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摘要:為分析異形柱的耐火性能，以火災(zāi)下型鋼混凝土T形柱為研究對(duì)象，采用有限元軟件Abaqus建立其熱-力順序耦合模型，研究加載角、軸壓比和偏心距等參數(shù)對(duì)T形柱耐火性能的影響。結(jié)果表明:對(duì)于型鋼混凝土T形柱，在一定加載角度范圍內(nèi)，其耐火極限隨加載角的增大而增大;軸壓比和偏心距對(duì)T形柱的耐火性能影響也很大，隨著軸壓比和偏心距的增大，構(gòu)件的耐火極限減小。

關(guān)鍵詞:型鋼混凝土;異形柱;耐火性能;溫度場(chǎng);位移場(chǎng);有限元

0引言

型鋼混凝土異形柱具有承載能力強(qiáng)、延性好和傳力合理等優(yōu)勢(shì)，故在高層建筑中應(yīng)用廣泛。但在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，型鋼混凝土異形柱受火面積較大，致其更易發(fā)生損害甚至倒塌，對(duì)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生巨大威脅，所以有必要對(duì)其耐火性能進(jìn)行研究。毛小勇等［1-2］開(kāi)展十字形、T形截面型鋼混凝土異形柱耐火極限研究，認(rèn)為含鋼率和配筋率對(duì)構(gòu)件的耐火極限影響較小，其耐火極限隨含鋼率的增加而增大，隨配筋率的增加而減小。吳波等［3-5］進(jìn)行高溫下鋼筋混凝土異形柱的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明十字形柱、T形柱、L形柱的耐火性能依次降低。楊勇等［6］進(jìn)行鋼管混凝土十字形截面柱耐火性能試驗(yàn)研究，總結(jié)防火涂層厚度對(duì)該鋼管在火災(zāi)下軸向變形和耐火極限等性能的影響規(guī)律。吳耀鵬等［7］研究典型受火方式下型鋼混凝土異形柱耐火極限，認(rèn)為實(shí)腹式配鋼SＲC柱的耐火性能優(yōu)于空腹式。雖然這些成果為異形柱的耐火性能分析提供一定的理論基礎(chǔ)，但是我國(guó)異形柱的研究主要集中于抗震方面，其耐火性能研究仍較少，還需深入探討?；馂?zāi)試驗(yàn)耗資巨大，也具有一定的危險(xiǎn)性，因此采用有限元軟件Abaqus建立T形柱熱-力耦合模型進(jìn)行分析，通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性，從而進(jìn)一步探討構(gòu)件在四面受火時(shí)，加載角、軸壓比和偏心距對(duì)T形柱耐火性能的影響，為異形柱的抗火設(shè)計(jì)提供參考。

1模型建立

1．1模型的基本假定和參數(shù)確定

利用Abaqus建立T形柱的熱力順序耦合模型［8］，分析各變量對(duì)試件柱耐火性能的影響。模型假定:(1)鋼筋、型鋼與混凝土之間不發(fā)生滑移;(2)試件截面溫度場(chǎng)分布均勻［9］;(3)因鋼筋受火面積較小，故在溫度場(chǎng)分析中忽視鋼筋對(duì)構(gòu)件的影響;(4)試件柱四面受火;(5)忽視水分和徐變的影響。鋼材和混凝土的熱工參數(shù)參考?xì)W洲規(guī)范EC4和LIE等［10］提出的熱模型確定。T形柱受火時(shí)，熱量通過(guò)熱輻射和熱對(duì)流的形式由外界傳至構(gòu)件表面，再通過(guò)熱傳導(dǎo)由表面?zhèn)鬟f其內(nèi)部。取構(gòu)件初始溫度T0=20℃，受火面綜合傳熱系數(shù)α=25W/m2，綜合輻射系數(shù)ε=0．5［11］。型鋼與混凝土之間的約束方式設(shè)置為綁定，柱下端完全固定，混凝土與柱端擴(kuò)大頭采用綁定約束。混凝土與型鋼采用三維傳熱實(shí)體單元(DC3D8)模擬。在保持單元網(wǎng)格劃分不變的基礎(chǔ)上，將溫度場(chǎng)結(jié)果導(dǎo)入力學(xué)模型中，混凝土與型鋼采用三維實(shí)體單元(C3D8Ｒ)模擬，鋼筋采用2節(jié)點(diǎn)桁架單元(T3D2)模擬［12］，其網(wǎng)格劃分結(jié)果見(jiàn)圖1。鋼材和混凝土的力學(xué)參數(shù)參考時(shí)旭東等［13］給出的應(yīng)力-應(yīng)變模型確定。型鋼和鋼筋與混凝土之間采用相互嵌入的形式，混凝土與其端部采用綁定約束。柱下端完全固定，柱上端設(shè)置耦合點(diǎn)為加載點(diǎn)，按試驗(yàn)曲線(xiàn)施加載荷。T形柱整體模型見(jiàn)圖2。

1．2模型驗(yàn)證

參考李兵等［14］試驗(yàn)中軸壓T形柱TZ-2的相關(guān)參數(shù)，建立相關(guān)模型并進(jìn)行分析。T形柱試件截面為長(zhǎng)300mm、寬200mm、高100mm，計(jì)算長(zhǎng)度為600mm，軸壓比取0．6，鋼筋采用直徑為8mm的HPB300級(jí)鋼筋，型鋼骨架由4根縱向型鋼和多根水平腹桿組成，端部鋼板與型鋼材質(zhì)均為Q235B，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。試件柱兩端設(shè)置柱端擴(kuò)大頭，構(gòu)件四面受火，受火高度為600mm。柱配筋和溫度測(cè)點(diǎn)布置示意見(jiàn)圖3。測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)5和測(cè)點(diǎn)7升溫曲線(xiàn)的模擬值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖4，模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。誤差原因主要有:(1)試驗(yàn)儀器的不精確性;(2)材料的不均勻性;(3)數(shù)值分析的假定條件與試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際情況不完全一致;(4)試驗(yàn)環(huán)境具有不確定性;(5)試驗(yàn)不可避免的操作誤差。建立火災(zāi)下T形柱力學(xué)模型，設(shè)定柱四面受火，導(dǎo)入溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，得到其位移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。耐火極限的模擬值為345min，試驗(yàn)值為338min，二者相差僅7min;柱破壞時(shí)間基本吻合，模擬值比試驗(yàn)值略大。模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)大致相同，僅在上升位移處存在一點(diǎn)差異，說(shuō)明可以用熱兩力耦合模型研究柱的耐火極限。

2算例分析

2．1分析參數(shù)

采用上述熱力耦合元模型，分析在構(gòu)件四面受火時(shí)，加載角、軸壓比和偏心距對(duì)T形柱試件耐火性能的影響。具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

2．2加載角

當(dāng)載荷加載角為0和12°時(shí)，火災(zāi)下型鋼混凝土T形柱試件的位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。隨著受火時(shí)間的增長(zhǎng)，試件的材料性能逐漸退化，導(dǎo)致其承載能力逐漸降低，當(dāng)其承載力小于施加載荷時(shí)，曲線(xiàn)斜率陡然增大，達(dá)到試件耐火極限，發(fā)生脆性破壞。試件的位移變化均呈現(xiàn)3個(gè)階段:前期受火加熱階段，試件受熱膨脹，其跨中位移緩慢上升;受火中壓縮變形階段，試件承載能力逐漸降低，其跨中位移逐漸下降;受火后脆性破壞階段，試件達(dá)到脆性破壞，其跨中位移急速下降。取其他條件相同，當(dāng)加載角為0時(shí)，試件柱耐火極限為345min;當(dāng)加載角為12°時(shí)，試件柱耐火極限為394min，其耐火極限提高49min，上漲幅度達(dá)到14．04%。在一定角度范圍內(nèi)，隨著加載角的增大，試件的耐火極限提升，構(gòu)件的延性更能得到充分利用。

2．3軸壓比

取試件軸壓比為0．6和0．7，火災(zāi)下型鋼混凝土T形柱試件的位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖7。試件的軸向位移也經(jīng)歷3個(gè)階段。在受熱膨脹階段，試件軸壓比為0．7時(shí)上升位移為0．33mm，軸壓比為0．6時(shí)上升位移為0．51mm，二者相差0．18mm。在受熱前期，混凝土吸收熱量，使柱受熱膨脹而位移增大，因此軸壓比越大位移越小:試件軸壓比為0．6時(shí)，其耐火極限為345min;軸壓比為0．7時(shí)，其耐火極限僅為215min。在受火中，試件壓縮變形時(shí)間大大縮短，提前達(dá)到脆性破壞，其耐火極限時(shí)間降低130min。隨著軸壓比的增大，試件的耐火極限減小。試件軸壓比增大，其耐火性能降低37．68%;載荷加載角增大，試件耐火性能提高14．04%。相對(duì)于加載角，軸壓比對(duì)T形柱的耐火性能影響更大。

2．4偏心距

取試件偏心距為0和20mm，火災(zāi)下型鋼混凝土T形柱試件的位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。軸向位移曲線(xiàn)也呈現(xiàn)3個(gè)階段。當(dāng)試件偏心距為0時(shí)，耐火極限為345min，偏心距為20mm時(shí)，耐火極限為253min，其耐火極限降低26．67%。當(dāng)試件偏心距為20mm時(shí)，柱的下降位移斜率明顯大于軸心受力的情況，偏心距的增大使T形柱的耐火極限減小，提前達(dá)到脆性破壞。當(dāng)偏心距為20mm時(shí)，火災(zāi)下型鋼混凝土T形柱試件的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖9。傾斜方向與偏心方向一致時(shí)，偏心一側(cè)應(yīng)力較大，裂縫更多，破壞更為明顯，試件發(fā)生中部壓彎破壞。隨著偏心距的增大，柱的中和軸受壓區(qū)偏離其中心，因此混凝土受拉區(qū)面積增大，受壓區(qū)面積減小，導(dǎo)致混凝土承載能力降低，率先發(fā)生脆性破壞。

3結(jié)論

(1)利用Abaqus軟件建立熱-力順序耦合模型，可以較為準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)下型鋼混凝土T形柱的耐火極限，并對(duì)其耐火性能進(jìn)行擴(kuò)參數(shù)化分析，模擬結(jié)果具有一定的精確性，可節(jié)約試驗(yàn)成本，減小試驗(yàn)誤差，為異形柱的抗火設(shè)計(jì)提供參考。(2)數(shù)值分析結(jié)果表明，加載角對(duì)T形柱的耐火性能有一定影響。在一定角度范圍內(nèi)，適當(dāng)?shù)脑龃蠹虞d角，可以提高T形柱的耐火極限，從而提高對(duì)異形柱延性的利用。軸壓比對(duì)構(gòu)件的耐火性能影響較大，隨著軸壓比增大，其耐火極限減小。偏心距也是影響異形柱耐火性能的重要因素之一，當(dāng)偏心距增大時(shí)，異形柱的延性和耐火極限減小。(3)加載角、偏心距和軸壓比對(duì)型鋼混凝土T形柱耐火性能的影響依次增大，其破壞形式均為脆性破壞，跨中豎向位移變化呈現(xiàn)3個(gè)階段，即受火前期膨脹階段、受火中壓縮變形階段和受火后脆性破壞階段。

作者:曲爽 鞏賢港 單位:山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院