火灾后配筋圆钢管混凝土柱剩余承载力数值分析

张玉琢，刘海卿，吕学涛，张 童

（辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁 阜新，123000）

0 引言

钢管混凝土柱因充分发挥两者的长处，使其具有很高的承载力和很强的塑性变形能力，从而经济效益显著，在工程中的应用越来越广泛，尤其在高层和超高层建筑中。近年来，人们开始在核心混凝土中加配钢筋以达到进一步提高柱的承载力和延性的目的［1－3］。

火灾的发生会导致建筑构件受到不同程度的损伤，而柱作为建筑结构中最主要的受力构件之一，有必要对其比较准确地进行火灾后剩余承载力及其损伤程度的评估，从而选择合理的修复加固方法以实现受损后构件的继续使用［4］。以往，学者徐玉野等［5］、唐跃锋等［6］等对火灾后钢筋混凝土柱的剩余承载力性能分别进行了有限元分析和试验研究；冯颖慧等［7］、周君［8］、李俊华等［9］等对火灾后型钢混凝土柱剩余承载力性能分别进行了有限元分析和试验研究；韩林海、霍静思等［10－12］对火灾后钢管素混凝土柱的剩余承载力性能进行了理论分析和试验研究。但到目前为止，有关配筋钢管混凝土柱火灾后的力学性能研究尚未见报道。

本文采用ABAQUS有限元模拟方法先建立火灾后钢管混凝土温度场模型，然后将温度场分析结果导入到力学计算模块进行计算，并利用国内外已有的试验结果进行验证，两者吻合较好。在此基础上，研究标准火灾作用后配筋圆钢管混凝土短柱不同参数下剩余承载力的变化规律，以期为火灾后钢管混凝土柱修复与加固提供参考。

1 模型建立

1.1 温度场计算

火灾时，热量通过热辐射和对流传热给构件表面，然后向构件内部传递。当火灾温度已知（本文取ISO－834标准升温曲线）时，属于第三类边界条件，构件表面的对流传热系数定为αc＝25W／（m2·℃）、热辐射系数ε＝0.5，构件初始温度认为是均匀的，且等于常温（20℃）［13］。

进行三维有限元建模时，钢管采用传热四边形壳单元（DS4），核心混凝土采用传热八节点三维实体单元（DC3D8），钢筋采用传热两节点索单元（DC1D2）；核心混凝土与钢管及节点区钢筋的接触采用Tie约束。由于混凝土中钢筋用量有限，不超过总体积中的3%，因而在高温情况下，钢筋的存在对混凝土结构内部的温度分布影响很小［14］。本文在建模时，不考虑内配钢筋对温度场的影响。

国内外学者已对混凝土和钢材的热工性能进行了较深入的研究，大多是在热工性能试验的基础上回归出热工性能表达式。材料的热工参数包括容重、比热、导热系数和热膨胀系数等，这些参数在温度作用下不是常数，而是温度的函数。在对比分析前人研究成果的基础上，本文选择T.T.Lie提供的钙质混凝土和钢材热工性能表达式，其中考虑了混凝土中水分的影响，假设混凝土中含水分的质量占总重的5%，进而对混凝土比热容进行了修正［15］。

1.2 荷载－变形关系曲线计算

配筋圆钢管混凝土轴压短柱的荷载－变形关系曲线计算采用ABAQUS／Standard模块。本文假定钢材为各项同性材料，采用的非线性本构方程满足Von－Mises屈服条件及相关流动性法则，同时符合等向强化准则；混凝土采用ABAQUS提供的塑性损伤模型（Concrete Damaged Plasticity），该模型适用于混凝土低围压下单调、往复和动力荷载下的计算。分析过程中常温下选用刘威（2005）修正的可应用于有限元分析的核心混凝土等效应力－应变关系模型，高温下选用林晓康（2006）对上述模型峰值应力及峰值应变的修正［16］，内配钢筋选用考虑强化的双折线应力－应变关系［17］。在进行火灾后钢管混凝土力学性能分析时，把材料的单元类型由热分析单元更改为结构分析单元，钢管采用四节点缩减积分形式的壳单元（S4R），在壳单元厚度方向上，采用9个积分点的Simpson积分；从计算经济性的角度出发，核心混凝土采用八节点缩减积分形式的三维实体单元（C3D8R）；内配钢筋采用两节点三维线性索单元（T3D2），为了得到荷载－变形的全过程曲线，本文采用沿轴向施加1万个微应变对应的位移方式加载。

1.3 算例验证

利用ABAQUS模型对钢管混凝土轴压柱实测结果进行验算。采用文献［10］中C－1，2试件和文献［11］中CC－1，2试件验证上述配筋钢管混凝土火灾后力学性能分析模型，试验参数如表1所示。其中D为核心柱钢管外直径；L为截面边长；ts为钢管壁厚；fcu为混凝土圆柱体抗压强度；σs为钢管的屈服强度；t为升温时间，Ncr为试验获得的极限承载力。Nck为本文计算获得的极限承载力。图1给出的是火灾作用后轴压圆钢管混凝土柱的计算结果和文献［10，11］实验结果的对比情况，从中可以看出，计算结果总体上与实验结果吻合较好。

表1 试验试件参数及极限承载力结果Table 1 Parameters of test specimens and results of ultimate bearing capacity

2 参数分析

影响火灾后配筋钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的因素主要有：升温时间（t）、混凝土强度（fcu）、钢管强度（σs）、钢筋强度（σsb）、含钢率（α）、配筋率（ρ）、构件截面尺寸（D）。下面通过典型算例来分析各参数对火灾后配筋钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的影响规律。计算时为便于分析，定义kr为火灾作用对配筋钢管混凝土轴压短柱剩余承载力影响系数，kr＝ Ncr／Nu其中，Ncr和 Nu分别为配筋圆钢管混凝土轴压短柱火灾作用后剩余承载力和常温下极限承载力。

图1 计算结果与实验结果比较［10，11］Fig.1 Comparison between calculated and experimental results

2.1 升温时间

图2所示为升温时间对系数kr的影响。本算例的计算条件是：D＝400mm，L＝1200mm，fcu＝40MPa，σs＝235MPa，σsb＝345MPa，6φ18，保护层c＝30mm，α＝0.1。在其它参数不变的情况下，t≤30min时，升温时间对kr影响不大；当t＞30min时，kr随t的增大而急剧降低。受火时间越长，材料损失越大。由此，升温时间的变化对kr影响较大。这可能是因为随着受火时间增长，钢材承受的力在剩余承载力中所占比例越来越大，但随着温度的升高钢材力学性能有很大程度的损失。

图2 升温时间的影响Fig.2 Influence of heating up time

2.2 混凝土强度

图3所示为混凝土强度对系数kr的影响。本算例的计算条件是：D＝400mm，L＝1200mm，σs＝235MPa，σsb＝345MPa，6φ18，保护层c＝30mm，α＝0.1。由此，在受火时间t一定的情况下，混凝土强度的变化对kr几乎没有影响。这可能是因为混凝土强度高的试件，其常温下极限承载力和火灾作用后剩余承载力均相对较高，两者比值差别不大。

图3 混凝土强度的影响Fig.3 Influence of concrete strength

2.3 钢管强度

图4所示为钢管强度对kr的影响。本算例的计算条件是：D＝400mm，L＝1200mm，fcu＝40MPa，σsb＝345MPa，6φ18，保护层c＝30mm，α＝0.1。由此，一定火灾持续时间t情况下，钢管强度的变化对kr影响很小。这可能是因为常温下钢管对构件承载力的贡献较大，而在受火后其强度会随着温度的升高而损失很大，但受火时间一定时，该参数对kr影响很小。

2.4 钢筋强度

图5所示为钢筋强度对kr的影响。本算例的计算条件是：D＝400mm，L＝1200mm，fcu＝40MPa，σs＝235MPa，6φ18，保护层c＝30mm，α＝0.1。由此，一定火灾持续时间t情况下，钢筋强度的变化对kr影响不大。

图4 钢管强度的影响Fig.4 Influence of steel tube strength

图5 钢筋强度的影响Fig.5 Influence of steel bar strength

2.5 含钢率

图6所示为含钢率对kr的影响。本算例的计算条件是：D＝400mm，L＝1200mm，fcu＝40MPa，σs＝235MPa，σsb＝345MPa，6φ18，保护层c＝30mm。由此，当t一定范围时，含钢率的变化对kr有一定影响，但不显著。

图6 含钢率的影响Fig.6 Influence of steel ratio

2.6 配筋率

图7所示为配筋率对kr的影响。本算例的计算条件是：D＝400mm，L＝1200mm，fcu＝40MPa，σs＝235MPa，σsb＝345MPa，保护层c＝30mm，α＝0.1。由此，当t一定范围时，配筋率的变化对kr的影响不显著。这可能是因为随配筋率的增加，剩余承载力和常温下极限承载力都近似呈直线增长，导致两者比值差别不大。

图7 配筋率的影响Fig.7 Influence of steel ratio of steel bar

2.7 构件截面尺寸

图8所示为构件截面尺寸（直径D）对kr的影响。本算例的计算条件是：L＝1200mm，fcu＝40MPa，σs＝235MPa，σsb＝345MPa，6φ18，保护层c＝30mm，α＝0.1。t一定时，当D 小于800mm时，kr随截面尺寸D的增大而几乎以指数速率增大，而当D大于800mm时，kr则随D增大而增大的趋势趋于平缓，由此，D对kr的影响比较大。这是因为混凝土属于热惰性材料，截面存在温度场，截面越大，内外温差越大，有时即便受火时间很长，也可能只有外围一定厚度混凝土的强度有损伤，随着D的增大，核心混凝土容积增大，其热容也越大，吸热能力越强，构件截面内外温差越大。

3 结论

本文利用数值分析方法计算了火灾作用后配筋钢管混凝土轴压短柱的荷载－变形关系曲线，通过试验验证了分析结果的正确性。初步分析混凝土强度、钢筋种类、含钢率、构件截面尺寸等参数对火灾后配筋钢管混凝土轴压短柱剩余承载力的影响规律。在本文研究工作的基础上，可初步得到如下结论：

1）数值模型计算出的荷载－变形关系曲线与试验曲线基本吻合；

2）影响火灾作用后配筋钢管混凝土轴压短柱构件承载力的主要因素有受火时间和截面尺寸，在其它条件相同的情况下，与常温下的承载力相比，受火时间越长，截面尺寸越小，构件火灾后剩余承载力的损失越高。

图8 截面尺寸的影响Fig.8 Influence of sectional dimension

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