装配式方钢管混凝土框架抗火性能有限元分析

2022-06-24 14:50曹仕君

四川建材 2022年6期

曹仕君

(苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州 215011)

0 前言

随着装配式建筑不断发展，装配式钢管混凝土框架得到了广泛的应用，这极大地提高了施工效率，但由于钢结构材料在火灾下极易发生破坏，因此，各国专家学者开始广泛关注装配式钢管混凝土框架结构在荷载和火灾的共同作用下的抗火性能和力学性能[1-8]，火灾作用实质上指的是在当建筑构件或结构受到应力和高温共同作用，使得结构或者构件处在荷载和火灾的共同作用下的复杂环境内，通常称这种复杂环境为热-力耦合。

本文对装配式方钢管混凝土框架进行火灾有限元模拟，建立了装配式方钢管混凝土框架的计算有限元模型，并对其进行温度场及热力耦合场分析。

1 有限元模型建立

利用Abaqus有限元分析软件建立在火灾温度场作用下的框架模型。其主要的步骤大致分为：创建Part、创建Materia、创建截面属性、装配Part、设置Step、定义Load、定义Boundary condition、Mesh、创建Job、提交作业并进行后处理。温度场分析模型中，框架梁和两侧柱受火，初始温度取20℃。

1.1 温度场模型

1)分析步的建立：在“Step-1”中设置Time period为9 000 s，设置最大增量为100 000，在增量模式中，初始值为1，最小值为9×10-6，最大值为9 000。将Max.allowable temperature change per increment设置100，Max.allowable emissivity change per increment 设置0.1。

2)相互作用(interaction)：第一步：对于型钢和钢管混凝土设置薄膜系数(Film coefficient)为0.025。输入室温(Sink temperature)为20℃。第二步：辐射类型(Radiation type)选择至环境温度。设置辐射率(Emissivity)为0.5。第三步：对于混凝土板设置薄膜系数(Film coefficient)为0.009，输入室温20℃。

3)单元划分(Mesh)：两侧柱、混凝土板与型钢梁均8节点线性传热实体单元—DC3D8进行网格划分，网格密度分别为80、50、50 mm。柱顶端板和梁柱节点处端板网格单元划分密度以及单元类型和混凝土板相同。对于刷有防火涂料的型钢梁及两侧柱建模时：防火涂料网格单元划分密度为80 mm，单元类型为8节点的线性实体-C3D8R，以减小热传递作用。混凝土板配筋网格单元划分密度为25 mm，单元类型为2节点线性传热实体-DC1D2。整体框架网格划分如图1所示。

图1 框架有限元模型网格划分

1.2 热力耦合模型

目前建立热力耦合场模型主要采用两种方法：顺序耦合热应力分析、完全耦合热应力分析。本文选用顺序耦合先进行温度场分析，再将温度场作为预定义场的形式导入力场模型分析，以此实现对装配式方钢管混凝土框架在火灾下的力学性能及破坏机制。

1)分析步建立。在热-力耦合场下对装配式方钢管混凝土框架进行分析时，使用几何非线性计算，将整个分析过程分为两个静力分析步进行：“Step-1”给模型施加初始力场，其参数根据温度场下的分析结果设置，“Step-2”给模型施加温度场。

2)边界条件定义。在热-力耦合场下对模型进行分析中，框架底部设置为完全固结，约束水平位移和转角(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，同时约束了框架平面外变形(U2=UR1=UR3=0)，柱顶及梁跨中位置设置集中荷载。混凝土和钢筋之间的内力传递通过两者的内置约束(Embedded region)实现。在“Step-2”中为模型施加温度预定义场时，在“Predefined Field-2”中将预先计算完成的模型温度场通过导入数据库文件的方式实现。

2 温度场有限元模拟分析

对装配式方钢混凝土框架有限元模型进行温度场分析，得出装配式方钢管混凝土的温度分布规律。

1)梁受火区温度沿梁长度方向分布均匀，在H型钢梁和混凝土板受火区交界处存在温度过渡区，过渡区温度由H型钢梁向混凝土板由高到低分布，说明温度在由H型钢梁向混凝土内部传递时存在明显的削减。

2)方形钢管混凝土柱截面温度呈双轴对称分布规律，且由外缘向中心点温度递减，相较于柱边缘，柱截面角点位置处温度更高。图2为构件柱截面温度云图。

(a)梁跨中截面温度云图(50 min)

(b)柱中截面温度云图(50 min)

3 热力耦合场有限元模拟分析

本节选取两端柱顶竖向位移，梁跨中及梁距左右边跨1/4处的挠度作为研究对象，在热力耦合场下对其进行数值模拟，由图3可见，由于破坏均出现在装配式方钢管混凝土框架的H型钢梁跨中，装配式方钢管混凝土框架耐火极限参照梁跨中时间-挠度曲线出现明显陡增的时间点，由图3(a)和(b)可见装配式方钢管混凝土框架模拟的耐火极限53 min。图4为热力耦-全场框架模型变形云图。