相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱抗火性能

张玉琢，刘雨杰，吕学涛

(1. 沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168； 2. 中铁建工集团山东有限公司，山东 青岛 266000； 3. 佛山科学技术学院 交通与土木建筑学院，广东 佛山 528000)

0 引 言

钢管约束混凝土柱(Steel Tube Confined Concrete Column)是指在钢管中填充混凝土，钢管不直接承受竖向荷载，而主要为核心混凝土提供侧向约束作用的一种组合构件[1-4]。钢管约束混凝土柱具有很好的承载力、抗震性能，钢管本身可以直接作为永久模板，减少施工难度和模板用量，提高施工速度[5]，近年来在大跨结构及高层建筑中得到应用。把承受竖向荷载的型钢置于钢管约束混凝土柱的内部，钢管不承担竖向荷载，对混凝土起约束作用，火灾下型钢力学性能损失更少，有利于提高构件和结构的抗火性能。乔建刚[6]设计并制作了3个圆形截面和3个方形截面钢管约束型钢高强混凝土短柱试件、1个圆形截面和1个方形截面箍筋约束型钢高强混凝土短柱对比试件，试验表明：试件型钢与混凝土黏结破坏，发生了严重的整体剪切破坏；与箍筋约束高强混凝土短柱相比，外包钢管推迟了构件破坏形态的出现时间，显著提高了构件的承载力和延性。

钢管约束混凝土柱的研究日趋成熟，其在抗火方面有很好的表现，刘发起[7]进行了4个 ISO 834标准火灾作用下钢管约束钢筋混凝土柱足尺明火试验及1个钢管混凝土柱对比试验，考察了荷载比和构件模式对火灾下钢管约束钢筋混凝土柱的变形和耐火极限的影响，研究表明：与钢管混凝土柱相比，钢管约束钢筋混凝土柱具有更好的抗火性能。与传统的型钢混凝土柱及钢管混凝土柱相比，钢管约束型钢混凝土柱由于外包钢管的约束作用使得核心混凝土从柱受压之初就处于三向受压状态，同时能有效避免保护层脱落、箍筋屈服、纵筋失稳等现象的发生，且受火过程中由于混凝土对型钢的保护作用，可大大提高构件的承载力和延性。王卫永等[8]利用有限元软件ABAQUS对火灾下钢管约束型钢混凝土柱的受力性能进行研究，提出处于ISO 834标准火灾作用下的轴心受压钢管约束型钢混凝土柱承载力计算方法，并对影响构件耐火极限的因素进行了参数分析。

构件的非均匀受火不同程度地降低了方钢管约束型钢混凝土柱的整体温度，亦使材料的损伤程度较四面均匀受火情况有所减轻；受火方式的改变使方钢管约束型钢混凝土柱产生温度变形和附加偏心距，使非均匀受火的方钢管约束型钢混凝土柱的受力机理和抗火性能与四面受火情况有较大差异。因此，研究非均匀受火后方钢管约束型钢混凝土柱的过火性能，可为火灾后该类结构构件的损伤评估与加固修复提供建议，对于尽快恢复建筑结构的使用功能及降低火灾造成的经济损失具有重要意义。

鉴于国内外对方钢管约束型钢混凝土柱抗火研究较少，相关试验局限于均匀受火方式，而实际工程中由于建筑构造和功能性等要求，构件在火灾下处于非均匀受火状态，本文采用有限元软件ABAQUS分析ISO 834标准火灾作用下相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱耐火极限的影响参数及其影响规律，并定量给出耐火极限简化计算公式。

1 有限元模型及其验证

1.1 温度场模型

基于ABAQUS有限元分析软件，混凝土和型钢采用八节点三维热分析实体单元DC3D8，钢管采用四节点热分析壳单元DS4。材料的热工参数直接影响温度场模型计算结果的准确性，选用Lie[9]建议的混凝土及钢材热工参数，通过调整混凝土比热容以考虑5%含水率的影响，且假定温度超过100 ℃时水分全部蒸发。整个受热过程采用ISO 834标准升温曲线，构件与外部环境的热交换按第三类边界条件(对流换热和热辐射)确定，受火面对流换热系数取25 W·(m2·℃)-1，背火面对流换热系数取9 W·(m2·℃)-1，综合辐射系数取0.5[10]。

1.2 热力学分析模型

本文混凝土和型钢采用八节点三维实体单元C3D8R，钢管采用四节点壳单元S4R，钢筋采用二节点索单元T3D2。混凝土材料本构关系参考欧洲规范Eurocode 4[11]，混凝土采用塑性损伤模型，钢管与型钢的本构关系参考Lie等[12]的建议。钢管和混凝土表面切向按库仑摩擦实现，常温时摩擦因数选取0.6，高温时取0.3，法向按硬接触实现。型钢与外包混凝土之间的界面认为接触面上钢和混凝土几何位置相同的点具有相同的位移或变形，采用Embeded约束实现。采用平面内受力分析，对于轴压试件，由于受火状态下压弯方向的确定性，采用线铰约束，设置柱底端自由度U1=U2=U3=R2=R3=0；设置柱顶端自由度U1=U2=R2=R3=0,并考虑1/1 000柱长的初始缺陷。

1.3 模型验证

目前，有关方钢管约束型钢混凝土柱非均匀受火试验还未见报道，本文分别就已有试验的型钢混凝土柱温度场[13]和钢管约束型钢混凝土柱力学场[14-15]进行模拟验证。表1为试件的参数，其中D，B分别为试件直径和边长，L为试件长度，fy为钢材屈服强度，fcu为混凝土立方体抗压强度，Nu为试件轴压承载力，αH为型钢含钢率(αH=AH/Ac，AH，Ac分别为型钢和混凝土截面面积)。从图1，2可以看出，试件温度-时间和荷载-挠度(N-u)、荷载-应变(N-ε)曲线的模拟值与试验值拟合较好，可以验证所建模型的有效性。

表1试件参数Tab.1Parameters of Specimens

2 抗火性能分析

2.1 温度场分析

算例基本条件：计算长度L=3 000 mm，截面边长B=300 mm，钢管厚度ts=4 mm，型钢选用HW150×150，型钢含钢率αH=4.3%，图3为有限元模型。图4给出了方钢管约束型钢混凝土柱不同测点温度-时间(T-t)曲线。由图4可知，受火100 min时，型钢温度差值最大为70 ℃，升温过程中测点1(型钢翼缘中点)、测点2(型钢翼缘端点)温度均高于测点4(型钢腹板中心)，在40 min左右测点3(型钢腹板和翼缘交点)温度开始高于测点4，对比文献[16],可能由于翼缘距离受火侧较近，热量从受火面传递到型钢翼缘，再沿型钢传递。图5为不同受火时刻的截面对称轴上温度梯度分布，其中，d为柱对称轴到柱边缘的距离。由图5可知，高温及温度变化剧烈的区域集中在受火面附近，且距受火面越远，温度梯度变化越缓。这是因为混凝土导热系数小、比热容大，且外围混凝土的体积比较大，吸热能力大，越靠近混凝土中心对环境温度变化的反应越滞后。相对两面受火情况下受火边界双轴对称，导致截面温度分布也呈双轴对称，且柱截面温度最低区域位于截面中心。受火40，60，80，100 min时，最大温度差值分别为650，720，850，860 ℃，可见随着受火时间的增加，热传导使得构件内部温度持续升高，截面最大温差先增加后逐渐变缓。

2.2 耐火极限分析

采用第2.1节典型算例的参数，建立构件常温力学场和火灾下力学场典型算例模拟，荷载比n取0.6，混凝土强度等级取C40，荷载偏心率e/ra(e为荷载作用点到截面形心距离，ra=B/2)取0。之后对相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱进行顺序热力耦合分析。图6为不同受火时刻构件跨中截面混凝土纵向应力云图。由图6可知：t=10 min时，型钢附近混凝土纵向高应力较为集中，由于混凝土受火材性劣化，受火面附近混凝土纵向应力较弱，由截面形心向翼缘两侧递减；t=40 min时，受火面附近混凝土进一步劣化，致使纵向应力降低，核心混凝土纵向应力提高，混凝土纵向应力梯度增加；t=70 min时，构件失稳，受拉侧出现拉应力。图7为构件跨中截面型钢纵向应力云图。由图7可知：t=10 min时，型钢翼缘纵向应力大于腹板，呈双轴对称分布；t=40 min时，型钢纵向应力进一步提高；t=70 min时，型钢跨中挠度增加，偏向受拉侧翼缘出现拉应力，偏向受压侧翼缘受压。图8为钢管Mises应力云图。由图8可知：t=10 min时，钢管角部应力较大，背火面跨中偏向受压侧应力集中，向外扩散、递减，此时构件开始失稳；t=40 min时，钢管角部应力减弱，背火面跨中偏向受压侧应力集中加剧，向外扩散、递减；t=70 min时，构件失稳，背火面跨中偏向受压侧出现鼓曲，沿纵向分布，鼓曲处应力较大。受火过程中，型钢纵向应力大于混凝土纵向应力，偏向受拉区型钢翼缘拉应力大于偏向受拉区混凝土拉应力。

3 影响因素分析

选取影响构件耐火极限的参数[17-19]：荷载比、计算长度、型钢含钢率、截面尺寸、混凝土强度，利用所建立的有限元模型分析ISO 834标准火灾作用下各参数对构件耐火极限的影响规律。参数范围：荷载比取0.5～0.8，计算长度取2.4～3.3 m，截面边长取250～400 mm，混凝土强度等级取C30～C50，型钢含钢率取2.34%～5.55%，分别选取HW100×100，HW125×125，HW150×150，HW175×175。

3.1 荷载比

图9为荷载比对相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱耐火极限的影响，其中，tR为构件耐火极限计算值。由图9可知，荷载比对构件的耐火极限影响较大，随着荷载比的增加，构件的耐火极限呈线性降低。以计算长度等于3 m为例，荷载比由0.5提高到0.6时耐火极限降低13.4%，荷载比由0.6提高到0.7时耐火极限降低22.9%，荷载比由0.7提高到0.8时耐火极限降低30.96%，表明荷载比越大，其对耐火极限的影响越明显。

3.2 计算长度

图10为计算长度对相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱耐火极限的影响。由图10可知，计算长度对构件的耐火极限影响较大，随着计算长度的增加，构件的耐火极限呈线性降低。构件在火灾作用下屈曲，即构件在达到强度极限状态前就已经丧失整体稳定，构件为相对两面受火，截面温度场为双轴对称，热膨胀变形不产生附加侧向挠度，所以构件为轴心受压，轴心受力构件长细比越大，构件刚度越小，稳定承载力越低，相应构件耐火极限越低。计算长度相同时，混凝土强度对构件耐火极限的影响并不明显，这是因为在荷载比相同条件下，混凝土强度的提高使得火灾下构件受压荷载增大。以混凝土强度C40为例，计算长度由2.4 m提高到2.7 m时耐火极限降低9.21%，计算长度由2.7 m提高到3 m时耐火极限降低9.89%，计算长度由3 m提高到3.3 m时耐火极限降低8.72%。

3.3 型钢含钢率

图11为型钢含钢率对相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱耐火极限的影响。由图11可知，型钢含钢率对构件的耐火极限影响较小，随着型钢含钢率增加，构件耐火极限增加并不明显。型钢含钢率增加对构件常温极限承载力的提高作用明显，荷载比相同时，火灾下施加荷载增大，并且随着型钢含钢率的增加，型钢截面面积越大，混凝土保护层厚度越小，混凝土对型钢的保护作用降低，因此型钢含钢率对构件的耐火极限影响较小。以荷载比等于0.6为例，型钢含钢率由2.3%提高到3.3%时，耐火极限提高-0.4%，型钢含钢率由3.3%提高到4.3%时，耐火极限提高5.8%，型钢含钢率由4.3%提高到5.6%时，耐火极限提高0.66%。

3.4 截面尺寸

图12为截面尺寸对相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱耐火极限的影响。由图12可知：截面尺寸对构件的耐火极限影响较大，随着截面尺寸增加，构件的耐火极限呈线性增加，这是因为混凝土截面面积增加，构件吸热能力增强；混凝土具有热惰性，核心混凝土和型钢整体温度降低，二者强度折减程度降低。以荷载比等于0.6为例，截面边长由250 mm增到300 mm时耐火极限提高38.17%，截面边长由300 mm增到350 mm时耐火极限提高24.65%，截面边长由350 mm增到400 mm时耐火极限提高25.95%，可见截面尺寸对构件耐火极限的提高作用明显。

4 耐火极限简化公式

基于上节分析的各参数对构件耐火极限影响规律，以荷载比、计算长度、型钢含钢率、截面尺寸、混凝土强度为基本变量，回归了相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱耐火极限简化公式(1)[20]。公式(1)参数适于工程常用范围：荷载比取0.5～0.8，计算长度取2.4～3.3 m，型钢含钢率取2.34%～5.55%，截面边长取250～400 mm，混凝土强度等级取C30～C50级。

tR=β1β2β3β4β5

(1)

式中：β1=d1n2+d2n+d3；β2=d4L+d5；β3=d6fcu+d7；β4=d8αH+d9；β5=d10B+d11；d1～d11为系数，取值见表2。

图13为构件耐火极限模拟计算值tRf与回归公式计算值tR的比较，二者相关系数为0.996，二者之比的平均值为0.998，均方差为0.033。总体对比结果较好，表明公式(1)具有一定精度，可为该类构件抗火设计提供参考。

表2系数d1～d11取值Tab.2Values of Coefficients d1-d11

5 结 语

(1)相对两面受火的截面温度场呈双轴对称，距受火面越远，温度梯度变化越缓；火灾作用下混凝土对型钢具有很好的保护作用，对提高构件抗压能力和延性有利。

(2)荷载比和计算长度对构件耐火极限影响较大，随着荷载比和计算长度增加，构件的耐火极限呈线性降低；截面尺寸越大，构件耐火极限越大；型钢含钢率对构件的耐火极限影响较小。

(3)以荷载比、计算长度、截面尺寸、混凝土强度为基本变量，基于参数分析，回归了相对两面受火的方钢管约束型钢混凝土柱耐火极限的简化公式，该公式计算有良好精度。