論文發布

型鋼混凝土約束柱耐火極限實用計算方法

鄭蟬蟬１，李引擎１，王廣勇２

（1．中國建筑科學研究院，北京100013 ；2．建設部防災研究中心，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值分析模型，該模型得到了已有試驗數據的驗證。應用上述模型，詳細考察了軸向約束剛度比、轉動約束剛度比、荷載比、偏心率、截面尺寸、含鋼率、截面配筋率等參數對型鋼混凝土約束柱耐火極限的影響規律。對影響型鋼混凝土約束柱耐火極限的各種參數進行詳細計算分析，結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度是影響耐火極限的主要因素。通過大量計算給出了型鋼混凝土約束柱耐火極限的實用抗火計算方法。

關鍵詞：型鋼混凝土柱；耐火極限；ABAQUS

中圖分類號：X913.4 ,TU375.3    文獻標志碼：Ａ 

文章編號：1009-0029(2017)01-0008-06

近年來，由于高層建筑數量的增多和規模的擴大，結構跨度和高度隨之增加，導致結構承受的荷載越來越大。型鋼混凝土結構充分發揮了鋼材和混凝土的優點，其承載力大、延性好，大大促進了型鋼混凝土框架結構在高層建筑結構中的應用。在型鋼混凝土框架結構中，型鋼混凝土框架柱是決定火災下結構是否倒塌的關鍵因素。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對受軸向約束和轉動約束作用的鋼柱進行了耐火試驗研究，為約束鋼柱的研究奠定了基礎。TAN等對約束鋼柱展開耐火試驗研究，結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行柱軸力和柱半高處彎矩分析，并給出相應的實用計算公式。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行了初步研究，建議給出了約束柱的柱端側移隨時間的變化規律。行盼娟等利用有限元分析了不同軸向約束剛度、柱高度、軸力比等參數對軸向約束PEC柱耐火極限的影響規律。HUANG等對型鋼混凝土柱進行試驗研究，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、截面配筋率等參數分析約束柱在火災下的耐火極限，在大量計算的基礎上給出型鋼混凝土約束柱耐火極限的實用抗火計算方法，以期為型鋼混凝土框架結構的抗火設計提供參考。

１ 有限元模型及驗證

１．１ 有限元模型的建立

應用ABAQUS的順序熱力耦合模型進行型鋼混凝土約束柱的耐火性能分析，首先對約束柱進行溫度場計算，然后在力學模型中調取構件溫度場的數據進行力學性能分析。

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

（2）材料的力學分析模型。正確選取高溫下鋼材和混凝土的應力－應變關系是計算型鋼混凝土柱耐火極限的關鍵因素。筆者選取文獻［8］給出的鋼材和混凝土的本構關系模型。

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

（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，不考慮溫度場沿構件長度方向的變化。力學分析中，文獻［9］研究表明，型鋼和混凝土之間粘結滑移對柱耐火性能的影響較小，在此不考慮粘結滑移對柱力學性能的影響。為驗證有限元模型的正確性，力學分析模型的邊界條件和文獻［10］中試驗的邊界條件保持一致，下端板固結，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 有限元模型的驗證

應用上述模型對文獻［10］的軸向約束型鋼混凝土柱SRC04和SRC05進行驗證。SRC04和SRC05的材料參數及試件設計，如表１所示。鋼材材料等級為Q325B，鈣質骨料混凝土的強度等級為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，此時柱的實際受火高度為3450 ｍｍ。試驗過程中柱四面受火，升溫曲線遵循ISO834國際標準升溫曲線。

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

２ 型鋼混凝土約束柱耐火極限參數分析                                                                           2  

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

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×