裝配式多腔鋼管混凝土異形柱耐火性能分析

摘 要：【目的】隨著我國裝配式建筑結構的推進，多腔鋼管混凝土柱在新型鋼框架建筑結構體系中得到應用和發展，有必要對多腔鋼管混凝土異形柱的耐火性能進行研究。【方法】采用ABAQUS軟件建立組合柱受火的有限元模型，驗證其準確性，并分析T形和L形組合柱在兩種受火工況下的耐火性能，包括溫度發展、耐火極限、內力發展及破壞模式。【結果】組合柱的截面形狀和受火條件對其截面溫度分布影響顯著，當受火面減少一半時，T形和L形柱的耐火極限分別提升240.5%和95.8%。【結論】均勻受火條件下T形和L形組合柱的耐火極限相近，而非均勻受火條件下截面形狀對柱的耐火性能影響明顯，T形柱的耐火極限較L形柱高44.2%。

關鍵詞：多腔鋼管混凝土；非均勻受火；有限元分析；耐火性能

中圖分類號：TU398" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2024）23-0064-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.013

Analysis on the Fire Resistance of Prefabricated Multi-Cavity CFST Special-Shaped Columns

KAN Yuting

（Shenzhen Pingshan District Construction Works Department， Shenzhen 518000， China）

Abstract：[Purposes] With the advancement of prefabricated structures in China， the multi-cavity concrete-filled steel tubular （CFST） columns have been applied and developed in new steel frame structure building systems，and it is necessary to study the fire resistance of multi-cavity concrete-filled steel tube（CFST）Special-shaped special-shaped columns. [Methods] A finite element model of composite columns subjected to fire is developed and calibrated in ABAQUS software. The fire performance of T-shaped and L-shaped composite columns under two fire conditions are analyzed， including the temperature development， fire resistance， axial force development， as well as failure modes. [Findings] The cross-sectional type and fire conditions of composite columns have a significant effect on the temperature distribution. When the fire surface is reduced by half， the fire resistance of T-shaped and L-shaped columns increases by 240.5% and 95.8%， respectively. [Conclusions] The fire resistance of T-shaped and L-shaped composite columns under uniform fire is similar. The sectional shape has a significant effect on the fire resistance of columns under non-uniform fire， and the fire resistance of T-shaped column is 44.2% higher than that of L-shaped column.

Keywords： multi-cavity CFST; non-uniform fire; finite element analysis; resistance

0 引言

近些年，隨著我國各類裝配式鋼-混凝土組合結構的廣泛應用和相關技術的發展，多腔鋼管混凝土異形柱在新型框架結構建筑體系中得到應用［1-2］。多腔鋼管混凝土柱充分發揮了組合結構的優勢，其較多腔鋼柱有更高的承載力、更好的抗震性能［3］，以及更優異的耐火性能，典型“T形”和“L形”多腔鋼管混凝土柱截面示意如圖1所示。

火災是建筑結構遇到的常見災害之一，近年來眾多學者對鋼管混凝土結構的耐火性能進行了大量研究，研究發現該類組合構件較鋼筋混凝土和鋼結構表現出更優異的耐火性能［4］。此外，受到建筑構造和設備布置等要求的影響，實際工程中結構可能經常遭受非均勻火災，使結構處于非均勻受火狀態。如楊華等［5］、呂學濤等［6］分別對非均勻火災下矩形和方形鋼管混凝土柱的耐火性能進行了研究，結果表明，減少受火面對鋼管混凝土柱的耐火性能更有利。然而，目前關于多腔鋼管混凝土柱耐火性能的研究還較少，楊勇等［7］進行了十字形鋼管混凝土組合柱的火災試驗；Liu等［8］進行了T形多腔鋼管混凝土柱的火災試驗和有限元分析，但其研究的都是鋼管混凝土柱在均勻火災條件下的耐火性能，對于鋼管混凝土柱在非均勻火災條件下耐火性能的研究還較少。

為研究多腔鋼管混凝土異形柱在不同受火工況下的耐火性能，采用ABAQUS軟件建立組合柱的火災模型，分析T形和L形組合柱在兩種受火工況下的耐火性能，包括溫度發展、耐火極限、內力發展及破壞模式，為此類組合柱的抗火理論研究及相關工程應用提供參考。

1 有限元模型

1.1 試件工況設計

本研究設計T形和L形兩種截面的多腔組合柱進行其耐火性能分析，受火工況包括全截面均勻受火（柱CFST-T1和柱CFST-L1），以及非均勻受火（柱CFST-T2和柱CFST-L2）兩種工況，采用ISO-834標準升溫曲線進行升溫。典型組合柱由4個相同的方形鋼管混凝土組成，單個鋼管混凝土的參數為組合柱高1 500 mm，鋼管邊長和壁厚分別為100 mm和4 mm，鋼材強度為355 MPa，混凝土強度為50 MPa。組合柱兩端為鉸接，軸壓比為0.3（對應軸向荷載為1 116 kN），軸壓承載力通過韓林海［4］研究中的方法計算。

1.2 模型建立

采用ABAQUS有限元軟件建立兩種組合柱的火災模型，包括溫度場模型和力學場模型，有限元模型的邊界與網格劃分如圖2所示。在溫度場模型中，鋼管與混凝土的單元類型為DC3D8，受火面的相互作用包括熱對流和熱輻射，對流系數為25 W/（m2·℃）。非受火面的熱對流系數為9 W/（m2·℃）。在力學場模型中，鋼管和混凝土的單元類型均為C3D8R。在組合柱兩端設置參考點，采用“耦合”約束將參考點與組合柱的端部表面進行連接，通過約束參考點的位移和轉角實現簡支邊界。火災分析時先對組合柱施加軸向荷載，然后進行升溫。兩種模型中網格大小相同，單元尺寸均為15 mm，各個單腔鋼管混凝土之間采用“綁定”約束，約束區域僅為鋼管角部與壁厚相同的范圍，以考慮實際中鋼管之間的焊接。

1.3 材料本構

高溫下的鋼材采用雙折線應力—應變關系進行模擬；混凝土采用塑性損傷模型模擬，其本構采用韓林海［4］提出的鋼管混凝土中核心混凝土的應力—應變關系。在溫度場模擬中，采用考慮鋼材和混凝土的熱工參數，包括密度、比熱、導熱系數和膨脹系數等，鋼材和混凝土的密度分別取7 850 kg/m3和2 500 kg/m3。

1.4 模型驗證

為了驗證所建立火災模型的準確性，對Liu等［8］的研究中T形鋼管混凝土異形柱的火災試驗進行模擬，選取的試件為TM-100。文獻中試驗與本研究有限元預測的曲線對比如圖3所示，包括溫度—時間曲線，以及軸向位移—時間曲線。可以看出，預測與試驗的鋼管溫度（S-13和S-14）及混凝土的溫度（C-4）發展吻合較好，試驗與預測的耐火極限分別為31.0 min和31.1 min，二者相差0.3%，表明建立的有限元模型準確可靠。

2 組合柱的耐火性能分析

2.1 溫度分布與發展

T形柱CFST-T1和CFST-T2受火過程中截面在不同測點的溫度變化如圖4所示。對于柱CFST-T1，受火過程中鋼管表面（點1和點5）的溫度明顯高于內部混凝土（點2和點4）和內部鋼管（點3），由于T形柱左側的受火面更大，因此點5的溫度最高，當受火時間達到30 min和60 min時，點5的溫度分別達到675 ℃和891 ℃。對于T形柱CFST-T2，由于非均勻受火的影響，受火過程中鋼管表面點1的溫度遠高于鋼管表面點5和其他位置，受火30 min時點1的溫度達到570 ℃，而點2、3和5的溫度相近。

4種組合柱受火時間達到30 min時的截面溫度分布如圖5所示。對于柱CFST-T1，腔1、腔3和腔4鋼管表面的溫度明顯高于腔2鋼管，在腔2區域的低溫區域混凝土范圍較其他腔更大，內部混凝土最低溫度為187 ℃。而局部受火的柱CFST-T2的溫度分布梯度發生明顯變化，腔4區域的鋼管和混凝土溫度遠低于其他腔區域，左側區域混凝土的低溫區域主要出現在靠近腔4區域位置。對于柱CFST-L1，鋼管表面的最高溫達到706 ℃，腔2與腔3區域混凝土的溫度分布與柱CFST-T1不同。當受火面減少時，柱CFST-L2的鋼管和混凝土溫度分布也發生明顯變化。可見，組合柱截面形狀及受火條件的變化對截面的溫度分布影響顯著。

2.2 耐火極限對比

4種柱的跨中撓度—時間曲線如圖6所示。由圖6可知，均勻受火條件下，T形和L形柱的耐火極限（為24.2 min和23.5 min）相近，僅相差2.9%，表明截面形狀對柱的耐火性能影響不顯著。在非均勻受火條件下，T形柱的耐火極限遠高于L形柱，柱CFST-T2和CFST-L2的耐火極限分別為82.5 min和46.1 min，二者相差44.2%，表明非均勻受火條件截面形狀對柱的耐火性能影響明顯。此外，柱CFST-T1的跨中撓度方向與其余3個柱的方向相反，表明柱的破壞形態發生了變化。對于T形和L形柱，當受火面減少一半時，其耐火極限分別提升了240.5%和95.8%。

2.3 截面軸力變化

組合柱CFST-T2的截面軸力變化如圖7所示。受火前，在軸向荷載作用下，腔4區域的鋼管和混凝土的軸力明顯高于其他腔區域，腔1、腔2和腔3的初始軸力大小相近。隨著受火時間的延長，腔2處鋼管的軸力顯著增加，其余腔的軸力穩定。混凝土在腔1和腔3的軸力顯著下降，在腔2和腔4的軸力輕微增加后逐漸下降。當受火時間達到46.2 min時，組合柱截面的內力分布發生明顯變化，整個截面鋼管的軸力下降，混凝土的軸力上升，越接近耐火極限這種變化越明顯。對于鋼管，腔4區域的軸力隨著受火時間延長顯著降低，而其余腔保持相對穩定。對于混凝土，腔4區域的軸力逐漸下降，而其余腔區域的軸力顯著增加。

2.4 破壞形態對比

4種組合柱的破壞形態如圖8所示。由圖8可知，4種組合柱均發生明顯的整體彎曲破壞，不同的是，柱CFST-T1、CFST-L1和CFST-L2均向右側彎曲，而柱CFST-T2向左側彎曲，這與軸向荷載的加載位置和大小及受火條件有關。可見，受火條件的變化對T形柱的破壞形態影響顯著，對L形柱的破壞形態無明顯影響，因此在實際工程中很有必要考慮非均勻受火對組合柱破壞模式的影響。

3 結論

本研究建立了多腔鋼管混凝土異形柱耐火性能分析的有限元模型，基于該模型分析了均勻和非均勻受火條件下T形和L形組合柱的耐火性能，得出以下結論。

①組合柱截面形狀和受火條件對其截面溫度分布影響顯著，當受火面減少一半時，T形和L形柱的耐火極限分別提升240.5%和95.8%。

②均勻受火條件下T形和L形組合柱的耐火極限相近；非均勻受火條件下截面形狀對柱的耐火性能影響明顯，T形柱的耐火極限較L形柱高44.2%。

③受火條件變化對T形組合柱的破壞形態有顯著影響，非均勻受火柱中腔4區域的鋼管混凝土對組合柱的軸力貢獻最大，軸力和應力變化也更明顯。

參考文獻：

［1］舒贛平，周雄亮，王小盾，等.新型裝配式鋼框架結構建筑體系研究與應用［J］.建筑鋼結構進展，2021，23（10）：26-31，43.

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［4］韓林海.鋼管混凝土結構：理論與實踐［M］. 3版.北京：科學出版社， 2016.

［5］楊華，劉發起，呂學濤，等.三面受火的矩形鋼管混凝土柱受力機理與耐火極限［J］.建筑鋼結構進展， 2011， 13（6）： 56-63.

［6］呂學濤，楊華，張素梅.非均勻火災作用下方鋼管混凝土柱受力機理研究［J］.建筑結構學報，2013，34（3）：35-44.

［7］楊勇，龔志超，鄧輝，等.鋼管混凝土十字形截面柱耐火性能試驗研究［J］.建筑結構學報，2017，38（12）：88-96.

［8］LIU J P， WEI X， YANG Y L， et al. Fire resistance of T-shaped concrete-filled steel tubular columns under eccentric compression［J］.Journal of Constructional Steel Research， 2021（187）： 106973.