基于鋼混組合柱構件的耐火性分析

周曉勇

摘要：鋼混組合柱構件的耐火性關系著相關建筑的消防安全，所以針對鋼混組合柱構件的耐火性進行研究十分有必要。本文基于筆者的研究時間，對不同防火保護層的鋼混組合柱構件的耐火極限進行了實驗研究，最終以蒸壓輕質混凝土板為保護層的鋼混組合柱構件耐火性表現最好，所以蒸壓輕質混凝土板更適合作為鋼混組合柱構件的防火層來進行使用。

關鍵詞：鋼混組合柱構件;有限元分析;耐火性

鋼混組合柱構件是一種用途廣泛的建筑構件，其自身承載能力強，延展性好等優勢，但也有明顯的缺點，最為突出的就是鋼混組合柱的耐火性較差，所以鋼混組合柱在使用的過程中通常會加設防火保護層摻入耐火鋼來提高鋼混組合柱構件的耐火性。本文主要就鋼混組合柱構件的耐火性進行分析，針對防火保護層的厚度和種類進行模型分析和對比，最終找出適合鋼混組合柱構件的防火保護層。

1 方鋼管混凝土組合柱概述

1.1 原料

本次研究所選擇的鋼混組合柱構件是L型鋼管混凝土組合柱4根，試件的防火保護層均有不同，在此以1、2、3、4標號。防火保護層分為厚涂型防火涂料和蒸壓輕質混凝土板，其中厚涂型防火涂料的厚度為400kg·m-3，導熱系數為0.116W·m1·℃-1，比熱容為1047J· kg-1.℃-1;蒸壓輕質混凝土板的厚度為600kg· m-3，導熱系數為0.170W.m-1.℃ -1，比熱容為1700J· kg-1.℃-1。符合國家GB/T97762008鋼混組合柱以及其他相關的國家標準。

其中1號為無防火涂層，2號為厚涂型防火涂料，3號為蒸壓輕質混凝土板，4號為厚涂型防火涂料加蒸壓輕質混凝土板。

1.2 溫度場模型

利用相關軟件建立溫度場模型，對流系數依照試驗情況設定為25W/ （m2· K），防火板和鋼管的表面輻射系數設定為0.8和0.5，各個部分之間的接觸熱阻忽略，設定為各部分之間熱量處于完全傳遞的狀態。依照不同部分特性，本次設計的鋼混結構柱模型采用網格劃分，混凝土針對其特性采用8結點線性熱傳遞實體單元DC3D8，鋼管針對其特性采用4結點線性熱傳遞殼單元DS4。

1.3 方法

鋼材采用高溫下鋼材應力 應變關系與熱膨脹模型，混凝土采用混凝土瞬態熱應變計算式。利用ABAQUS進行順序熱力耦合分析，鋼材采用理想彈塑性模型，滿足vonMises屈服準則，混凝土采用塑性損傷模型。鋼管與混凝土之間法向采用硬接觸，切向采用庫侖摩擦。對鋼管混凝土，建議摩擦系數μ可取0.2 - 0.6，考慮高溫作用，本文取界面摩擦系數為0.3。端板與混凝土之間采用硬接觸。兩側端板邊界條件設置為鉸接。鋼材采用SR4單元，混凝土采用C3D8R單元。

2 耐火性分析

經過試驗，測得1號試件的耐火極限為62，其計算值為64;2號試件的耐火極限為80，其計算值為82;3號試件的耐火極限為169，共計算值為184;4號試件的耐火極限為169，其計算值為184.

根據實驗過程，筆者認為無防火保護的鋼混組合柱構件很好的反映了先膨脹再收縮的變形規律。四個構件剛開始均對高溫產生了一定耐性，

在升溫初期，柱膨脹變形的計算值較試驗值略小，原因在于試驗過程中對爐溫的控制無法完全按照既定的標準升溫曲線進行升溫，試驗中實際爐溫要比標準升溫曲線高，從而導致膨脹變形的試驗值偏大。

過了一段時間后，采用有限元計算試件的耐火極限，對于1號，2號兩根試件，其耐火極限的計算值和實測值基本一致。對于有防火保護的3號試件和4號試件，其耐火極限計算值較試驗值偏大，原因在于進行有限元分析時，無法模擬出實際試驗過程中防火涂料保護層在高溫作用下發生的裂縫、剝落等損傷，有限元計算出的耐火極限值偏大。

在升溫后期：對于文獻3號中的L形方鋼管混凝土組合柱試件，在3h后的軸向變形極小，僅為0.65mm。同時，有限元計算得到的壓縮變形量也較小，軸向位移與實測值基本吻合。由于試驗條件限制，該試驗進行至3h后終止，故其后位移情況僅為有限元模擬結果。

4號試件耐火極限計算值與試驗值的對比情況可知，有限元分析方法具有一定的可靠性與合理性，對無防火保護的鋼管混凝土柱，耐火極限計算誤差較小，最大誤差為3.1%;而對于有防火保護的鋼管混凝土柱，其耐火極限計算值比實測值偏大9%左右，兩者都在工程應用允許的合理誤差范圍之內。同時組合柱的耐火極限隨著軸壓比增大而減小。

3 結語

根據實驗可知3號和4號鋼混組合柱構件的耐火性表現最后，但是3號鋼混組合柱構件所用的材料比4號更為節約，所以根據本次實驗筆者認為3號的鋼混組合柱構件的耐火性表現最好，所以蒸壓輕質混凝土板更適合作為鋼混組合柱構件的防火層來進行使用。

參考文獻

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