型鋼混凝土約束柱耐火極限實(shí)用計(jì)算方法

鄭蟬蟬１，李引擎１，王廣勇２

（1．中國建筑科學(xué)研究院，北京100013 ；2．建設(shè)部防災(zāi)研究中心，北京100013）

    摘 要：利用ABAQUS有限元軟件，建立了熱力耦合作用下四面受火型鋼混凝土約束柱的數(shù)值分析模型，該模型得到了已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。應(yīng)用上述模型，詳細(xì)考察了軸向約束剛度比、轉(zhuǎn)動約束剛度比、荷載比、偏心率、截面尺寸、含鋼率、截面配筋率等參數(shù)對型鋼混凝土約束柱耐火極限的影響規(guī)律。對影響型鋼混凝土約束柱耐火極限的各種參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算分析，結(jié)果表明軸向約束剛度比、荷載比、偏心率、截面尺寸和混凝土強(qiáng)度是影響耐火極限的主要因素。通過大量計(jì)算給出了型鋼混凝土約束柱耐火極限的實(shí)用抗火計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞：型鋼混凝土柱；耐火極限；ABAQUS

中圖分類號：X913.4 ,TU375.3    文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ 

文章編號：1009-0029(2017)01-0008-06

近年來，由于高層建筑數(shù)量的增多和規(guī)模的擴(kuò)大，結(jié)構(gòu)跨度和高度隨之增加，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承受的荷載越來越大。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)充分發(fā)揮了鋼材和混凝土的優(yōu)點(diǎn)，其承載力大、延性好，大大促進(jìn)了型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)在高層建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。在型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)中，型鋼混凝土框架柱是決定火災(zāi)下結(jié)構(gòu)是否倒塌的關(guān)鍵因素。型鋼混凝土柱在框架中受周圍梁柱的約束作用，因此需要對型鋼混凝土約束柱進(jìn)行研究。

對于約束柱耐火性能的研究，Ali和O＇CONNOR對受軸向約束和轉(zhuǎn)動約束作用的鋼柱進(jìn)行了耐火試驗(yàn)研究，為約束鋼柱的研究奠定了基礎(chǔ)。TAN等對約束鋼柱展開耐火試驗(yàn)研究，結(jié)果表明鋼柱的軸向約束剛度、初始缺陷和偏心率會顯著影響柱的耐火極限。喬長江對升降溫全過程的鋼筋混凝土約束柱進(jìn)行柱軸力和柱半高處彎矩分析，并給出相應(yīng)的實(shí)用計(jì)算公式。徐玉野和吳波通過編制端部約束異形柱的高溫受力程序，研究軸向約束對柱耐火極限的影響。陳筱妹對端部約束混凝土柱的耐火性能進(jìn)行了初步研究，建議給出了約束柱的柱端側(cè)移隨時間的變化規(guī)律。行盼娟等利用有限元分析了不同軸向約束剛度、柱高度、軸力比等參數(shù)對軸向約束PEC柱耐火極限的影響規(guī)律。HUANG等對型鋼混凝土柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，考察了不同軸向約束剛度比對型鋼混凝土的溫度場分布和受力的影響。

通過不同軸向約束剛度比、轉(zhuǎn)動約束剛度比、荷載比、偏心率、截面尺寸、含鋼率、截面配筋率等參數(shù)分析約束柱在火災(zāi)下的耐火極限，在大量計(jì)算的基礎(chǔ)上給出型鋼混凝土約束柱耐火極限的實(shí)用抗火計(jì)算方法，以期為型鋼混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)提供參考。

１ 有限元模型及驗(yàn)證

１．１ 有限元模型的建立

應(yīng)用ABAQUS的順序熱力耦合模型進(jìn)行型鋼混凝土約束柱的耐火性能分析，首先對約束柱進(jìn)行溫度場計(jì)算，然后在力學(xué)模型中調(diào)取構(gòu)件溫度場的數(shù)據(jù)進(jìn)行力學(xué)性能分析。

（1）材料的熱工性能。鋼材和混凝土的熱工參數(shù)都隨溫度的變化而變化。在對構(gòu)件進(jìn)行溫度分析時采用Lie和Denham給出的鋼材和混凝土的熱工參數(shù)。

（2）材料的力學(xué)分析模型。正確選取高溫下鋼材和混凝土的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系是計(jì)算型鋼混凝土柱耐火極限的關(guān)鍵因素。筆者選取文獻(xiàn)［8］給出的鋼材和混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型。

（3）單元類型和網(wǎng)格劃分。在溫度場模型中，混凝土和型鋼的單元類型采用三維實(shí)體單元C3D8R。力學(xué)模型中，混凝土、型鋼和鋼筋采用三維實(shí)體單元C3D8R，且鋼筋溫度自動選取形心處混凝土的溫度。溫度場分析和力學(xué)分析模型的網(wǎng)格劃分模式相同，均采用映射網(wǎng)格。

（4）界面處理及邊界條件。傳熱分析采用二維傳熱分析，即只考慮溫度沿型鋼混凝土柱橫截面的溫度傳遞，不考慮溫度場沿構(gòu)件長度方向的變化。力學(xué)分析中，文獻(xiàn)［9］研究表明，型鋼和混凝土之間粘結(jié)滑移對柱耐火性能的影響較小，在此不考慮粘結(jié)滑移對柱力學(xué)性能的影響。為驗(yàn)證有限元模型的正確性，力學(xué)分析模型的邊界條件和文獻(xiàn)［10］中試驗(yàn)的邊界條件保持一致，下端板固結(jié)，上端板約束自由度UX、UY、URY和URZ。

圖1為型鋼混凝土約束柱的熱電偶布置圖。熱電偶分別布置在型鋼翼緣外邊緣、型鋼腹板中點(diǎn)位置和靠近主筋位置處。圖2為型鋼混凝土約束柱的有限元模型。

１．２ 有限元模型的驗(yàn)證

應(yīng)用上述模型對文獻(xiàn)［10］的軸向約束型鋼混凝土柱SRC04和SRC05進(jìn)行驗(yàn)證。SRC04和SRC05的材料參數(shù)及試件設(shè)計(jì)，如表１所示。鋼材材料等級為Q325B，鈣質(zhì)骨料混凝土的強(qiáng)度等級為C30。SRC04和SRC05柱高4310 ｍｍ（包括兩個30 ｍｍ的端板厚度）。為保證柱下部的底座不受高溫影響且柱上部火焰不溢出爐蓋，分別在型鋼混凝土柱底和柱頂位置包裹耐火巖棉，此時柱的實(shí)際受火高度為3450 ｍｍ。試驗(yàn)過程中柱四面受火，升溫曲線遵循ISO834國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。

 圖3～圖4為SRC04和SRC05的溫度場計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比情況，圖5～圖6為SRC04和SRC05的柱頂豎向位移計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比情況。由圖可得，有限元模擬和試驗(yàn)結(jié)果總體吻合較好。

２ 型鋼混凝土約束柱耐火極限參數(shù)分析                                                                           2  

計(jì)算各參數(shù)對型鋼混凝土約束柱耐火極限的影響時，為簡化有限元計(jì)算模型，采取兩端鉸接的等偏壓型鋼混凝土柱計(jì)算模型，如圖７所示。柱上端受軸向約束和轉(zhuǎn)動約束作用，柱下端受轉(zhuǎn)動約束作用。升溫曲線采用ISO834國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。

選取的變量及其取值如下：荷載比n＝N／N０（0.6、0.7、0.8）、軸向約束剛度比βｌ＝kｌ／［（EｃAｃ＋EａAａ＋EｓAｓ）／H］（0.005、0.01、0.02）、轉(zhuǎn)動約束剛度比βｒ＝kｒ／［4（EｃIｃ＋EａIａ＋EｓIｓ）／H］（1.0、2.0、4.0）、偏心率ε＝e／0.5h（0.2、0.5、0.8）、截面尺寸b×h（300 ｍｍ×300 ｍｍ、400 ｍｍ×400 ｍｍ和500 ｍｍ×