型鋼混凝土T形柱耐火性能淺析

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摘要:為分析異形柱的耐火性能，以火災下型鋼混凝土T形柱為研究對象，采用有限元軟件Abaqus建立其熱-力順序耦合模型，研究加載角、軸壓比和偏心距等參數對T形柱耐火性能的影響。結果表明:對于型鋼混凝土T形柱，在一定加載角度范圍內，其耐火極限隨加載角的增大而增大;軸壓比和偏心距對T形柱的耐火性能影響也很大，隨著軸壓比和偏心距的增大，構件的耐火極限減小。

關鍵詞:型鋼混凝土;異形柱;耐火性能;溫度場;位移場;有限元

0引言

型鋼混凝土異形柱具有承載能力強、延性好和傳力合理等優勢，故在高層建筑中應用廣泛。但在火災發生時，型鋼混凝土異形柱受火面積較大，致其更易發生損害甚至倒塌，對人民生命和財產安全產生巨大威脅，所以有必要對其耐火性能進行研究。毛小勇等［1-2］開展十字形、T形截面型鋼混凝土異形柱耐火極限研究，認為含鋼率和配筋率對構件的耐火極限影響較小，其耐火極限隨含鋼率的增加而增大，隨配筋率的增加而減小。吳波等［3-5］進行高溫下鋼筋混凝土異形柱的試驗研究，結果表明十字形柱、T形柱、L形柱的耐火性能依次降低。楊勇等［6］進行鋼管混凝土十字形截面柱耐火性能試驗研究，總結防火涂層厚度對該鋼管在火災下軸向變形和耐火極限等性能的影響規律。吳耀鵬等［7］研究典型受火方式下型鋼混凝土異形柱耐火極限，認為實腹式配鋼SＲC柱的耐火性能優于空腹式。雖然這些成果為異形柱的耐火性能分析提供一定的理論基礎，但是我國異形柱的研究主要集中于抗震方面，其耐火性能研究仍較少，還需深入探討。火災試驗耗資巨大，也具有一定的危險性，因此采用有限元軟件Abaqus建立T形柱熱-力耦合模型進行分析，通過與試驗結果對比，驗證模型的正確性，從而進一步探討構件在四面受火時，加載角、軸壓比和偏心距對T形柱耐火性能的影響，為異形柱的抗火設計提供參考。

1模型建立

1．1模型的基本假定和參數確定

利用Abaqus建立T形柱的熱力順序耦合模型［8］，分析各變量對試件柱耐火性能的影響。模型假定:(1)鋼筋、型鋼與混凝土之間不發生滑移;(2)試件截面溫度場分布均勻［9］;(3)因鋼筋受火面積較小，故在溫度場分析中忽視鋼筋對構件的影響;(4)試件柱四面受火;(5)忽視水分和徐變的影響。鋼材和混凝土的熱工參數參考歐洲規范EC4和LIE等［10］提出的熱模型確定。T形柱受火時，熱量通過熱輻射和熱對流的形式由外界傳至構件表面，再通過熱傳導由表面傳遞其內部。取構件初始溫度T0=20℃，受火面綜合傳熱系數α=25W/m2，綜合輻射系數ε=0．5［11］。型鋼與混凝土之間的約束方式設置為綁定，柱下端完全固定，混凝土與柱端擴大頭采用綁定約束。混凝土與型鋼采用三維傳熱實體單元(DC3D8)模擬。在保持單元網格劃分不變的基礎上，將溫度場結果導入力學模型中，混凝土與型鋼采用三維實體單元(C3D8Ｒ)模擬，鋼筋采用2節點桁架單元(T3D2)模擬［12］，其網格劃分結果見圖1。鋼材和混凝土的力學參數參考時旭東等［13］給出的應力-應變模型確定。型鋼和鋼筋與混凝土之間采用相互嵌入的形式，混凝土與其端部采用綁定約束。柱下端完全固定，柱上端設置耦合點為加載點，按試驗曲線施加載荷。T形柱整體模型見圖2。

1．2模型驗證

參考李兵等［14］試驗中軸壓T形柱TZ-2的相關參數，建立相關模型并進行分析。T形柱試件截面為長300mm、寬200mm、高100mm，計算長度為600mm，軸壓比取0．6，鋼筋采用直徑為8mm的HPB300級鋼筋，型鋼骨架由4根縱向型鋼和多根水平腹桿組成，端部鋼板與型鋼材質均為Q235B，混凝土強度等級為C35。試件柱兩端設置柱端擴大頭，構件四面受火，受火高度為600mm。柱配筋和溫度測點布置示意見圖3。測點1、測點5和測點7升溫曲線的模擬值與試驗值對比見圖4，模擬結果與試驗數據基本吻合。誤差原因主要有:(1)試驗儀器的不精確性;(2)材料的不均勻性;(3)數值分析的假定條件與試驗時的實際情況不完全一致;(4)試驗環境具有不確定性;(5)試驗不可避免的操作誤差。建立火災下T形柱力學模型，設定柱四面受火，導入溫度場計算結果，得到其位移曲線，見圖5。耐火極限的模擬值為345min，試驗值為338min，二者相差僅7min;柱破壞時間基本吻合，模擬值比試驗值略大。模擬結果與試驗數據變化趨勢大致相同，僅在上升位移處存在一點差異，說明可以用熱兩力耦合模型研究柱的耐火極限。

2算例分析

2．1分析參數

采用上述熱力耦合元模型，分析在構件四面受火時，加載角、軸壓比和偏心距對T形柱試件耐火性能的影響。具體設計參數見表1。

2．2加載角

當載荷加載角為0和12°時，火災下型鋼混凝土T形柱試件的位移曲線見圖6。隨著受火時間的增長，試件的材料性能逐漸退化，導致其承載能力逐漸降低，當其承載力小于施加載荷時，曲線斜率陡然增大，達到試件耐火極限，發生脆性破壞。試件的位移變化均呈現3個階段:前期受火加熱階段，試件受熱膨脹，其跨中位移緩慢上升;受火中壓縮變形階段，試件承載能力逐漸降低，其跨中位移逐漸下降;受火后脆性破壞階段，試件達到脆性破壞，其跨中位移急速下降。取其他條件相同，當加載角為0時，試件柱耐火極限為345min;當加載角為12°時，試件柱耐火極限為394min，其耐火極限提高49min，上漲幅度達到14．04%。在一定角度范圍內，隨著加載角的增大，試件的耐火極限提升，構件的延性更能得到充分利用。

2．3軸壓比

取試件軸壓比為0．6和0．7，火災下型鋼混凝土T形柱試件的位移曲線見圖7。試件的軸向位移也經歷3個階段。在受熱膨脹階段，試件軸壓比為0．7時上升位移為0．33mm，軸壓比為0．6時上升位移為0．51mm，二者相差0．18mm。在受熱前期，混凝土吸收熱量，使柱受熱膨脹而位移增大，因此軸壓比越大位移越小:試件軸壓比為0．6時，其耐火極限為345min;軸壓比為0．7時，其耐火極限僅為215min。在受火中，試件壓縮變形時間大大縮短，提前達到脆性破壞，其耐火極限時間降低130min。隨著軸壓比的增大，試件的耐火極限減小。試件軸壓比增大，其耐火性能降低37．68%;載荷加載角增大，試件耐火性能提高14．04%。相對于加載角，軸壓比對T形柱的耐火性能影響更大。

2．4偏心距

取試件偏心距為0和20mm，火災下型鋼混凝土T形柱試件的位移曲線見圖8。軸向位移曲線也呈現3個階段。當試件偏心距為0時，耐火極限為345min，偏心距為20mm時，耐火極限為253min，其耐火極限降低26．67%。當試件偏心距為20mm時，柱的下降位移斜率明顯大于軸心受力的情況，偏心距的增大使T形柱的耐火極限減小，提前達到脆性破壞。當偏心距為20mm時，火災下型鋼混凝土T形柱試件的應力云圖見圖9。傾斜方向與偏心方向一致時，偏心一側應力較大，裂縫更多，破壞更為明顯，試件發生中部壓彎破壞。隨著偏心距的增大，柱的中和軸受壓區偏離其中心，因此混凝土受拉區面積增大，受壓區面積減小，導致混凝土承載能力降低，率先發生脆性破壞。

3結論

(1)利用Abaqus軟件建立熱-力順序耦合模型，可以較為準確地模擬火災下型鋼混凝土T形柱的耐火極限，并對其耐火性能進行擴參數化分析，模擬結果具有一定的精確性，可節約試驗成本，減小試驗誤差，為異形柱的抗火設計提供參考。(2)數值分析結果表明，加載角對T形柱的耐火性能有一定影響。在一定角度范圍內，適當的增大加載角，可以提高T形柱的耐火極限，從而提高對異形柱延性的利用。軸壓比對構件的耐火性能影響較大，隨著軸壓比增大，其耐火極限減小。偏心距也是影響異形柱耐火性能的重要因素之一，當偏心距增大時，異形柱的延性和耐火極限減小。(3)加載角、偏心距和軸壓比對型鋼混凝土T形柱耐火性能的影響依次增大，其破壞形式均為脆性破壞，跨中豎向位移變化呈現3個階段，即受火前期膨脹階段、受火中壓縮變形階段和受火后脆性破壞階段。

作者:曲爽 鞏賢港 單位:山東建筑大學土木工程學院