三面受火约束T形截面SRC异形柱耐火性能研究

徐浩然,毛小勇（苏州科技学院 土木工程学院,江苏 苏州 215011）

三面受火约束T形截面SRC异形柱耐火性能研究

徐浩然,毛小勇
（苏州科技学院 土木工程学院,江苏 苏州 215011）

摘 要：为考察约束条件下T形截面SRC异形柱的耐火性能，采用ABAQUS有限元软件建立了其模型从而模拟在火灾作用下约束T形截面型钢混凝土异形柱的耐火性能。采用已有的试验数据验证了已建立的有限元模型的可靠性。应用验证后的模型分析了约束T形截面型钢混凝土异形柱在火灾作用下的轴力和轴向变形特征，并且进一步分析了轴向约束刚度、转动约束刚度、荷载比、偏心率等参数对其耐火极限的影响规律。结果表明，火灾荷载比是影响约束SRC异形柱耐火极限的主要因素，随着火灾荷载比的增加耐火极限显著降低；随着轴向约束刚度和偏心率的增加，T形截面SRC异形柱耐火极限略有下降；随着转动约束刚度的增加T形截面SRC异形柱耐火极限略有提高。

关键词：三面受火；SRC异形柱；约束；耐火极限；标准升温

0 引言

型钢混凝土（SRC）异形柱是在钢筋混凝土异形柱内配置型钢而形成的新型组合柱。SRC异形柱可以应用到多高层建筑中, 具有良好的应用前景。

针对SRC异形柱在常温下的承载力、抗震性能等国内外已经有了不少研究成果[1]，然而SRC异形柱抗火性能方面的研究还处于起步阶段，对此类构件的耐火能力缺乏必要的认识。由于SRC异形柱截面开展，厚度较小，火灾下柱肢和内部型钢升温较快，伴随着高温下钢材、混凝土材料性能劣化，构件承载力下降迅速，极易受到损伤。尤其是轴向约束条件下，混凝土更加容易产生爆裂和剥落，进一步加剧了内部型钢的升温速度，减小了柱的耐火极限。因此，对约束SRC异形柱的研究亟待展开，从而能进一步认识其在抗火性能减少火灾所造成的损失。

目前，国内外对SRC柱的抗火性能已有所研究。宋天诣等应用有限元软件ABAQUS建立了计算SRC柱在ISO-834标准升温条件下的非线性有限元模型，并且通过已有试验结果验证了模型的合理性[2]。经建生、郑永乾、韩林海通过对SRC构件截面温度分布和耐火极限方面的研究得出，火灾下SRC柱承载能力受构件截面周长和长细比影响较为明显，而其中截面尺寸是影响火灾下SRC柱承载能力的主要因素[3]。Mao对7根不同受火方式下的SRC柱进行耐火极限试验研究得出，三面受火较四面受火SRC柱升温慢，荷载比和偏心率对柱耐火极限影响显著[4]。

由于截面不同，SRC异形柱的抗火性能与SRC柱存在显著差异，同时由于位置、维护结构等不同，SRC异形柱可能处于不同的受火状态。考虑到T形截面异形柱一般作为边柱，因此本文以标准升温条件下三面受火约束T形截面SRC异形柱为研究对象。

1　有限元模型及验证

1.1 有限元模型

利用ABAQUS有限元软件进行建模按照软件中的顺序热力耦合进行分析。

模型为实腹式SRC 异形柱，含钢率为2%～15%，截面尺寸如图1。最小型钢保护层厚度为50 mm[5-6]，主筋与钢骨之间的距离取30 mm[7]，钢筋的保护层厚度取20mm[8]。

进行温度场分析时，SRC柱受火面对流换热系数取25 W/ m2•K，综合辐射系数取0.5。[9]材料的热工参数随温度的变化规律采用TT Lie给出的相关公式确定。混凝土、型钢采用DC3D8 单元；钢筋采用DC1D2单元；钢筋、型钢和混凝土之间采取绑定约束（TIE）。混凝土和型钢横截面网格尺寸控制在30 mm 左右，纵向网格尺寸为50mm左右。升温曲线采用ISO-834 标准升温曲线。

进行力学分析时，保持温度场分析的网格划分和节点编号不变，改变单元类型。混凝土、型钢及端板采用8 节点实体单元（C3D8R）；钢筋采用2 节点桁架单元（T3D2）。端板和混凝土以及型钢和混凝土之间采取绑定约束（TIE），钢筋与混凝土的相互作用形式为嵌入(EMBEDDED REGION)。

边界条件的设定：力学分析时，柱下端为饺接，约束柱X、Y、Z方向的位移，并且把绕Z轴的转动位移约束，不考虑柱子的扭转；柱顶约束X、Y方向位移且把绕Z轴的转动位移约束。

柱端部的轴向约束和转动约束采用SPRING2弹簧单元施加，弹簧的刚度根据柱子的截面形式和柱高计算得到。在柱顶施加轴向约束弹簧和转动约束弹簧，在柱底施加转动约束弹簧。如图2[10-11]。图3为T形截面型钢混凝土异形柱单元网格划分图，在温度场和力学分析时网格划分情况保持一致。

在轴心受压状态下施加荷载时，按柱受火高度的千分之一作为初始偏心距考虑了柱的初始弯曲影响。

1.2 模型验证

为了验证材料性能参数及分析模型的正确性，本文选用高温下T形截面钢筋混凝土异形柱的抗火试验数据进行对比分析。

文献[12]对轴压T 形截面钢筋混凝土异形柱进行了抗火试验。钢筋混凝土柱截面尺寸、温度测点布置如图4所示。

采用 ISO834 标准升温曲线。炉膛内实测升温过程与ISO834标准升温曲线的对比情况如图5。

图6给出了各温度测点计算值与试验值的对比曲线。靠近柱外侧的测点试验值和模拟值有较大偏差，这是因为软件在模拟的过程中没有考虑水分的蒸发以及混凝土剥落的影响。

图7是各测点轴向位移的试验值与模拟值对比曲线。模拟值和试验值的整体趋势一致，但是由于材料热工参数与实际的差异，边界条件的不同以及水蒸气的影响等导致了位移值存在一定差异。总体上有限元模拟结果与试验值符合较好。

2　约束SRC异形柱轴力及变形特征

图8为不同轴向约束刚度比下柱轴向变形随受火时间的变化情况。由图可知，约束柱的轴向变形受轴向约束刚度的影响较大，轴向约束刚度越小轴向变形越大。这是因为轴向约束刚度越小，对柱的轴向变形约束能力越弱，在火灾荷载的作用下轴向变形越大。

图9给出了轴向约束SRC异形柱轴力随时间的变化曲线。由图可知，柱中轴力随时间的变化呈先增大后减小的整体趋势，并且在相同时刻轴向约束刚度越大柱中的轴力越大。这是由于轴向约束的存在，柱在高温下受热膨胀加大了柱的轴力，随着温度的继续升高，柱材料劣化导致柱缩短，从而轴力下降；轴向约束刚度越大，柱在受热膨胀阶段柱的轴向约束越大轴力越大，同样在材料性能劣化阶段，柱轴向约束下降的也越快，所以柱中轴力回到初始值的时间几乎一致。

3　 约束T形截面型钢混凝土异形柱耐火极限参数分析

3.1 参数范围与选取

为分析火灾下约束SRC异形柱耐火极限的变化规律，定义轴力变化系数为P（t）/P（0），其中，P（t）为升温过程中SRC柱中轴力，P（0）为柱初始轴力，定义约束SRC异形柱达到耐火极限为其轴力回复至初始轴力的时刻[13]。

考虑的主要因素包括：火灾荷载比μ（μ=P0 /Pu，P0为常温下柱的轴力，Pu为常温下柱的极限承载力）；轴向约束刚度比αs（αs=kl/ klc，kl为轴向约束刚度，klc为柱常温轴向刚度）；长细比λ（λ=l/i，l 为柱长，i 为换算截面法得出的回转半径）；偏心率e（e=2e0/b，e0为初始偏心距，b为偏心方向相应边长）。

采用3 种偏心距，即e分别取0.3、0.5、0.7；3 种火灾荷载比，即μ分别取0.3、0.5、0.7；4 种轴向约束刚度比，即αs分别取0.05、0.1、0.15、0.2； 3种转动约束刚度比，即βr分别取1、5、10。

3.2 偏心率的影响

图10为约束T形截面SRC异形柱耐火极限（tR表示耐火极限）随不同偏心率的变化。由图中可知，耐火极限受偏心率的影响不大，随着偏心率的增大柱耐火极限略有降低。这是因为随着偏心率增大柱的常温下几下承载力降低，在相同的荷载比下施加在柱端的轴力小；同时偏心率的加大增大了P-δ效应，降低了构件的耐火性能。

3.3 火灾荷载比影响

图11为约束T形截面SRC异形柱耐火极限随火灾荷载比的变化情况。由图可知，火灾荷载比时影响约束T形截面SRC异形柱的主要因素。在其他条件相同的情况下，构件的耐火极限随着火灾荷载比的增加线性降低。这是因为荷载比越大，构件内部材料的应力越大，在火灾作用下，随着温度的上升材料性能劣化，用于抵抗高温下的附加应力的储备越小，从而降低了构件的耐火性能。

3.4 轴向约束刚度比影响

图12是不同轴向约束刚度比下，约束T形截面SRC异形柱耐火极限随轴向约束刚度比的变化情况。由图可知，轴向约束刚度比从对柱的耐火极限影响不大。这是由于轴向约束的大小只影响柱中轴力的大小和变化快慢，柱中轴力回到初始值的时间是相同的所以对柱的耐火极限影响不大。

3.5 转动约束刚度比影响

图13是不同转动约束刚度比下，约束T形截面SRC异形柱耐火极限随转动约束刚度比的变化情况。从图可以看出，转动约束刚度比对耐火极限有微小提高。这是由于转动约束的存在对于构件的轴力变化几乎没有贡献。

4　 结论

通过建立标准升温下三面受火约束T形截面SRC异形柱的有限元分析模型分析了偏心率、火灾荷载比、轴向约束刚度比、转动约束刚度比对约束T形截面SRC异形柱耐火极限的影响规律。基于文中分析可得到如下结论：

（1）偏心率对约束T形截面SRC异形柱耐火极限影响不大。

（2）随着火灾荷载比的增大约束T形截面SRC异形柱的耐火极限快速降低的趋势；

（3）随着轴向约束刚度比的增加，约束T形截面SRC异形柱的耐火极限略有降低；随着转动约束刚度比的增加略有上升。

参考文献:

[1]毛志伟，郑廷银.型钢混凝土异形柱的研究现状与展望[J].钢结构工程研究，2008（增刊）:11-12.

[2]宋天诣.型钢混凝土柱耐火极限研究[C].第六届全国土木工程研究生学术论坛,2008.

[3]经建生,郑永乾,韩林海.型钢混凝土（SRC）构件抗火设计的关键问题.第六届全国现代结构工程学术研讨会[Z].2006(02):1532-1540.

[5]陈宗平,赵鸿铁,薛建阳等.型钢混凝土异形柱截面配钢分析[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(08):181-184.

[6]陈宗平，赵鸿铁，薛建阳等.型钢混凝土异形的混凝土保护层厚度[J].哈尔滨工业大学学报,2005,37(08):128-131.

[7]聂建国，刘明，叶列平. 钢-混凝土组合结构[M].北京：中国建筑工业出版社,2005.

[8]中国建筑科学研究院.GB50010-2002 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2002.

[9]李国强，韩林海，楼国彪等.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M].北京:中国建筑工业出版社，2006.

[10]Hibbit, Karlsson and Sorensen, Inc. ABAQUS standard user’ manual[M].USA，2008.

[11]石亦平周玉蓉.ABAQUS 有限元分析实例详解[M]北京：机械工业出版社,2006.

[12]吴波,徐玉野.高温下钢筋混凝土异形柱的试验研究[J].建筑结构学报，2007,28(05):24-31.

[13]吴波,乔长江.约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析[J].土木建筑与环境工程，2010,32(02):53-59.

基金项目：江苏省六大高峰人才项目（2011-JZ-004），江苏省333工程中青年学术带头人项目（2011-Ⅲ-2217）。

作者简介：徐浩然（1990-），男，江苏泗洪人，硕士研究生，研究方向：结构抗火性能研究。

通信作者：毛小勇。