型钢混凝土T形柱耐火性能浅析

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摘要:为分析异形柱的耐火性能，以火灾下型钢混凝土T形柱为研究对象，采用有限元软件Abaqus建立其热-力顺序耦合模型，研究加载角、轴压比和偏心距等参数对T形柱耐火性能的影响。结果表明:对于型钢混凝土T形柱，在一定加载角度范围内，其耐火极限随加载角的增大而增大;轴压比和偏心距对T形柱的耐火性能影响也很大，随着轴压比和偏心距的增大，构件的耐火极限减小。

关键词:型钢混凝土;异形柱;耐火性能;温度场;位移场;有限元

0引言

型钢混凝土异形柱具有承载能力强、延性好和传力合理等优势，故在高层建筑中应用广泛。但在火灾发生时，型钢混凝土异形柱受火面积较大，致其更易发生损害甚至倒塌，对人民生命和财产安全产生巨大威胁，所以有必要对其耐火性能进行研究。毛小勇等［1-2］开展十字形、T形截面型钢混凝土异形柱耐火极限研究，认为含钢率和配筋率对构件的耐火极限影响较小，其耐火极限随含钢率的增加而增大，随配筋率的增加而减小。吴波等［3-5］进行高温下钢筋混凝土异形柱的试验研究，结果表明十字形柱、T形柱、L形柱的耐火性能依次降低。杨勇等［6］进行钢管混凝土十字形截面柱耐火性能试验研究，总结防火涂层厚度对该钢管在火灾下轴向变形和耐火极限等性能的影响规律。吴耀鹏等［7］研究典型受火方式下型钢混凝土异形柱耐火极限，认为实腹式配钢SＲC柱的耐火性能优于空腹式。虽然这些成果为异形柱的耐火性能分析提供一定的理论基础，但是我国异形柱的研究主要集中于抗震方面，其耐火性能研究仍较少，还需深入探讨。火灾试验耗资巨大，也具有一定的危险性，因此采用有限元软件Abaqus建立T形柱热-力耦合模型进行分析，通过与试验结果对比，验证模型的正确性，从而进一步探讨构件在四面受火时，加载角、轴压比和偏心距对T形柱耐火性能的影响，为异形柱的抗火设计提供参考。

1模型建立

1．1模型的基本假定和参数确定

利用Abaqus建立T形柱的热力顺序耦合模型［8］，分析各变量对试件柱耐火性能的影响。模型假定:(1)钢筋、型钢与混凝土之间不发生滑移;(2)试件截面温度场分布均匀［9］;(3)因钢筋受火面积较小，故在温度场分析中忽视钢筋对构件的影响;(4)试件柱四面受火;(5)忽视水分和徐变的影响。钢材和混凝土的热工参数参考欧洲规范EC4和LIE等［10］提出的热模型确定。T形柱受火时，热量通过热辐射和热对流的形式由外界传至构件表面，再通过热传导由表面传递其内部。取构件初始温度T0=20℃，受火面综合传热系数α=25W/m2，综合辐射系数ε=0．5［11］。型钢与混凝土之间的约束方式设置为绑定，柱下端完全固定，混凝土与柱端扩大头采用绑定约束。混凝土与型钢采用三维传热实体单元(DC3D8)模拟。在保持单元网格划分不变的基础上，将温度场结果导入力学模型中，混凝土与型钢采用三维实体单元(C3D8Ｒ)模拟，钢筋采用2节点桁架单元(T3D2)模拟［12］，其网格划分结果见图1。钢材和混凝土的力学参数参考时旭东等［13］给出的应力-应变模型确定。型钢和钢筋与混凝土之间采用相互嵌入的形式，混凝土与其端部采用绑定约束。柱下端完全固定，柱上端设置耦合点为加载点，按试验曲线施加载荷。T形柱整体模型见图2。

1．2模型验证

参考李兵等［14］试验中轴压T形柱TZ-2的相关参数，建立相关模型并进行分析。T形柱试件截面为长300mm、宽200mm、高100mm，计算长度为600mm，轴压比取0．6，钢筋采用直径为8mm的HPB300级钢筋，型钢骨架由4根纵向型钢和多根水平腹杆组成，端部钢板与型钢材质均为Q235B，混凝土强度等级为C35。试件柱两端设置柱端扩大头，构件四面受火，受火高度为600mm。柱配筋和温度测点布置示意见图3。测点1、测点5和测点7升温曲线的模拟值与试验值对比见图4，模拟结果与试验数据基本吻合。误差原因主要有:(1)试验仪器的不精确性;(2)材料的不均匀性;(3)数值分析的假定条件与试验时的实际情况不完全一致;(4)试验环境具有不确定性;(5)试验不可避免的操作误差。建立火灾下T形柱力学模型，设定柱四面受火，导入温度场计算结果，得到其位移曲线，见图5。耐火极限的模拟值为345min，试验值为338min，二者相差仅7min;柱破坏时间基本吻合，模拟值比试验值略大。模拟结果与试验数据变化趋势大致相同，仅在上升位移处存在一点差异，说明可以用热两力耦合模型研究柱的耐火极限。

2算例分析

2．1分析参数

采用上述热力耦合元模型，分析在构件四面受火时，加载角、轴压比和偏心距对T形柱试件耐火性能的影响。具体设计参数见表1。

2．2加载角

当载荷加载角为0和12°时，火灾下型钢混凝土T形柱试件的位移曲线见图6。随着受火时间的增长，试件的材料性能逐渐退化，导致其承载能力逐渐降低，当其承载力小于施加载荷时，曲线斜率陡然增大，达到试件耐火极限，发生脆性破坏。试件的位移变化均呈现3个阶段:前期受火加热阶段，试件受热膨胀，其跨中位移缓慢上升;受火中压缩变形阶段，试件承载能力逐渐降低，其跨中位移逐渐下降;受火后脆性破坏阶段，试件达到脆性破坏，其跨中位移急速下降。取其他条件相同，当加载角为0时，试件柱耐火极限为345min;当加载角为12°时，试件柱耐火极限为394min，其耐火极限提高49min，上涨幅度达到14．04%。在一定角度范围内，随着加载角的增大，试件的耐火极限提升，构件的延性更能得到充分利用。

2．3轴压比

取试件轴压比为0．6和0．7，火灾下型钢混凝土T形柱试件的位移曲线见图7。试件的轴向位移也经历3个阶段。在受热膨胀阶段，试件轴压比为0．7时上升位移为0．33mm，轴压比为0．6时上升位移为0．51mm，二者相差0．18mm。在受热前期，混凝土吸收热量，使柱受热膨胀而位移增大，因此轴压比越大位移越小:试件轴压比为0．6时，其耐火极限为345min;轴压比为0．7时，其耐火极限仅为215min。在受火中，试件压缩变形时间大大缩短，提前达到脆性破坏，其耐火极限时间降低130min。随着轴压比的增大，试件的耐火极限减小。试件轴压比增大，其耐火性能降低37．68%;载荷加载角增大，试件耐火性能提高14．04%。相对于加载角，轴压比对T形柱的耐火性能影响更大。

2．4偏心距

取试件偏心距为0和20mm，火灾下型钢混凝土T形柱试件的位移曲线见图8。轴向位移曲线也呈现3个阶段。当试件偏心距为0时，耐火极限为345min，偏心距为20mm时，耐火极限为253min，其耐火极限降低26．67%。当试件偏心距为20mm时，柱的下降位移斜率明显大于轴心受力的情况，偏心距的增大使T形柱的耐火极限减小，提前达到脆性破坏。当偏心距为20mm时，火灾下型钢混凝土T形柱试件的应力云图见图9。倾斜方向与偏心方向一致时，偏心一侧应力较大，裂缝更多，破坏更为明显，试件发生中部压弯破坏。随着偏心距的增大，柱的中和轴受压区偏离其中心，因此混凝土受拉区面积增大，受压区面积减小，导致混凝土承载能力降低，率先发生脆性破坏。

3结论

(1)利用Abaqus软件建立热-力顺序耦合模型，可以较为准确地模拟火灾下型钢混凝土T形柱的耐火极限，并对其耐火性能进行扩参数化分析，模拟结果具有一定的精确性，可节约试验成本，减小试验误差，为异形柱的抗火设计提供参考。(2)数值分析结果表明，加载角对T形柱的耐火性能有一定影响。在一定角度范围内，适当的增大加载角，可以提高T形柱的耐火极限，从而提高对异形柱延性的利用。轴压比对构件的耐火性能影响较大，随着轴压比增大，其耐火极限减小。偏心距也是影响异形柱耐火性能的重要因素之一，当偏心距增大时，异形柱的延性和耐火极限减小。(3)加载角、偏心距和轴压比对型钢混凝土T形柱耐火性能的影响依次增大，其破坏形式均为脆性破坏，跨中竖向位移变化呈现3个阶段，即受火前期膨胀阶段、受火中压缩变形阶段和受火后脆性破坏阶段。

作者:曲爽 巩贤港 单位:山东建筑大学土木工程学院