装配式钢管混凝土柱—钢梁组合节点温度场分析

魏国强，魏宏亮

（1.天水师范学院 土木工程学院，甘肃 天水 741001；2.甘肃建投科技研发有限公司，甘肃 兰州 730050）

装配式钢结构可以有效推进建筑绿色化、工业化、信息化，近年来在国家政策推动下，装配式钢结构项目逐渐增多，但是随着现代建筑结构向高层化以及功能复杂化发展，结构所面临的火灾危害日益扩大，[1]已有较多学者对钢管混凝土柱及节点温度场进行了研究：杨华等[2-3]对单面及三面受火的矩形钢管混凝土柱进行了试验研究及有限元分析，研究了截面边长和受火时间对柱截面升温的影响。丁发兴等[4]建立了四面受火圆钢管混凝土柱温度场分析模型，并通过调整混凝土比热以考虑混凝土在受热过程中的水蒸气释放对温度场的影响。江莹等[5]采用有限元软件ABAQUS对方钢管混凝土柱-钢梁组合节点进行了温度场模拟，分析了升温段及降温钢管混凝土、钢梁及楼板的升温特性。董香艳等[6]对钢管混凝土柱-钢梁节点温度场及耐火极限进行了分析。王静峰等[7]采用有限元软件ABAQUS建立了钢管混凝土柱-钢梁外伸端板节点热力耦合模型，分析了节点在三面受火及荷载作用下的升温特性及耐火极限。

温度场分析是节点抗火分析的基础，但当前对装配式钢结构节点温度场的研究大多未考虑钢管与混凝土界面热阻对节点温度场的影响。本文基于ABAQUS有限元软件，建立了钢管混凝土组合节点温度场精细有限元分析模型，并考虑了钢管与混凝土界面热阻，研究了两种受火工况下节点的升温特性。

1 材料热工参数

材料热工参数的取值对温度场计算结果有较大影响，经过与试验数据对比，本文钢材及混凝土热工参数采用Lie[8]、Lie和Chabot[9]提出的模型。

1.1 混凝土热工参数

混凝土材料升温到100℃时，会出现水分蒸发，该现象对温度场分布有一定影响，假定混凝土中水分含量占总质量的5%，混凝土升温过程中，水蒸气对比热的影响，采用以下修正公式[10]

其中ρwcw=4.2×106J/(m3·℃)。

1.2 钢材热工参数

2 有限元模型建立

2.1 单元选取与划分

钢管、钢梁采用二维4节点壳单元DS4，混凝土采用三维实体热分析单元DC3D8，楼板内钢筋采用一维热分析单元DC1D2，单元划分如图1所示。

图1 钢管混凝土柱-钢梁组合节点网格划分

2.2 界面处理

钢管与钢梁、钢梁与混凝土楼板、钢筋与混凝土楼板均采用绑定（Tie）约束以完全传热，不考虑相对滑移。钢管内混凝土凝结过程中的体积收缩会导致混凝土与钢管之间产生脱空，而在传热过程中会产生热阻，本文采用Ding和Wang（2008）[11]建议接触热阻取值0.01（m2℃/W），以考虑热阻对传热的影响。

3 算例验证

基于目前钢管混凝土柱及组合节点已有火灾试验数据，采用上述建模方法，本文对文献[10]中钢管混凝土柱温度场及文献[12]中钢管混凝土柱-钢梁组合节点试验进行了数值模拟，以验证本文建模方法的合理性，限于篇幅，部分算例试验结果与计算结果对比如图2和图3所示，数值计算结果与试验基本吻合较好，验证了本文建模方法的合理性和准确性。

图2 钢管混凝土温度-时间关系曲线计算与试验对比

图3 组合节点温度-时间关系曲线计算与试验对比

4 节点温度场分析

根据《钢管混凝土结构技术规范》（GB50936-2014）[13]要求，对组合节点进行了设计，节点尺寸如图4所示，组合节点钢材采用Q345钢，核心混凝土采用C60，楼板混凝土采用C30。钢管截面为212mm×6mm，钢梁尺寸为200mm×150mm×6mm×8mm。楼板尺寸为L×b×t=2100mm×700mm×60mm，采用ISO834标准升温曲线进行升温。对两种工况下温度场进行分析，工况一为柱下单独受火，工况二为楼板下部区域均受火。

图4 组合节点尺寸示意图

组合梁温度测点分布如图5所示，对钢梁和混凝土楼板的升温进行测量，非节点区和节点区升温曲线如图6所示，可以看出工况一节点核心区升温明显较快，这主要是由于工况一仅为柱受火，非节点区未受火，其升温主要来自节点区的传热。而工况二节点核心区和非核心区升温基本接近，核心区升温略低于非核心区。

图5 温度测点示意图

图6 梁截面各点温度-时间变化曲线

两种工况下受火30min、60min、90min时温度场如图7所示，可见两种工况下节点核心区升温较慢，工况二钢梁升温较快，沿直径不同深度处钢管混凝土柱截面升温特性如图8和图9所示，整个柱截面温度场分布沿柱轴向对称，随着受火时间的增长，温度逐渐向构件内部和节点上部传递，越靠近柱外侧（0～40mm）温度梯度越大，而核心混凝土内部升温较慢，这是由于核心混凝土吸收了较多的热量。相对于工况一，工况二由于受火面的的增多，节点核心区升温较快。

图7 钢管混凝土柱-组合梁节点不同时刻温度云图

图8 不同时刻沿直径不同深度-温度变化曲线（工况一）

图9 不同时刻沿直径不同深度-温度变化曲线（工况二）

5 结语

本文基于ABAQUS有限元软件，在考虑钢管与核心混凝土界面热阻的基础上对钢管混凝土柱-钢梁组合节点进行了温度场分析，得到以下结论。

（1）两种工况下，整个节点截面温度场分布沿柱轴向对称。

（2）由于混凝土的热惰性，核心混凝土外侧（0～40mm）温度梯度较大，但核心混凝土内部升温滞后，温度梯度较小。

（3）本文建模方法可较好的模拟圆钢管混凝土柱-钢梁组合节点升温特性，可为后期组合节点抗火性能研究提供参考。