，結果以實際指標表明隨溫度升高逐漸惡化，結構承載力逐漸下降，此研究為耐火設計提供了依據。關鍵詞：ADINA；仿真分析；鋼管混凝土組合柱;受火性能

近年來,鋼-混凝土組合結構具有輕質、高強、施工便利等性能，在工業廠房領域得到越來越廣泛的應用。鋼-混凝土組合結構有裸露的受力鋼構件，因而該結構和鋼結構一樣，耐火設計是重要環節。目前耐火設計主要依賴經驗，缺乏量化的分析方法。本研究以大型有限元程序ADINA作為分析工具對某水電站廠房鋼管混凝土排架結構的受火情況進行計算分析，研究了矩形鋼管混凝土柱隨外界溫度發生變化時溫度場和溫度應力的變化規律和受火性能，為耐火設計提供了量化依據。

1計算案例簡介

本水電站仿真計算選取廠房2號主機間作為計算單元,長度為19.4 m，跨度為24.1 m。

初擬鋼管混凝土柱等間距布置，吊車梁簡支于柱上，柱體外側由鋼板焊接而成，內填C40F200W4(一級配)混凝土, 排架柱上、下柱體截面尺寸分別為1.1 m×1.1 m、1.8 m×1.4 m，長邊、短邊鋼板厚度分別為16 mm、22 mm。2號機組段廠房整體三維有限元網格見圖1。

圖1　2號機組段廠房整體三維有限元網格圖

2結構分析

本研究采用ADINA中TMC熱機耦合模塊進行瞬態熱分析，仿真計算中排架柱以及環境初始溫度定為20 ℃，分析了隨著外界溫度變化，排架柱溫度場、應力及位移的變化情況。

2.1排架柱溫度場分析

圖2　典型截面圖

排架柱受火3 h后，取單柱分析，選取3個截面,典型截面位置見圖2：下柱柱底面向上30 cm處的橫截面(截面1)，上柱柱底面向下30 cm處的橫截面(截面2)，上柱柱底向上30 cm處的橫截面(截面3)。

選取截面3中關鍵點如圖3，1點位于外包鋼管處，2點位于距1點100 mm處，3點位于距1點200 mm處，相應關鍵點溫升曲線如圖4，截面1、截面2、截面3的溫度場如圖5。

圖3截面3關鍵點示意圖

結果表明整個受火過程中，鋼管溫升幅度較大，初期0.5 h左右的受火過程中鋼管溫升迅速，此后較為平緩。受火3 h后，鋼管表面溫度達到最高溫度1 100 ℃，接近鋼的熔點，鋼板開始融化。混凝土由于導熱系數小、比熱大，溫升曲線明顯落后于外包鋼管，越是靠近內部的混凝土，溫升幅度越小。靠近鋼管的混凝土溫升幅度較遠離鋼管的混凝土溫升幅度為大，混凝土由表及里200 mm范圍內，溫度變化劇烈，梯度較大[1-2]。

圖4　截面3不同關鍵點溫升曲線圖

由圖5(a)、(b)中可以看出，由于排架柱四周定義了相同的受火邊界條件，受火邊界對稱，因此截面1、截面3溫度分布呈單軸對稱，溫度最低區域位于截面中心，靠近外包鋼管區域混凝土溫度較高，內外溫差較大。混凝土的低導熱性能是導致截面內外較大溫差的主要原因，截面尺寸也會影響混凝土溫升，截面尺寸越大，混凝土吸熱越多，溫升越小。截面2位于上柱柱底附近，截面較大，除四周受火外，還直接受到下柱柱頂受火面傳來的熱量，因此呈現如圖5(c)所示溫度分布特征，但溫度變化規律基本一致，混凝土由表及里，溫升逐漸下降，且下降較快，溫差較大[3-4]。

2.2排架柱應力分析

仿真計算模擬了受火0.3、0.5、1、1.5、3 h后排架柱關鍵點的應力，應力關鍵點位置如圖6。由于排架柱由鋼管和混凝土2種材料組成，因此，應力分析將分別介紹鋼管和混凝土的應力規律。

計算結果顯示：

(1) 外圍混凝土X向應力基本為壓應力，受火1.5 h左右下柱底面長邊中點出現最大壓應力，最大壓應力5.23 MPa左右，下柱底面壓應力較上柱底面為大，混凝土壓應力隨受火時間初期逐漸增大后期有所減小，后期主要是材料在高溫下性質惡化所致。內部混凝土X向應力為拉應力，受火1.5 h左右上柱底面中心處出現最大拉應力，最大拉應力0.93 MPa左右。外包鋼管上柱底面X向應力以拉應力為主，受火0.5 h左右上柱底面角點出現最大拉應力，最大拉應力42.13 MPa左右，下柱底面X向應力以壓應力為主，受火0.5 h左右下柱底面長邊中點出現最大壓應力，最大壓應力56.45 MPa左右。

(2) 外圍混凝土Y向應力基本為壓應力，受火1.5 h左右下柱底面短邊中點出現最大壓應力，最大壓應力為5.33 MPa左右，混凝土壓應力隨受火時間初期逐漸增大后期有所減小。內部混凝土Y向應力為拉應力，受火3 h左右上柱底面中心處出現最大拉應力，最大拉應力為0.51 MPa左右。外包鋼管Y向應力上柱底面以受拉為主、下柱底面以受壓為主，受火3 h左右上柱底面角點出現最大拉應力，最大拉應力為39.85 MPa左右，受火3 h左右下柱底面短邊中點出現最大壓應力，最大壓應力為39.22 MPa 左右。

(3) 外圍混凝土Z向應力基本為壓應力，受火1 h左右下柱底面長邊中點出現最大壓應力，最大壓應力為4.97 MPa左右，混凝土壓應力隨受火時間初期逐漸增大后期有所減小。內部混凝土Z向應力為拉應力，受火3 h左右上柱底面中心處出現最大拉應力，最大拉應力為2.09 MPa左右。受火0.5 h左右下柱底面角點出現外包鋼管Z向最大壓應力，最大壓應力為43.28 MPa左右。

圖5　典型截面溫度場圖　　單位：℃

圖6　　　　排架柱應力關鍵　　　點位置圖

計算結果表明，火災作用下，外圍混凝土承受壓應力，但未達到混凝土抗壓極限強度，內部混凝土承受拉應力，受火1.5 h左右超過混凝土抗拉極限強度。外包鋼管下柱底面主要承受壓應力，上柱底面主要承受拉應力，盡管鋼管應力不大，但是由于溫度較高，接近鋼的熔點，材料性質惡化，鋼管將發生軟化，逐漸失去承載能力，此時排架柱將主要由內部的混凝土柱來承載[5]。

2.3排架柱位移分析

仿真計算了受火0.3、0.5、1、1.5、3 h后排架柱關鍵點的位移，關鍵點位置如圖7。

圖7　受火3 h后排架柱X、Y、Z位移Ux圖

計算結果表明，火災作用下，排架柱受火災作用和偏心荷載作用X向位移較大，受火1.5 h左右上柱柱頂X向產生最大位移131.48 mm ，Z向受火膨脹產生位移相對較小，受火3 h左右上柱柱頂產生Z向最大位移29.88 mm ，Y向受火3 h左右上柱柱頂出現最大位移23.85 mm。另外，比較1號柱、2號柱與3號柱相應點的位移可以看出，連系梁和斜支撐對排架柱X及Y向變形有一定的限制作用[6-7]。

3結語

受火性能研究表明，初期0.5 h左右的受火過程中鋼管溫升迅速，受火3 h后，鋼管溫度達到1 100 ℃左右，接近鋼的熔點。管內混凝土由表及里200 mm范圍內，溫度變化劇烈，梯度較大。內部混凝土承受拉應力，受火1.5 h左右超過混凝土抗拉極限強度。外包鋼管受火0.5 h左右應力達到最大值。由于溫度較高，鋼管將發生軟化，逐漸失去承載能力。鑒于火災作用下鋼管和混凝土材料性能隨溫度升高逐漸惡化，承載力逐漸下降。建議在鋼管混凝土排架柱設計中考慮采取適當地防火設計，在外表面涂防火涂料。具體設計中采用了該建議，實效良好。

參考文獻:

[1]徐政.洪家渡水電站廠房矩形薄壁鋼管混凝土組合柱試驗研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2005.

[2]李曉東，靳樂，孫慧，陳錦波.鋼管混凝土柱抗火性能的試驗研究[J].實驗力學，2013(03)：103-107.

[3]覃麗鈉，李明衛.矩形鋼管混凝土柱在水電站廠房中的應用[J].貴州水力發電,2011,25(06):12-16.[4]孫粵琳,張燎軍,冉懋鴿.洪家渡水電站廠房矩形鋼混柱接觸分析研究[J].三峽大學學報(自然科學版)，2004(06)：497-500.[5]李曉東,唐偉,靳樂,高立堂.火災下圓鋼管混凝土柱軸心受壓承載力的簡化計算研究[J].建筑科學，2015(05)：68-71.

[6]孫粵琳，張燎軍，冉懋鴿.矩形鋼管混凝土柱溫度場及溫度應力的有限元分析[J].水利水電科技進展，2005(05)：37-40.

[7]周燁.鋼管混凝土柱在水電站廠房結構中的應用[D].長沙：長沙理工大學，2013.

Simulation Study on Fire Resistance of A Steel Pipe Concrete Column

ZHANG Chengye

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:To recheck the fire resistance performance of newly-applied steel-concrete composite structure of powerhouse of a hydropower station, the structure is analyzed and studied by application of ADINA simulation analysis software. The study shows that it degrades with temperature rising, the bearing capacity of the structure decreases gradually. This study provides design of fire resistance with basis.Key words:ADINA; simulation analysis; steel pipe-concrete composite column; fire-resistant performance

文章編號：1006—2610(2016)03—0034—03

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：張承業(1982- )，男，安徽省安慶市人，工程師，主要從事水電站水工設計工作.

中圖分類號：TU398.9

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.009