高温下方钢管混凝土柱耐火性能分析

(广东海洋大学寸金学院 广东 湛江 524003)

引言

基于国内外众多学者对混凝土和钢材耐火性能的大量研究结果，笔者运用有限元分析，对高温下方钢管混凝土耐火性能进行研究，并对国外相关试验数据进行验证。

一、高温学钢材和核心混凝土的热力学性能

(一)钢材的高温力学性能和应力-应变关系模型

1.应力-应变关系模型

描述高温下钢材应力-应变关系的模型有很多[1]，考虑到钢管混凝土柱在耐火过程中钢管受力比较复杂，尤其是偏压情况，精确描述其受力状态是很困难的。本文选用文献[2]提出的多线段弹性模型，具体如下：

(1)

式中：εp=4x10-6fy；fy为常温下钢材的屈服强度。

2.热膨胀系数αs

钢的热膨胀系数随温度的升高会发生变化，但变化幅度不大，文献[3,4]建议的钢的热膨胀系数为：

(2)

(二)核心混凝土的高温力学性能和本构关系模型

1.高温下核心混凝土的应力-应变关系

描述混凝土在恒定高温受压下的应力σc-应变εc模型时，根据对钢管混凝土耐火极限试验结果的验算，发现仍可采用常温下的表达式[5]，只是某些参数，如fck，ε0和ξ等是随温度变化的，基本表达式下[6]：

y=2x-x2(x≤1)

(3a)

(3b)

fc(T)=fc/[1+1.986×(T-20)3.21×10-9]

εcc(T)=(1.03+3.6×10-4T+4.22-6T2)(1300+12.5fc)(με)

η=1.6+1.5/x

ξ=αfy(T)/fck

α=As/Ac

2.热膨胀系数αc关系

受火时混凝土热膨胀系数的变化比较复杂。本文采用加拿大学者T.T.Lie给出的公式[3,4]计算：

αc=(0.008T+6)×10-6[m/(m·℃)]

(4)

3.恒定压应力下混凝土的瞬态热应变

混凝土的瞬态热应变其值远大于短期高温徐变和高温下应力产生的应变，是混凝土高温变形的主要部分。由于瞬态热应变假定为在混凝土施加荷载的同时即以完成，因此分析时可作为塑性应变的一部分，添加到混凝土应力—应变关系中。

文献[8]给出的混凝土的瞬态热应变：

(5)

二、试验验证

基于上述，对搜集到的方形钢管混凝土柱耐火极限试验数据进行验算。

文献[4]介绍了加拿大学者T.T.Lie的耐火试验研究成果。试验时，炉膛升温曲线按加拿大设计规程CAN-S1010中给定的选取，即

(6)

其中T-炉膛温度(℃)

t-升温时间，以小时计。

按照文献中五组长度均为3810mm、尺寸(Bs×Ts)不同的试件数据，采用相同的材料强度和轴压荷载，将试验测试结果与本文计算结果、公式计算结果进行对比，发现数值非常接近，相差不大。

三、结语

本文利用数值分析方法计算了方钢管混凝土轴心受压柱的耐火极限，证明了理论分析的可靠性及在设计荷载作用下方钢管混凝土柱遭受火灾时表现出良好的耐火性能，为实现局部火灾下方钢管混凝土框架结构抗火性能的分析创造了条件。