高温(火灾)下T形截面钢管混凝土柱轴压承载力研究①

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(安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

近年来，钢管混凝土结构大量引入到工业与民用结构中，但是由于火灾导致的钢管混凝土结构的破坏也经常发生，因此需要对钢管混凝土结构进行深入的抗火研究。高温(火灾)下，钢材的物理、力学性能会发生比较大的变化，因此包裹核心素混凝土的钢管会发生破坏[1]，而当钢管破坏后，内部的核心素混凝土在荷载和高温的作用下就会发生损坏，从而导致整个结构的破坏。为了避免高温(火灾)下钢管混凝土结构发生破坏，必须开展钢管混凝土异形柱在高温(火灾)下的力学性能相关的研究。

1 高温(火灾)下T形截面钢管混凝土柱轴压承载力计算

1.1 截面叠加法

截面叠加法是在叠加理论的基础上提出一种T形柱承载力计算方法，主要思路是：将T形截面柱划分为两个矩形柱(如图1所示)，然后利用已知的矩形钢管混凝土柱在高温火灾下的承载力计算方法来进行计算。

图1

具体做法是在T形截面划分为A1和A2两个矩形后，分别计算出A1与A2柱在高温火灾情况下的轴压承载力，然后根据叠加理论可以得到T形截面钢管混凝土柱在高温火灾下轴压承载力Nu计算公式[4]：

Nu(t)=αKt1Nu1+βKt2Nu2

(1)

式中:Nu1为常温下矩形钢管混凝土柱A1的轴压承载力；Nu2为常温下矩形钢管混凝土柱A2的轴压承载力；Kt1为高温火灾下钢管混凝土柱A1的承载力影响系数；Kt2为高温火灾下钢管混凝土柱A2的承载力影响系数；α、β为分别为A1、A2矩形柱的承载力调整系数。

针对研究的由两个矩形截面钢管焊组合形成的T形截面钢管混凝土柱.根据武汉大学徐礼华教授[5]和哈尔滨工业大学吕学涛教授[6]的研究表明，采用截面叠加法计算组合T形截面柱时调整系数与值可不考虑，因此，组合T形钢管混凝土柱在高温下的轴压承载力简化计算公式为：

Nu(t)=Kt1Nu1+Kt2Nu2

(2)

1.2 理论计算

1.2.1 计算尺寸

文中的T形柱是由两个矩形截面钢管焊接组合形成的T形钢管混凝土柱，柱的高度为3810mm，且采用C40混凝土以及Q235B钢板，钢板厚度为5mm，柱截面尺寸为B×H=600mm×600mm，柱翼缘高度hf为400mm，腹板高度为200mm，柱的受火高度取柱的长度，即3810mm。具体尺寸如下图2所示。

图2 T形柱截面尺寸

1.2.2 理论解

应用公式(2)进行计算，其中Kt1，Kt2的取值参考文献[7],Nu1，Nu2的取值参考文献[8]。计算结果见表1所示。

表1 在不同受火时间下的轴压承载力值(kN)

由表1可知，受火前45min，T形钢管混凝土柱的轴压承载力迅速下降，说明此时的外部荷载都是由外层钢管来承担；45min以后T形钢管混凝土柱的轴压承载力下降速率逐渐稳定，说明这个阶段T形截面钢管混凝土柱的外层钢管已全部退出工作了，外部荷载都是由钢管内部混凝土来承担。

2 高温(火灾)下T形截面钢管混凝土柱有限元分析

2.1 有限元模型

建立的有限元模型[9]如下图3、4所示，本模型的T形截面钢管混凝土底部、顶部均为铰接。柱沿高度方向可自由移动，荷载施加在柱部，方向为沿柱的高度竖直向下。

图3 有限元模型示意图

图4 有限元模型网格划分示意图

图5 柱表面温度分布

2.2 热-力耦合分析

对T形截面钢管混凝土柱有限元模型进行热力耦合处理，模拟T形截面钢管混凝土柱在不同受火时间下沿高度方向的位移变化情况。

2.2.1 热分析

图5为有限元模拟的钢管混凝土柱腹板中部的表面温度与加拿大Lie[10]做的四面受火的方钢管混凝土试件表面温度试验结果对比情况，由图可以看出两者整体上吻合的较好，间接证明了研究建立的有限元模型在高温火灾下的温度场准确性较好。

2.2.2 结构分析

将材料单元由solid70单元转换成solid186单元，然后导入温度文件“*.rth”，并施加结构荷载与约束。为了得出T形柱在不同温度下的承载力情况，结构分析的施加的荷载值要根据时间的变化而变化，不同受火时间下的施加荷载值采用理论计算的承载力值。通过结构分析可得不同受火时间下沿高度方向位移变化情况如下图6所示。

图6 不同受火时间下沿高度方向位移变化情况

根据图6可以看出当上部施加荷载时，钢管混凝土柱最新破坏的位置大约在柱高的3/5处，此部位的横向位移值最大。柱在受火时间为15min、30min、45min、60min、90min、120min时的轴压最大压缩量分别为34.796mm、37.413mm、39.622 mm、41.515 mm、43.371 mm、45.234 mm。将有限元数值分析结果与理论计算结果进行分析，可以得出下表2所示。

表2 不同受火时间相应荷载作用下柱的轴向压缩变形情况

由表2可以看出，当受火时间为1800s时，柱的轴向变形的最大值为37.413mm；当受火时间为2700s时，柱的轴向变形的最大值为39.622mm；由参考文献[4]中的判定标准：当达到临界温度时，此时柱的轴向压缩变形达到构件受火高度的1/100即38.10mm，说明柱的临界温度出现在1800s-2700s之间。

3 结 论

总结了T形截面钢管混凝土柱的计算方法及计算公式，并结合有限元方法进行数值分析，主要得出如下结论：

1)由表1可以看出火灾前45minT形钢管混凝土柱由于钢管裸露受火后承载力迅速下降，因此T形钢管混凝土柱设计时必须考虑涂防火材料。

2)在模拟的高温火灾环境下，T形截面柱的轴向变形逐渐增加，T形截面柱的临界温度出现在1800s-2700s之间。

3)从轴向变形的变化率来看，随着受火时间不断增加，T形柱轴向变形的速度在不断减缓，可认为T形截面钢管混凝土柱在高温火灾下的承载力理论计算值与临界荷载值的差异逐渐减小，验证了该方法的可行性。