全过程火灾下矩形截面钢管混凝土叠合柱温度场数值研究

陈博文，王高雄，包延红

(青海大学土木工程学院,青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016)

随着现代建筑科技的不断进步，建筑结构不断向高层、大跨方向发展，各种新兴的建筑材料和构件广泛运用于工程建设。钢与混凝土的组合结构由于结合了两种材料的优点而备受工程界青睐。钢管混凝土叠合柱是一种以钢管混凝土为核心，在钢管周围绑扎钢筋并叠浇混凝土而成的组合构件[1]，具有良好的抗震性能和耐火性能，是一类具有广阔应用前景的新型组合结构构件。由于高温条件下混凝土和钢材的材料性能会发生退化，建筑火灾会导致建筑结构产生不同程度的损坏，造成社会经济损失，也极大威胁着人们的生命财产安全。在逐步推广应用钢管混凝土叠合柱结构的同时，其在火灾升温、降温的全过程中所表现出的力学性能受到广泛重视，逐渐成为相关学者研究的重点课题。

目前，已有部分学者对钢管混凝土叠合柱结构的耐火性能开展了研究，刘东坡[2]采用有限元法进行火灾下钢管混凝土叠合柱轴压性能的研究得出，在受火作用下，混凝土强度和截面尺寸对叠合柱极限承载力的影响较显著；项凯等[3]研究结果表明，火灾荷载比、截面边长和长细比是影响轴心受压方形截面钢管混凝土叠合柱耐火性能的主要因素；徐蕾等[4]研究钢管混凝土叠合柱试件的耐火极限试验时发现，火灾下叠合柱的破坏主要是由于外部混凝土的强度损失所引起的内力重分配，使得剩余截面不足以承担外荷载所致；侯舒兰等[5]进行了火灾升温、降温共同作用下钢管混凝土叠合柱的数值研究，结果表明环境温度下降时，叠合柱截面存在明显的温度滞后现象，截面内部各点的最高温度往往出现在火灾降温段，且此阶段内试件发生了整体失稳破坏；项凯等[6]采用数值方法研究火灾下外部混凝土的爆裂对钢管混凝土叠合柱耐火极限的影响时发现，叠合柱的耐火极限随混凝土爆裂面积比、爆裂深度等的增大而降低；巩玉发等[7]对钢管混凝土叠合柱受火升温状态下的温度场进行了数值研究，结果表明升温阶段中受火面的不同使叠合柱内温度梯度有所差异。综上所述，现有的相关研究主要是通过将耐火试验和数值模拟相结合的方法对叠合柱的耐火极限进行评估，且主要侧重于火灾升温段的耐火性能，对于其在经历火灾全过程后的各类性能研究相对较少；在截面形式上，采用传统的圆套圆形、方套圆形叠合柱构件居多，对于矩形截面的钢管混凝土叠合柱各类性能的研究甚少。

为了深入研究矩形截面钢管混凝土叠合柱在火灾升温、降温全过程下的热学性能，本文采用有限元法建立其在标准升温、降温曲线[8]作用下的温度场模型，分析标准火灾升温、降温作用过程中矩形截面钢管混凝土叠合柱的温度场分布及火灾后所经历的历史最高温度分布情况，以期为此类构件的抗火分析提供参考。

1 温度场有限元模型

1.1 钢材和混凝土的热工参数

在火灾作用下，钢材和混凝土的导热系数、比热等热工参数通常不是常数，而是与温度相关的函数。Lie[9]通过研究给出了高温下钢材的热工模型和混凝土的热工模型， Kodur 等[10]给出了高温下混凝土的热工模型。基于前人的计算和模拟情况，本文采用加拿大学者Lie[9]提出的热工模型来计算材料的热工参数。鉴于混凝土内的水分蒸发在一定程度上对构件截面温度场的分布产生影响，该热工模型假定混凝土中所含水分的质量百分比为5%，且所含的水分在100 ℃时完全蒸发，并对混凝土的比热和容重进行了相应的修正[11]。

1.2 温度场有限元模型的建立

建立温度场有限元模型时，使用八节点三维实体单元(DC3D8)建立钢管和混凝土部件，而纵向钢筋和箍筋采用二节点杆单元(DC1D2)建立。假设钢材与混凝土之间完全传热，忽略接触热阻，热量在构件表面通过热对流和热辐射的方式进行传递，在内部通过热传导的方式传递。参考韩林海[12]中的取值，选取受火区域的综合辐射系数ε为0.5，热对流系数α=25 W/(m2·℃)。按照国际标准升温、降温曲线[8]进行高温作用。

2 温度场有限元模型的验证

为圆形钢管混凝土叠合柱边长，Ds为钢管外径，ts为钢管厚度。

为了对上述温度场模型的正确性进行验证，收集了相关的温度场试验数据。采用徐蕾等[13]完成的4个钢管混凝土叠合柱试件的温度场试验数据进行数值模拟，试验中火灾曲线按照国际标准曲线[8]中的升温段进行升温。试件的基本参数见表1，所有试件的受火高度H均为3 000 mm，其中SZ1-1、SZ1-2为方形截面试件;CZ2-1、CZ2-2为圆形截面试件。本试验对各试件不同测点的温度场进行模拟，并与试验测得的数据进行对比，对比结果如图1，其中虚线表示试验的实测值，实线表示有限元计算值。由图1可知，有限元计算结果和试验结果总体上吻合程度较高。

表1 试件基本参数Tab.1 Basic parameters of samples

3 火灾全过程下矩形截面钢管混凝土叠合柱温度场分析

3.1 试件设计

3.2 火灾升温阶段试件温度场分析

图2所示为矩形截面钢管混凝土叠合柱在国际标准升温作用[8]下不同时刻截面的温度场分布情况，其中NT11为节点温度，总升温时间为180 min。由图2可见，矩形截面钢管混凝土叠合柱在均匀受火的情况下，其截面温度场表现出双轴对称的分布方式，温度均呈现出内低外高的变化趋势。随受火时间的增加，柱的热量不断累积，其最大温差从60 min时的906 ℃增加到180 min时的1 074 ℃，高温区的面积不断增大，低温区面积不断减小，这说明热量从高温区向低温区持续传导。

图2 升温阶段不同时刻下矩形截面钢管混凝土叠合柱温度场分布Fig.2 Temperature field distribution of ST-RC columns at different times in heating stage

图3、图4分别给出了在火灾升温过程中，矩形截面钢管混凝土叠合柱截面上各特征点的布置情况和各特征点的温度—时间关系曲线。在火灾发生初期，表面混凝土(测点1和测点2)的温度迅速升高，在16 min 之前达到了混凝土的劣化温度Tc(500 ℃)，而此时内部各测点的温度仍均保持在20 ℃左右。随着升温时间的增加，热量从混凝土表面向内部传递，到升温结束时刻，外围混凝土的保护作用使内部钢管与核心混凝土均未达到其材料的劣化温度。此外，短轴上3、5、7测点的温度分别高于长轴上同比例位置4、6、8测点的温度，这是由于长轴、短轴方向外部钢筋混凝土厚度的不同使得沿两个方向传进内部的热量有所不同，火灾沿长轴方向作用时对构件内部的温度影响更小。

3.3 火灾降温阶段试件截面温度场分析

图5所示为矩形截面钢管混凝土叠合柱在火灾降温过程中不同时刻截面上的温度场分布云图，其中NT11为节点温度。在180 min时试件达到升温阶段的最高温度，降温阶段开始后，热量逐渐从材料的高温区向周围空气及材料低温区转移。300 min时截面最高温度出现在外围混凝土表面的4个角部位置，其温度约为749 ℃。随着降温时间的推进，混凝土最高温度区不断向内部迁移，在440 min时，混凝土最高温度出现在距外围混凝土表面深度约92.5 mm处的4个角部位置。通过分析可以看出，混凝土的温度变化存在滞后现象，与外围混凝土表面之间距离越大的区域，升温滞后时间也越长。在降温的最终时刻(1 800 min),外围混凝土的外表面温度已降至接近室温(25 ℃)；核心区域混凝土由于存在降温滞后现象，其最终温度只降到118 ℃。此时刻截面温度场分布为内高外低形式，这与升温结束时刻(180 min)的温度场分布方式相反。

图5 降温阶段不同时刻下矩形截面钢管混凝土叠合柱温度场分布Fig.5 Temperature field distribution of ST-RC columns at different times in cooling phase

3.4 火灾全过程中截面各测点的温度场分析

图6所示为矩形截面钢管混凝土叠合柱在经历火灾升温、降温全过程中截面上各测点的温度变化情况，其中B′时刻为空气温度达到升温阶段最高时刻(180 min)，C′时刻为空气温度降至室温时刻(440 min)。由图6a可知，每个测点的温度变化均表现出不同程度的滞后现象，外围混凝土外表面(测点1和测点2)区域在180 min左右最先开始降温，在1 800 min时温度降至室温，而B′时刻其他测点的温度仍处于上升阶段。由图6b可知，核心区域混凝土(测点9)在760 min左右时达到其经历的最高温度，约244 ℃，与混凝土外表面开始降温的B′时刻(测点9温度为27 ℃)相比，此时刻核心混凝土的温度提升了近8倍；随即进入降温阶段，在降温阶段最终时刻该区域温度仍有118 ℃。另外，长轴方向上各测点的升降温临界时刻相较于短轴方向上同比例位置各测点出现得更晚，外围混凝土表面区域和核心混凝土区域的混凝土升温、降温临界时间相差约580 min，这说明随受火表面距离的增大，会使降温时刻愈发滞后，内部材料容易在降温阶段发生劣化。

图6 火灾全过程下试件截面各测点温度—时间关系曲线Fig.6 Temperature—time relation curve of each measuring point of sample section in the whole process of fire

3.5 火灾后的温度场分析

图7所示为矩形截面钢管混凝土叠合柱在升温结束时刻(180 min)的温度与其经历的历史最高温度(火灾后)的对比，其中黑色虚线表示混凝土劣化温度(500 ℃)等温线的位置。由图7a可知，在180 min 时外围混凝土表面已经达到了其历史最高温度1 101 ℃，截面的温度梯度较大，最大温差为1 074 ℃；进入降温阶段后，截面内的温度仍然在升高，试件内部热量的持续传递增大了混凝土的过火面积。由图7b可知，在历史最高温度状态下，距受火面距离越远的区域经历的历史最高温度越小，截面的最大温差为857 ℃，截面内温度梯度较升温结束时刻逐渐减小，且总体温度有所提高。历史最高温度状态下500 ℃的等温线与截面长、短边方向受火面的垂直距离分别为61.7 mm、55.3 mm，与升温结束时刻的49.36 mm、48.75 mm相比，分别提高了25%、13.4%；500 ℃以上的区域面积较升温结束时刻增大了16.6%，说明此时发生混凝土材料劣化的面积更广泛，若用历史最高温状态的温度场进行火灾全过程中叠合柱结构相关力学性能的计算会更加安全。

图7 升温结束时刻与历史最高温度的温度场分布对比Fig.7 Comparison of temperature field distribution between heating end time and maximum temperature in history

4 结论

本文研究了矩形截面钢管混凝土叠合柱在标准火灾升降温全过程下的温度场分布情况。基于本文所进行的研究，可以初步总结得到以下结论：

(1)采用数值方法建立矩形截面钢管混凝土叠合柱温度场的有限元分析模型，计算结果与试验结果吻合较好，该模型能够准确分析矩形截面钢管混凝土叠合柱在标准火灾全过程下的热学行为。

(2)矩形截面钢管混凝土叠合柱在标准火灾升温阶段呈现出双轴对称的温度场分布，但长轴与短轴上外围混凝土厚度的不同使其内部温度场分布有所差异，外围混凝土厚度较大的方向上内部测点的温度相对较低。

(3)在火灾作用的全过程中，混凝土的温度变化存在滞后现象，距试件受火表面距离越大的区域升温、降温的临界时刻出现得更晚。

(4)在降温的最终时刻，外围混凝土表面已降至室温，而核心混凝土温度仍然较高，此时截面温度场分布为内高外低形式，与升温结束时刻的温度场分布方式相反。

(5)与升温结束时刻相比，火灾后(历史最高温度)的温度场中混凝土材料达到劣化温度的区域更加广泛，若用历史最高温状态的温度场进行火灾全过程中叠合柱结构相关力学性能的计算会更加安全。