不同加强措施下轴压部分包覆钢-混凝土组合柱抗火性能研究

胡 晨，张慧洁，王静峰，孙 彤，刘 用

(1. 国网安徽省电力有限公司经济技术研究院，安徽合肥 230009； 2. 合肥工业大学土木与水利工程学院，安徽合肥 230009； 3. 合肥工业大学先进钢结构技术与产业化安徽省协同创新中心，安徽合肥 230009)

0 引 言

随着现代工业技术的进步，装配式建筑在中国快速发展，越来越多的装配式组合结构应运而生，其中就包括在型钢两翼缘间填充混凝土而成的部分包覆混凝土组合构件，简称PEC构件。已有研究[1-3]表明：PEC柱具有良好的延性、承载能力及抗震性能等力学性能，同时PEC柱施工简便，节省模板，具有优越的经济性能。PEC柱中H型钢翼缘外露，由于钢材导热性强，耐火性能差，在火灾高温的情况下，H型钢由于迅速升温而强度显著降低，导致柱刚度和承载力快速下降，抗火性能较差，建筑物的安全性能得不到保障，因此PEC柱的抗火性能及抗火设计方法受到各界关注。

目前对于PEC柱的抗火性能国内外已开展了大量的研究工作：Wainman等[4]进行了PEC柱耐火极限试验，为欧洲规范中PEC柱的抗火设计提供了依据；文献[5]在其基础之上对轴向和弯曲约束下PEC柱的抗火性能进行了试验研究；毛小勇等[6-7]研究了标准升温条件下PEC柱耐火性能，并提出了火灾下PEC柱耐火极限的计算方法；在此基础之上，毛小勇等[8-10]还研究了约束PEC柱的轴力变化，考虑了火灾荷载比、轴向及转动约束刚度比、长细比、偏心率、弯矩分布模式等参数对PEC柱轴力变化及抗火性能的影响。

可以看出，已有研究主要分析了荷载比、长细比、柱端约束、偏心率等参数对PEC柱耐火极限的影响，而针对PEC柱抗火措施研究还较少。根据理论定性分析，涂装防火涂料、配置混凝土内受力钢筋、降低翼缘面积比等方法均有助于提高PEC柱耐火极限。为明确不同参数对PEC柱抗火性能的影响程度，得到更加经济合理的PEC柱抗火性能加强措施，本文利用有限元软件ABAQUS建立标准升温条件下轴压PEC柱抗火性能的有限元模型，在已有试验数据验证模型正确性的基础上，对PEC柱受火过程进行全过程分析，揭示PEC柱的抗火机制，分析降低荷载比，提高纵筋配筋率，减小翼缘面积比，增大防火涂料厚度等不同加强措施对PEC柱抗火性能的影响机理，提出PEC柱抗火性能有效增强措施，为进一步研究PEC柱的抗火性能及设计方法奠定基础。

1 模型建立

本文通过有限元分析软件ABAQUS采用顺序热-力耦合分析方法进行PEC柱抗火性能研究。首先基于瞬态传热分析得到不同升温时刻PEC柱温度场，之后将各节点温度导入热力学模型，进行力学性能分析。

1.1 温度场模型

温度场模型中，混凝土、端板和型钢采用8节点线性传热六面体实体单元(DC3D8)，钢筋采用2节点传热桁架单元(DC1D2)，采用结构化网格划分技术对模型进行网格划分，横截面网格尺寸取20 mm×20 mm，沿柱长度方向网格划分为50 mm，如图1所示。H型钢与混凝土之间考虑接触面的热阻，钢筋与混凝土之间的相互作用形式为绑定约束。

图1 温度场模型Fig.1 Temperature Field Model

温度场分析时混凝土和钢材均采用Lie提供的热工参数模型[11]，混凝土密度取为2 300 kg·m-3，含水率取5%，钢材密度取为7 850 kg·m-3。厚涂型防火涂料导热系数为0.116 W·(m·K)-1，比热容为1 047 J·(kg·°C)-1[12-13]，整个升温过程遵循ISO 834标准升温曲线，构件与外部环境的热交换按照第三类边界条件(对流换热和热辐射)确定，受火面对流换热系数取25 W·(m2·℃)-1，四面受火，综合辐射系数取0.5。

1.2 热力学模型

热力学分析时，单元的网格划分和节点编号与温度场一致，混凝土、端板和型钢采用8节点减缩积分三维实体单元(C3D8R)，钢筋采用2节点桁架单元(T3D2)。热力学分析模型网格划分如图2所示，其中U1为沿x轴方向的位移，U2为沿y轴方向的位移，U3为沿z轴方向的位移，UR2为绕y轴的转动约束，UR3为绕z轴的转动约束。

图2 热力学模型Fig.2 Thermodynamic Model

热力学分析时，混凝土采用塑性损伤模型，钢材采用弹塑性模型，高温下混凝土的应力-应变关系采用Lie模型[14]，热膨胀系数为6×10-6，钢材的应力-应变关系与热膨胀系数均采用欧洲规范模型[15]。H型钢与混凝土、H型钢与端板、混凝土与端板之间的相互作用形式为绑定[6-7,16-18]，钢筋与混凝土的相互作用形式为嵌入区域约束。上端边界条件为U1=U2=UR2=UR3=0，下端边界条件为U1=U2=U3=UR2=UR3=0。通过Buckle模型考虑柱初始缺陷，初始缺陷值设为L/1 000，L为柱长度。

2 模型验证

本文采用文献[5]中的试验数据对PEC柱在高温下的模型进行了验证，主要参数见表1，试件截面信息及测点布置见图3，其他参数详见文献[5]。

表1 试件参数Table 1 Specimen Parameters

2.1 温度场验证

本节对CSS160试件进行了温度场的对比验证，具体测点位置如图3所示，各测点实测温度与模拟温度对比如图4所示。可以看出，数值分析温度场结果与文献中试验结果基本吻合，其中T11测点试验结果偏高可能是由于混凝土热工参数选取与实际存在差别或炉体内温度分布不均匀，导致局部测点升温速率高于理论升温曲线；T12测点试验结果偏高可能是由于材料热工参数选取与实际存在差别或试件制作时热电偶位置存在偏差。总体上看，模拟值与试验值基本吻合。

图3 试件截面及测点布置(单位:mm)Fig.3 Section and Measuring Points of Specimens (Unit:mm)

图4 温度-时间曲线验证Fig.4 Verification of Temperature-time Curves

2.2 热力学验证

热力学模拟验证时，上端边界条件为U1=U2=0,下端边界条件为U1=U2=U3=0，通过弹簧单元在柱上端施加轴向、转动约束，柱下端施加转动约束，弹簧刚度详细参数见文献[5]。图5中k后数值为轴向弹簧刚度，k45表示轴向弹簧刚度为45 kN·mm-1，l后数值为荷载比，l0.7表示荷载比为0.7，依此类推。由图5可以看出，数值模拟分析结果与文献中试验结果在受火前期存在一定的偏差，可能是由于炉体内整体升温速率低于理论升温曲线，从而导致构件整体升温较慢。耐火极限模拟结果与试验结果存在一定偏差，可能是由于：①模拟计算得到的截面温度分布与实际温度场有一定偏差，从而导致 PEC 柱热力学分析时存在偏差；②试验中高温下 PEC 柱的轴向与转动约束是通过十字交叉梁施加的，通过试验给出的轴向及转动约束刚度值与实际施加于 PEC 柱的约束值存在一定的误差，导致模拟结果与试验结果有所偏差。从总体上看，模拟值与试验值基本吻合。

图5 轴向位移曲线验证Fig.5 Verification of Axial Displacement Curves

3 全过程分析及破坏模式

3.1 温度场分析

本节以CSS160试件为典型试件进行抗火全过程分析。按照ISO 834标准升温曲线升温9 000 s时PEC柱截面温度云图如图6所示，升温过程中不同特征点(T1为型钢翼缘表面，T2为混凝土表面，T3为混凝土内部，T4为型钢腹板及相连混凝土)的温度-时间曲线如图7所示。

图6 PEC柱截面温度云图Fig.6 Sectional Temperature Cloud Map of PEC Column

图7 PEC柱温度-时间曲线Fig.7 Temperature-time Curves of PEC Column

由图6和图7可知：型钢和混凝土外表面同步受火，两者温度相差基本不大；由于热量向试件内部传递，试件表面温度低于标准升温曲线；翼缘在900 s和3 100 s后温度分别升至400 ℃和800 ℃(分别对应钢材强度开始退化和基本丧失承载能力)，而腹板中间部分升温至400 ℃和800 ℃的时间分别为1 530 s和5 620 s，型钢翼缘升温速率远大于型钢腹板。这是由于翼缘直接受火而腹板受到混凝土包裹，混凝土能够从腹板吸收热量，延缓腹板的升温速率。由此可推断，在保持含钢率不变的情况下，适当减小PEC柱翼缘面积比，提高被混凝土包覆型钢面积，可提高其耐火极限。混凝土内部温度低于混凝土表面和型钢腹板周围混凝土的温度，这是由于钢材导热系数远大于混凝土，热量同时从周围环境、型钢翼缘和腹板向混凝土内部传递，因此混凝土内部温度最低。

3.2 耐火极限分析

火灾作用下PEC柱因温度升高将产生竖向膨胀变形，同时由于初始缺陷的存在使PEC柱处于压弯状态，温度升高将导致钢材和混凝土弹性模量降低，进而使得构件竖向受压和侧向弯曲变形不断增大，试件产生压缩变形。PEC 柱在竖向荷载作用下总的轴向位移随时间变化曲线如图8所示，大致可以分为2个阶段：

图8 PEC 柱轴向位移-时间曲线Fig.8 Axial Displacement-time Curve of PEC Column

(1)柱膨胀阶段(OA)。在升温初期，由于温度相对较低，材料弹性模量的降低不明显，因此 PEC 柱热膨胀变形大于压缩变形， PEC 柱表现为膨胀伸长变形。随温度升高，材料弹性模量降低越来越显著，竖向受压和侧向弯曲变形越来越大，试件压缩变形速率越来越大，导致试件整体轴向位移增加逐渐变缓。当材料弹性模量降低使得试件整体压缩变形速率与膨胀变形速率相等时，试件轴向位移达到峰值点A。

(2)柱压缩与破坏阶段(AB)。随着时间推移，温度继续升高，钢材与混凝土进一步劣化，试件整体收缩变形将大于热膨胀变形，试件轴向位移开始逐渐下降，且轴向位移下降速率不断加快。由于钢材和混凝土强度不断劣化，试件承载力也逐渐降低。根据《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978.8—2008)规定：受压柱无法再承受预定的竖向荷载，或试件的轴向变形达到0.01h(h为试件高度)，或轴向变形速率大于0.003hmin-1时，判定试件达到耐火极限。当试件达到耐火极限点B时，认为PEC柱失效破坏。

4 参数分析

4.1 温度场参数分析

4.1.1 不同受火条件下型钢温度对比

由于型钢翼缘温度对PEC柱耐火极限影响显著，本节分析不同受火条件下型钢翼缘的温度对比，主要考虑以下3种形式：H型钢柱(四周受火)、 PEC 柱(四周受火)、PEC 柱(仅混凝土外露面受火)。选取型钢翼缘与腹板交界处作为特征点，各受火条件下特征点升温曲线及试件温度场云图如图9、10所示。

图9 不同受火条件下型钢温度对比Fig.9 Temperature Comparison of Steel Under Various Fire Conditions

由图9可知：裸露H型钢柱全截面升温速率均较快，试件耐火性能较差；H型钢腹板和翼缘间填充混凝土的PEC柱四周受火时，由于混凝土吸收热量，能够延缓型钢翼缘升温速率，且由于混凝土的保护，型钢腹板温度明显低于型钢翼缘，但由于型钢直接受火，其翼缘升温速率仍较快，很难满足抗火设计要求；仅混凝土外表面受火时，由于混凝土导热系数较小，其对型钢翼缘和腹板起到保护作用，型钢升温速率显著降低，试件耐火极限将显著提高。因此，对于PEC柱，可主要考虑翼缘的防火保护，与型钢柱相比，显著降低了防火保护成本。

4.1.2 防火涂料厚度对PEC柱温度场的影响

出于经济性考虑，仅对PEC柱型钢翼缘涂刷防火涂料，涂刷防火涂料后PEC柱截面温度场如图10(d)所示，可以看出翼缘涂刷防火涂料后，PEC柱截面温度显著降低。不同防火涂料厚度(5、8、10、12、14、16、18、20 mm)下型钢翼缘与腹板交界处的升温曲线如图11所示，可以看出：防火涂料有效降低了PEC柱的升温速率，且防火涂料越厚，试件升温越缓慢。

图10 不同受火条件下各截面温度云图Fig.10 Sectional Temperature Cloud Map Under Various Fire Conditions

图11 防火涂料厚度对PEC柱温度的影响Fig.11 Influence of Fireproof Coating Thickness on Temperature of PEC Columns

4.1.3 截面尺寸对温度的影响

不同截面尺寸(250 mm×250 mm×9.4 mm×14.8 mm、400 mm×400 mm×15 mm×23.68 mm、160 mm×152 mm×6 mm×9 mm)PEC柱型钢腹板中心处的升温曲线如图12所示。可以看出：增大截面尺寸可以降低PEC柱升温速率，截面尺寸越大，试件升温越缓慢，这是由于截面尺寸越大，混凝土尺寸越大，混凝土吸热能力越强，同时钢材被更好地包覆，PEC柱内部升温越慢。

图12 截面尺寸对PEC柱温度的影响Fig.12 Influence of Section Size on Temperature of PEC Columns

4.2 耐火极限参数分析

为得到更加经济合理的PEC柱防火措施，本节以PEC-1模型(CSS160试件)为基准模型进行参数分析，主要考察荷载比μ(μ=P0/NRd，其中NRd为室温下柱的承载力)、长细比λ、纵筋配筋率β、翼缘面积比γ(翼缘面积与型钢面积的比值)、截面尺寸和防火涂料厚度t等参数对PEC柱抗火性能的影响规律，各模型参数取值如表2所示。

表2 PEC 柱分析参数Table 2 Analysis Parameters of PEC Columns

荷载比对PEC柱抗火性能的影响如图13所示。可以看出：升温初期，试件轴向变形主要受热膨胀变形影响，不同荷载比下PEC柱初始变形速率相同，但随荷载比增大，PEC柱更容易因材料强度和弹性模量退化而达到极限状态，试件最大轴向位移和耐火极限均显著降低。

图13 荷载比对PEC柱抗火性能的影响Fig.13 Influence of Load Ratio on Fire Resistance of PEC Columns

图14为纵筋配筋率对PEC柱抗火性能的影响。可以看出：当保持荷载与H型钢面积不变时，PEC柱轴向变形随纵筋配筋率的增加而减小，耐火极限随纵筋配筋率的增加而增加。这是由于纵筋温度低于型钢翼缘和外围混凝土，将对型钢和外围混凝土的膨胀变形产生约束，因此纵筋配筋率增加将减小柱轴向变形。同时增大配筋率将增加PEC柱轴压承载力，在荷载不变的情况下相当于降低了荷载比，因此耐火极限有一定提高，但由于纵筋面积变化相对较小，对耐火极限的影响不大。当保持荷载比与H型钢面积不变时，轴向变形和耐火极限均随纵筋配筋率的增大而减小。这是因为增大纵筋配筋率将增加柱轴压承载力，在荷载比不变的情况下，柱端轴压荷载更大，考虑弯曲初始缺陷的情况下，柱中二阶弯矩更大。同时，纵筋距柱截面中心较近，对柱抗弯刚度及抗弯承载力贡献较小。因此在火灾作用下，随着温度升高和型钢翼缘性能劣化，PEC柱承载性能降低更快，耐火极限也相应降低。类似结论在型钢混凝土柱抗火性能研究[19-28]中也有报道。

图14 纵筋配筋率对PEC柱抗火性能的影响Fig.14 Influence of Longitudinal Reinforcement Ratio on Fire Resistance of PEC Columns

图15为翼缘面积比对PEC柱抗火性能的影响。可以看出，耐火极限随翼缘面积比的减小而增大。这是因为PEC柱翼缘外露，翼缘面积越大，型钢升温越快。为提高PEC构件的耐火极限，可在保证含钢率不变的情况下，适当减小翼缘厚度，降低翼缘面积比。

图15 翼缘面积比对 PEC 柱抗火性能的影响Fig.15 Influence of Flange Area Ratio on Fire Resistance of PEC Columns

图16为截面尺寸对PEC柱抗火性能的影响。可以看出，耐火极限随截面尺寸的增大而增大。这是因为截面尺寸越大，截面内部钢材和混凝土升温越缓慢，试件劣化所需热量就越多，试件耐火性能越好，耐火极限越大。

图16 截面尺寸对 PEC 柱抗火性能的影响Fig.16 Influence of Cross-section Dimensions on Fire Resistance of PEC Columns

图17为长细比对PEC柱抗火性能的影响。可以看出，耐火极限随长细比的增大而减小。这是由于构件的长细比越大，构件在火灾中的“二阶”效应影响就越明显，火灾下的构件承载力就越小，耐火极限越低。

图17 长细比对PEC柱抗火性能的影响Fig.17 Influence of Slenderness Ratio on Fire Resistance of PEC Columns

图18为翼缘防火涂料厚度对PEC柱抗火性能的影响，荷载比调整为0.5。可以看出：使用防火涂料显著提高了柱的耐火极限，且试件耐火极限随防火涂料厚度增加而显著增大；仅在翼缘涂刷防火涂料即可满足一级耐火极限要求。

图18 防火涂料厚度对PEC柱抗火性能的影响Fig.18 Influence of Fireproof Coating Thickness on Fire Resistance of PEC Columns

5 耐火极限简化计算

前述的参数分析表明：截面尺寸、荷载比、长细比和防火涂料厚度是PEC柱耐火极限的主要影响因素，而翼缘面积比、纵筋配筋率对PEC柱耐火极限的影响相对较小，此处为简化计算不做考虑。因此根据工程常用参数范围，截面周长C=624～1 600 mm，荷载比μ=0.2～0.7，长细比λ=30～78.3，防火涂料厚度t=0～18 mm，可以回归出四面受火PEC柱耐火极限简化计算公式为

(1)

式中：Tcr为耐火极限。

图19为PEC柱耐火极限简化公式计算结果与数值模拟结果的对比，公式计算结果与数值模拟结果比值的平均值为1.252 6，并计算出相关系数为0.995 87，吻合较好。

图19 Tcr计算值与模拟值对比Fig.19 Comparison of Tcr Calculated Value and Simulated Values

6 结语

(1)建立了轴压荷载下PEC柱的温度场和耐火极限数值分析模型，通过已有试验结果，验证了分析模型的准确性。

(2)PEC柱在高温导致的热膨胀变形和材料劣化导致的压缩变形共同作用下发生先伸长后压缩的轴向变形，并最终因为轴向变形和变形速率达到临界状态而发生破坏。

(3)由于翼缘直接受火，PEC柱很难满足耐火极限要求，但混凝土能够保护型钢腹板及翼缘内表面，延缓腹板升温速率，显著降低PEC柱防火保护成本。

(4)荷载比、长细比与防火涂料厚度对PEC柱耐火极限影响最为显著，其中防火涂料能够显著降低型钢升温速率，提高PEC柱耐火极限，仅对PEC柱翼缘涂刷防火涂料即可满足一级耐火极限要求。

(5)荷载比和含钢率保持不变时，降低翼缘面积比同样可以提高PEC柱耐火极限，抗火设计时可综合运用不同防火措施降低防火涂料用量，节约造价。

(6)在参数分析基础之上，考虑防火涂料厚度影响，回归出四面受火PEC柱耐火极限公式，可供实际工程参考。