高温下配筋钢管混凝土T形柱轴压承载力计算

孙 浩

Equipment technology 装备技术

高温下配筋钢管混凝土T形柱轴压承载力计算

孙 浩

（合肥职业技术学院，安徽 合肥 238000）

采用截面叠加理论对配筋钢管混凝土T形柱进行研究，提出了T形截面配筋钢管混凝土柱在高温下轴压承载力理论计算简式，并建立T形截面配筋钢管混凝土柱有限元模型，将有限元分析结果与理论计算公式对比，验证了理论公式的正确性，为T形截面配筋钢管混凝土柱抗火设计提供了一定的理论依据，对工程设计有一定的参考价值。

钢管混凝土；异形柱；有限元；承载力

0 前言

进入二十一世纪以来，中国的建筑行业飞速发展，城市的建设规模越来越大，高层建筑犹如雨后春笋在各大城市拔地而起，钢管混凝土异形柱结构作为一种新型结构形式，兼具钢筋混凝土异形柱和钢管混凝土柱两种结构形式的优势，不但能提高承载力，改善结构的耐火能力、塑性变形能力，同时能够防止建筑内部凸角柱的出现，有效增加了建筑室内空间的利用效率，因此在建筑设计中被广泛地采用。

钢管混凝土T形柱是截面为T形的钢管混凝土异形柱，通常用在边柱的设计。配筋钢管混凝土T形柱的制作可通过将两个矩形截面薄壁钢管焊成T形截面钢柱，并在钢柱中配置纵筋和箍筋，再将砼浇筑到钢柱中。据统计，近10年我国平均每年发生262万起火灾，平均每天700多起，平均每年有2500多人因火灾而伤亡，由火灾造成的经济损失规模超过千亿元，并且目前火灾的规模和危害具有日益扩大化的趋势，在国家大力倡导采用钢结构的大背景下，开展结构抗火性能研究十分必要且迫切。实验研究表明，在钢管混凝土内部核心混凝土中设置纵向钢筋和构造箍筋可以有效提高T形截面配筋钢管混凝土柱的抗火能力，本文通过理论研究和有限元分析，提出了配筋钢管混凝土T形截面柱在火灾环境下的轴心受压承载力计算简式，并结合典型算例验证了公式的合理性。

1 理论分析

1.1 配筋钢管混凝土T形柱在常温环境下的轴心受压承载力计算

配筋钢管混凝土T形柱相对于普通钢管混凝土柱，其特点是在T形钢管的内部混凝土中配置了纵向钢筋，因此其轴心受压承载力是通过T形截面钢管、内置纵筋以及内部核心混凝土共同承担。根据文献[1]的研究成果可知，配筋钢管混凝土柱比不配置纵筋的钢管混凝土柱的轴心受压承载力大，多出的那部分轴心受压承载力可看作是配置纵筋贡献的，因此配筋钢管混凝土T形柱的轴心受压承载力计算简式为：

式中：Nu为配筋钢管混凝土T形柱的轴心受压承载力，Nu0为普通钢管混凝土T形柱的轴心受压承载力；Ayr为配置纵筋的总截面面积；fyr为钢筋的屈服强度；

1.2 高温下配筋T形截面钢管混凝土柱轴压承载力计算方法

故高温下钢管混凝土T形柱的轴心受压承载力Nu(t)计算简式可表示为：

钢管的热传导性能要远高于混凝土, 故在高温火灾环境下，钢管混凝土T形柱中钢管的温度上升速度比混凝土高很多,当火灾温度超过600度时，外部的钢管基本全部软化并退出工作，核心混凝土将承担全部荷载，因此钢管混凝土T形柱与钢筋混凝土柱在高温环境下的破坏形态是接近一致的。根据参考文献[5]的相关研究，钢筋混凝土柱与相同截面尺寸的钢管壁厚不超过10毫米的配筋钢管混凝土柱的温度场几乎完全一致。

此外，根据参考文献[4,6，7]的相关研究，可采用强度折减系数Kyr(t)来表示配筋钢管混凝土中纵筋在高温火灾环境下的强度衰减程度，Kyr(t)主要与纵筋外的混凝土保护层厚度c有关，c越大，Kyr(t)下降速度越慢，Kyr(t)的计算公式可表示为：

式中：t为受火时间，单位为小时；c为纵筋外层混凝土的厚度，单位为毫米。

因此，配筋钢管混凝土T形柱在高温火灾环境下的轴心受压承载力Nu计算简式可表示为：

式中：λ为柱的长细比。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

利用ansys有限元软件建立配筋钢管混凝土T形柱的有限元模型，模型尺寸下图1所示，柱内部配置14Φ16纵筋，箍筋为Φ8@200，纵筋外层混凝土保护层厚度为20mm。

通过热分析得出配筋钢管混凝土T形柱的温度分布图，并将柱腹板的不同区域的表面温度与加拿大Lie[8]做高温火灾环境下的钢管混凝土柱试件的表面温度的试验结果对比分析，两者相互吻合良好，间接证明了所建立的有限元模型和模拟的火灾温度场的准确性。

3.2 结果分析

对结构施加荷载与约束，并进行分析，得出钢管混凝土T形柱在不同受火时间下的轴心受压承载力情况，同时采用ISO-834国际破坏判断准则[9]，即认为在受火时间为t时，当配筋钢管混凝土T形柱的轴向压缩变形超过受火高度的0.1%时，则判定柱已破坏，此时柱所承受的荷载即为受火时间t下的轴心受压承载力。按照此判断准则将理论计算结果与有限元模拟结果对比分析，结果如下表所示。

表 不同受火时刻和相应荷载作用下钢管混凝土T形柱的轴向变形

受火时间(分钟)1530456090120 荷载比0.770.450.250.180.140.1 模拟轴向变形（毫米）34.8137.3939.5841.4943.4145.21 误 差（%）-8.68-1.813.988.979.6613.84

通过对比分析可得，受火时间在90分钟内时，理论公式计算与有限元模拟结果相互吻合的较好，证明了提出的理论计算简式在一定范围内的准确性。

4 结论

本文基于叠加理论的基础上，通过大量理论分析研究提出了配筋T形截面钢管混凝土柱在高温火灾环境下的轴心受压承载力计算简式，并利用ansys软件建立有限元模型进行有限元分析，通过典型算例将理论计算结果与有限元分析结果对比，两者相互吻合的较好，验证了提出的理论简式的正确性，为进一步研究异形截面钢管混凝土柱抗火性能和工程实际应用提供了重要的理论依据,具有一定的参考价值。

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