火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱軸壓性能分析

王微微，任卿舉，呂學(xué)濤，米振偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，阜新，123000)

火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱軸壓性能分析

王微微，任卿舉，呂學(xué)濤*，米振偉

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，阜新，123000)

利用ABAQUS軟件建立了火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱非線性有限元模型，在確定混凝土和鋼材的本構(gòu)基礎(chǔ)上，對其火災(zāi)下軸壓性能進(jìn)行了數(shù)值計算，并與已有相關(guān)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比驗證。分析了環(huán)境溫度、混凝土強度、鋼管屈服強度、截面尺寸、含鋼率等參數(shù)對火災(zāi)下軸壓性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：火災(zāi)下各試件核心混凝土縱向應(yīng)力發(fā)展規(guī)律較為相似，且應(yīng)力分布趨向均勻；環(huán)境溫度對試件軸壓剛度的影響大于極限承載力，材料強度對極限承載力的影響較大，增大鋼管含鋼率可一定程度提高試件軸壓剛度；提出了火災(zāi)下此類試件極限承載力和軸壓剛度的簡化計算公式，可為工程實際應(yīng)用提供參考。

火災(zāi)；圓鋼管約束鋼筋混凝土；短柱；軸壓性能

0 引言

鋼管約束混凝土柱[1,2]是在鋼管混凝土柱的基礎(chǔ)上，將鋼管在框架節(jié)點處斷開，形成的一種鋼管不直接承擔(dān)縱向荷載的新型組合構(gòu)件，實際工程中，在鋼管約束混凝土柱中配置鋼筋以抵御軸力、剪力和彎矩的組合作用，便形成了鋼管約束鋼筋混凝土柱(圖1)。鋼管約束鋼筋混凝土柱方便與鋼筋混凝土梁連接，節(jié)點構(gòu)造與普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)類似，可借鑒鋼筋混凝土梁柱節(jié)點的設(shè)計與施工方法。

圖1 鋼管約束鋼筋混凝土柱Fig.1 Circular tubed RC column

文獻(xiàn)[2-5]對鋼管約束混凝土柱力學(xué)性能做了試驗研究與分析，結(jié)果表明：試件的延性隨著鋼管徑厚比增大和混凝土強度的提高而降低，軸壓承載力則相反，鋼管屈服強度對試件延性影響不明顯，其軸壓承載力有一定提高。文獻(xiàn)[2,6]對鋼管約束混凝土柱的界面摩擦做了研究，結(jié)果表明：消除粘結(jié)摩擦可提高鋼管約束混凝土柱的軸壓承載力和延性，軸壓剛度有一定程度減??；而文獻(xiàn)[7]研究表明消除粘結(jié)摩擦對鋼管約束混凝土柱的軸壓承載力和延性無顯著影響。

文獻(xiàn)[8]對火災(zāi)下鋼管混凝土柱的力學(xué)性能做了試驗研究和分析，結(jié)果表明：火災(zāi)下鋼管混凝土柱的破壞模態(tài)總體上與常溫類似，建立了火災(zāi)下鋼管混凝土柱計算模型，對火災(zāi)下鋼管混凝土軸壓短柱受力性能進(jìn)行了全過程分析。文獻(xiàn)[9]對火災(zāi)后配筋圓鋼管混凝土軸壓短柱進(jìn)行了分析，結(jié)果表明火災(zāi)作用后配筋鋼管混凝土仍具有較大的強度和剛度。文獻(xiàn)[10]對標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下鋼管約束鋼筋混凝土柱的力學(xué)性能做了試驗研究和分析，并提出了標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下該類試件承載力的簡化計算公式。

目前對火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱軸壓性能的報道較少且均為標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)工況，而實際火災(zāi)中環(huán)境溫度可能會出現(xiàn)先按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升到某個溫度而后漸趨穩(wěn)定的工況，本文基于ABAQUS有限元軟件對此類火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱有限元模型進(jìn)行數(shù)值計算，分析其在不同參數(shù)下軸壓性能的變化規(guī)律，以期為工程實際提供參考。

1 有限元模型

熱分析模型：采用文獻(xiàn)[11]推薦的材料熱工模型，定義鋼管表面對流系數(shù)25 W/(m2·℃)，綜合輻射系數(shù)0.5，鋼筋與混凝土之間采用Tie定義，鋼管與混凝土接觸熱阻[12]取0.01 (m2·℃)/W，按照ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對試件進(jìn)行升溫，升溫至指定溫度后恒溫3 h[8,13]。

力學(xué)分析模型：在熱分析模型基礎(chǔ)上，建立試件高溫下力學(xué)分析模型，選取文獻(xiàn)[11]建議的高溫下

鋼材和混凝土力學(xué)本構(gòu)模型，鋼管與核心混凝土法向接觸定義為硬接觸(”hard” contact)，切向定義為庫倫摩擦模型，鋼筋與混凝土之間定義嵌入約束(Embedded region)，網(wǎng)格劃分與熱分析模型一致，位移控制加載且鋼管不直接承受縱向荷載。有限元分析模型網(wǎng)格劃分如圖2。

圖2 網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing

2 已有試驗驗證

對文獻(xiàn)[3,5,8]中圓鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱、恒高溫后圓鋼管混凝土軸壓短柱試驗進(jìn)行了有限元數(shù)值計算。表1給出了試件相關(guān)參數(shù)，計算極限承載力(Nck)與試驗極限承載力(Ncr)比值(Nck/Ncr)的平均值為1.04，方差為0.004。圖3給出了部分計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比，從圖3中可以看出計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

圖3 模型驗證Fig.3 Model validation

文獻(xiàn)試件編號試件尺寸D/t/L(mm)fc,test(MPa)fy(MPa)T(℃)Ncr(KN)Nck(KN)Nck/Ncr[3]C(OS)-1200/1.5/60048.1364.320318130070.95C(OS)-2240/1.5/72048.1364.320372137921.02[5]A-CTRC-3200/2/60059.426320340033770.99A-CTRC-4210/3/63042.425420278028471.02A-CTRC-5210/3/63059.434620407040541.00[8]C1-20133/4.5/39972.443320214521581.01C1-200133/4.5/39972.4433200180618351.02C1-400133/4.5/39972.4433400172317981.04C1-600133/4.5/39972.4433600156716291.04C1-700133/4.5/39972.4433700141215961.13C2-20133/4.5/39940.832420133614031.05C2-500133/4.5/39940.8324500101012041.19C2-800133/4.5/39940.83248008449201.09

注：Ncr、Nck分別為試驗值和模擬值。

3 軸壓性能分析

[3,5,10]，選取可能對火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱軸壓性能影響較明顯的因素：環(huán)境溫度T，截面直徑D，核心混凝土強度fcu，鋼管屈服強度fy，鋼管含鋼率α進(jìn)行分析?；緟?shù)為D=400 mm，fcu=50 MPa，fy=345 MPa，α=3%，鋼筋屈服強度fb=335 MPa，配筋率為ρ=4%，短柱長徑比均設(shè)置為3。分別對火災(zāi)下環(huán)境溫度為20 ℃(常溫)、200 ℃、400 ℃、600 ℃、800 ℃的試件進(jìn)行數(shù)值計算，分析各參數(shù)對其核心混凝土應(yīng)力場、承載力、軸壓剛度的影響規(guī)律。

3.1 核心混凝土應(yīng)力場分析

圖4 20 ℃柱中截面核心混凝土截面縱向應(yīng)力分布Fig.4 The core concrete’s tress distribution of 20 ℃

圖5 600 ℃柱中截面核心混凝土截面縱向應(yīng)力分布Fig.5 The core concrete’s tress distribution of 600 ℃

3.2 極限承載力

對影響火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱極限承載力較為明顯的因素參數(shù)分析，討論各參數(shù)對其極限承載力的影響規(guī)律，引入試件極限強度承載力影響系數(shù)kr[8]：

(1)

計算結(jié)果如圖6。由圖6可見，當(dāng)溫度低于400 ℃時，各試件極限承載力下降不太明顯，約為0.9Nu左右，溫度高于400 ℃之后，各試件極限承載力迅速減小，600 ℃時各試件極限承載力約為0.6Nu，800 ℃時各試件極限承載力僅為(0.2～0.3)Nu；說明溫度低于400 ℃時，溫度對試件極限承載力影響不明顯，高于400 ℃時，試件的極限承載力損失較顯著。對比高溫下鋼和混凝土的強度性能[14]，溫度低于400 ℃時，鋼材不考慮強度折減，混凝土的強度折減系數(shù)約為0.75左右；溫度高于400 ℃時，溫度對材料強度的折減較嚴(yán)重，600 ℃時鋼材和混凝土的折減系數(shù)約為0.45左右，800 ℃時分別為0.1左右；可以發(fā)現(xiàn)由于鋼管與核心混凝土的組合效應(yīng)，極限承載力的影響系數(shù)均大于材料各自的折減系數(shù)。

圖6 kr-T曲線Fig.6 The curves of kr-T

隨著截面直徑和含鋼率的增加，試件極限承載力分別呈現(xiàn)升高、降低的趨勢，隨著混凝土強度和鋼管屈服強度的增加，火災(zāi)下試件的極限承載力有減小的趨勢，但各參數(shù)對極限承載力的影響不超過5%；400 ℃時材料強度對應(yīng)的極限承載力影響系數(shù)，較之于截面直徑和鋼管含鋼率的極限承載力影響系數(shù)偏小；溫度高于600 ℃后各參數(shù)的對試件極限承載力基本無影響。

3.3 剛度

對影響火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱軸壓剛度的因素進(jìn)行數(shù)值計算，討論各參數(shù)下試件軸壓剛度的變化規(guī)律，引入火災(zāi)下試件軸壓剛度影響系數(shù)kc[8]：

kc=(Esc·Asc)T/(Esc·Asc)

(2)

式中：(Esc·Asc)T、(Esc·Asc)分別為火災(zāi)下和常溫試件軸壓剛度，Esc為試件組合軸壓彈性模量，取0.4倍強度承載力對應(yīng)的割線模量，Asc為試件截面積。

計算結(jié)果如圖7。由圖7可得，溫度低于200 ℃時，各試件的軸壓剛度急劇下降至常溫試件的50%左右，溫度高于200 ℃后，軸壓剛度繼續(xù)下降，但下降速率開始減緩，400 ℃時約為常溫軸壓剛度的30%，而600 ℃時為10%，800 ℃時軸壓剛度基本為零，說明溫度對試件軸壓剛度的削弱較明顯。對比高溫下鋼材和混凝土的彈性模量[14]，普通結(jié)構(gòu)鋼在溫度低于400 ℃時，彈性模量折減不顯著，600 ℃時彈性模量約為常溫的30%左右，而800 ℃時彈性模量基本可以忽略；而混凝土的彈性模量對溫度較敏感，200 ℃時彈性模量約為常溫的50%，400 ℃時僅為常溫的15%左右，而溫度高于400 ℃后彈性模量基本可以忽略。說明高溫下試件的軸壓剛度折減主要由核心混凝土導(dǎo)致。

圖7 kc-T曲線Fig.7 The curves of kc-T

混凝土強度和鋼管含鋼率對火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱軸壓剛度影響較為明顯，鋼管屈服強度和截面直徑對試件高溫下的軸壓剛度影響不太明顯。隨著混凝土強度的增加，軸壓剛度影響系數(shù)逐漸減小，說明溫度對混凝土強度較高試件的軸壓剛度折減較嚴(yán)重；試件軸壓剛度隨著鋼管含鋼率的增加而逐漸增大，說明鋼管含鋼率越大，可一定程度提高試件的軸壓剛度。

4 簡化計算

基于本文數(shù)值計算結(jié)果，將影響火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土軸壓短柱極限承載力和剛度的因素綜合考慮為約束效應(yīng)系數(shù)ξ和環(huán)境溫度T，在本文參數(shù)范圍：環(huán)境溫度T=20 ℃～800 ℃，截面直徑D=200 mm～1000 mm，混凝土強度fcu=C30～C60，鋼管屈服強度fy=Q235～Q420，鋼管含鋼率α=2%～4%，鋼筋屈服強度fb=335 MPa，配筋率為ρ=4%，回歸了火災(zāi)下該類試件極限承載力影響系數(shù)和軸壓剛度系數(shù)影響系數(shù)的簡化計算公式：

(3)

(4)

式中：ξ為約束效應(yīng)系數(shù)[8]，αT=(T-20)/1000。

圖8為火災(zāi)下極限承載力影響系數(shù)和軸壓剛度影響系數(shù)分別采用式(3)、式(4)的計算值與有限元計算值的對比，可見吻合較好。

圖8 簡化計算值與有限元計算值對比Fig.8 Comparison between simplified calculations and FE numerical results

5 結(jié)論

本文利用ABAQUS分析軟件對可能影響火災(zāi)下圓鋼管約束鋼筋混凝土短柱軸壓力學(xué)性能的因素進(jìn)行了數(shù)值計算與分析，在本文參數(shù)范圍內(nèi)，得出以下結(jié)論：

(1)試件核心混凝土縱向應(yīng)力分布：常溫極限承載力時，截面中心區(qū)域和外圍應(yīng)力值均較大且高于其圓柱體抗壓強度，二倍極限應(yīng)變時中心區(qū)域應(yīng)力值繼續(xù)增大而外圍應(yīng)力值則迅速減小，縱向應(yīng)變發(fā)展到0.02時截面應(yīng)力值均下降；火災(zāi)下試件截面縱向應(yīng)力值的發(fā)展規(guī)律與常溫基本相似，但應(yīng)力值較小且應(yīng)力分布趨向均勻。

(2)火災(zāi)下各試件的極限承載力發(fā)展規(guī)律以環(huán)境溫度400 ℃為界，低于400 ℃時極限承載力下降不明顯，高于400 ℃后迅速下降；而軸壓剛度則以200 ℃為界，低于200 ℃時軸壓剛度下降較顯著，高于200 ℃后下降速率開始減緩。材料強度對試件極限承載力的影響大于截面直徑和鋼管含鋼率，鋼管含鋼率可一定程度提高試件軸壓剛度。

(3)基于本文參數(shù)分析范圍，回歸了試件火災(zāi)下極限承載力影響系數(shù)和軸壓剛度影響系數(shù)的簡化計算公式，計算結(jié)果與有限元分析結(jié)果吻合較好，可為實際工程提供參考。

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Axial compression performance of circular tubed reinforced concrete stub columns under fire

WANG Weiwei, REN Qingju, LV Xuetao, MI Zhenwei

(School of Civil Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China)

To study the axial compression performance of circular tubed reinforced concrete(CTRC) stub columns under fire, a finite element (FE) model is established with the software ABAQUS by determining the thermal and mechanical properties of materials. The reliability of the FE model is validated by agreement between the theoretical results and the experimental data. The axial compression performance of the CTRC columns is analyzed based on the FE model, and the parameters investigated include high temperature, concrete strength, steel strength, diameter of cross section and steel ratio. The study reveals that with the increase of temperature, the stress distribution is similar and becomes more uniform. Compared to residual capacity, the temperature has great influence on the axial stiffness of specimens. The material strength has noticeable influence on the residual capacity, and increasing steel ratio can raise the axial stiffness. Simplified formulas are proposed for predicting the evaluating indicators of CTRC columns under fire, which may be a reference for this kind of columns used in practical engineering.

Fire; Circular tubed reinforced concrete; Stub columns; Axial compression performance

2016-06-14；修改日期：2016-09-23

國家自然科學(xué)青年基金項目(51208246)；遼寧省教育廳一般項目(LJYL033)

王微微(1980-)，女，講師，博士，從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火性能研究。

呂學(xué)濤，Email：lxtwww30@sina.com

1004-5309(2017)-00100-07

10.3969/j.issn.1004-5309.2017.02.06

X932

A