全過程火災(zāi)下矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場(chǎng)數(shù)值研究

陳博文，王高雄，包延紅

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院,青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016)

隨著現(xiàn)代建筑科技的不斷進(jìn)步，建筑結(jié)構(gòu)不斷向高層、大跨方向發(fā)展，各種新興的建筑材料和構(gòu)件廣泛運(yùn)用于工程建設(shè)。鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)由于結(jié)合了兩種材料的優(yōu)點(diǎn)而備受工程界青睞。鋼管混凝土疊合柱是一種以鋼管混凝土為核心，在鋼管周圍綁扎鋼筋并疊澆混凝土而成的組合構(gòu)件[1]，具有良好的抗震性能和耐火性能，是一類具有廣闊應(yīng)用前景的新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。由于高溫條件下混凝土和鋼材的材料性能會(huì)發(fā)生退化，建筑火災(zāi)會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損壞，造成社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失，也極大威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。在逐步推廣應(yīng)用鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)的同時(shí)，其在火災(zāi)升溫、降溫的全過程中所表現(xiàn)出的力學(xué)性能受到廣泛重視，逐漸成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)課題。

目前，已有部分學(xué)者對(duì)鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)的耐火性能開展了研究，劉東坡[2]采用有限元法進(jìn)行火災(zāi)下鋼管混凝土疊合柱軸壓性能的研究得出，在受火作用下，混凝土強(qiáng)度和截面尺寸對(duì)疊合柱極限承載力的影響較顯著；項(xiàng)凱等[3]研究結(jié)果表明，火災(zāi)荷載比、截面邊長和長細(xì)比是影響軸心受壓方形截面鋼管混凝土疊合柱耐火性能的主要因素；徐蕾等[4]研究鋼管混凝土疊合柱試件的耐火極限試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)下疊合柱的破壞主要是由于外部混凝土的強(qiáng)度損失所引起的內(nèi)力重分配，使得剩余截面不足以承擔(dān)外荷載所致；侯舒蘭等[5]進(jìn)行了火災(zāi)升溫、降溫共同作用下鋼管混凝土疊合柱的數(shù)值研究，結(jié)果表明環(huán)境溫度下降時(shí)，疊合柱截面存在明顯的溫度滯后現(xiàn)象，截面內(nèi)部各點(diǎn)的最高溫度往往出現(xiàn)在火災(zāi)降溫段，且此階段內(nèi)試件發(fā)生了整體失穩(wěn)破壞；項(xiàng)凱等[6]采用數(shù)值方法研究火災(zāi)下外部混凝土的爆裂對(duì)鋼管混凝土疊合柱耐火極限的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，疊合柱的耐火極限隨混凝土爆裂面積比、爆裂深度等的增大而降低；鞏玉發(fā)等[7]對(duì)鋼管混凝土疊合柱受火升溫狀態(tài)下的溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值研究，結(jié)果表明升溫階段中受火面的不同使疊合柱內(nèi)溫度梯度有所差異。綜上所述，現(xiàn)有的相關(guān)研究主要是通過將耐火試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)疊合柱的耐火極限進(jìn)行評(píng)估，且主要側(cè)重于火災(zāi)升溫段的耐火性能，對(duì)于其在經(jīng)歷火災(zāi)全過程后的各類性能研究相對(duì)較少；在截面形式上，采用傳統(tǒng)的圓套圓形、方套圓形疊合柱構(gòu)件居多，對(duì)于矩形截面的鋼管混凝土疊合柱各類性能的研究甚少。

為了深入研究矩形截面鋼管混凝土疊合柱在火災(zāi)升溫、降溫全過程下的熱學(xué)性能，本文采用有限元法建立其在標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線[8]作用下的溫度場(chǎng)模型，分析標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫、降溫作用過程中矩形截面鋼管混凝土疊合柱的溫度場(chǎng)分布及火災(zāi)后所經(jīng)歷的歷史最高溫度分布情況，以期為此類構(gòu)件的抗火分析提供參考。

1 溫度場(chǎng)有限元模型

1.1 鋼材和混凝土的熱工參數(shù)

在火災(zāi)作用下，鋼材和混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等熱工參數(shù)通常不是常數(shù)，而是與溫度相關(guān)的函數(shù)。Lie[9]通過研究給出了高溫下鋼材的熱工模型和混凝土的熱工模型， Kodur 等[10]給出了高溫下混凝土的熱工模型?；谇叭说挠?jì)算和模擬情況，本文采用加拿大學(xué)者Lie[9]提出的熱工模型來計(jì)算材料的熱工參數(shù)。鑒于混凝土內(nèi)的水分蒸發(fā)在一定程度上對(duì)構(gòu)件截面溫度場(chǎng)的分布產(chǎn)生影響，該熱工模型假定混凝土中所含水分的質(zhì)量百分比為5%，且所含的水分在100 ℃時(shí)完全蒸發(fā)，并對(duì)混凝土的比熱和容重進(jìn)行了相應(yīng)的修正[11]。

1.2 溫度場(chǎng)有限元模型的建立

建立溫度場(chǎng)有限元模型時(shí)，使用八節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元(DC3D8)建立鋼管和混凝土部件，而縱向鋼筋和箍筋采用二節(jié)點(diǎn)桿單元(DC1D2)建立。假設(shè)鋼材與混凝土之間完全傳熱，忽略接觸熱阻，熱量在構(gòu)件表面通過熱對(duì)流和熱輻射的方式進(jìn)行傳遞，在內(nèi)部通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞。參考韓林海[12]中的取值，選取受火區(qū)域的綜合輻射系數(shù)ε為0.5，熱對(duì)流系數(shù)α=25 W/(m2·℃)。按照國際標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線[8]進(jìn)行高溫作用。

2 溫度場(chǎng)有限元模型的驗(yàn)證

為圓形鋼管混凝土疊合柱邊長，Ds為鋼管外徑，ts為鋼管厚度。

為了對(duì)上述溫度場(chǎng)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，收集了相關(guān)的溫度場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用徐蕾等[13]完成的4個(gè)鋼管混凝土疊合柱試件的溫度場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，試驗(yàn)中火災(zāi)曲線按照國際標(biāo)準(zhǔn)曲線[8]中的升溫段進(jìn)行升溫。試件的基本參數(shù)見表1，所有試件的受火高度H均為3 000 mm，其中SZ1-1、SZ1-2為方形截面試件;CZ2-1、CZ2-2為圓形截面試件。本試驗(yàn)對(duì)各試件不同測(cè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，并與試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖1，其中虛線表示試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值，實(shí)線表示有限元計(jì)算值。由圖1可知，有限元計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果總體上吻合程度較高。

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of samples

3 火災(zāi)全過程下矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場(chǎng)分析

3.1 試件設(shè)計(jì)

3.2 火災(zāi)升溫階段試件溫度場(chǎng)分析

圖2所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在國際標(biāo)準(zhǔn)升溫作用[8]下不同時(shí)刻截面的溫度場(chǎng)分布情況，其中NT11為節(jié)點(diǎn)溫度，總升溫時(shí)間為180 min。由圖2可見，矩形截面鋼管混凝土疊合柱在均勻受火的情況下，其截面溫度場(chǎng)表現(xiàn)出雙軸對(duì)稱的分布方式，溫度均呈現(xiàn)出內(nèi)低外高的變化趨勢(shì)。隨受火時(shí)間的增加，柱的熱量不斷累積，其最大溫差從60 min時(shí)的906 ℃增加到180 min時(shí)的1 074 ℃，高溫區(qū)的面積不斷增大，低溫區(qū)面積不斷減小，這說明熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)持續(xù)傳導(dǎo)。

圖2 升溫階段不同時(shí)刻下矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場(chǎng)分布Fig.2 Temperature field distribution of ST-RC columns at different times in heating stage

圖3、圖4分別給出了在火災(zāi)升溫過程中，矩形截面鋼管混凝土疊合柱截面上各特征點(diǎn)的布置情況和各特征點(diǎn)的溫度—時(shí)間關(guān)系曲線。在火災(zāi)發(fā)生初期，表面混凝土(測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2)的溫度迅速升高，在16 min 之前達(dá)到了混凝土的劣化溫度Tc(500 ℃)，而此時(shí)內(nèi)部各測(cè)點(diǎn)的溫度仍均保持在20 ℃左右。隨著升溫時(shí)間的增加，熱量從混凝土表面向內(nèi)部傳遞，到升溫結(jié)束時(shí)刻，外圍混凝土的保護(hù)作用使內(nèi)部鋼管與核心混凝土均未達(dá)到其材料的劣化溫度。此外，短軸上3、5、7測(cè)點(diǎn)的溫度分別高于長軸上同比例位置4、6、8測(cè)點(diǎn)的溫度，這是由于長軸、短軸方向外部鋼筋混凝土厚度的不同使得沿兩個(gè)方向傳進(jìn)內(nèi)部的熱量有所不同，火災(zāi)沿長軸方向作用時(shí)對(duì)構(gòu)件內(nèi)部的溫度影響更小。

3.3 火災(zāi)降溫階段試件截面溫度場(chǎng)分析

圖5所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在火災(zāi)降溫過程中不同時(shí)刻截面上的溫度場(chǎng)分布云圖，其中NT11為節(jié)點(diǎn)溫度。在180 min時(shí)試件達(dá)到升溫階段的最高溫度，降溫階段開始后，熱量逐漸從材料的高溫區(qū)向周圍空氣及材料低溫區(qū)轉(zhuǎn)移。300 min時(shí)截面最高溫度出現(xiàn)在外圍混凝土表面的4個(gè)角部位置，其溫度約為749 ℃。隨著降溫時(shí)間的推進(jìn)，混凝土最高溫度區(qū)不斷向內(nèi)部遷移，在440 min時(shí)，混凝土最高溫度出現(xiàn)在距外圍混凝土表面深度約92.5 mm處的4個(gè)角部位置。通過分析可以看出，混凝土的溫度變化存在滯后現(xiàn)象，與外圍混凝土表面之間距離越大的區(qū)域，升溫滯后時(shí)間也越長。在降溫的最終時(shí)刻(1 800 min),外圍混凝土的外表面溫度已降至接近室溫(25 ℃)；核心區(qū)域混凝土由于存在降溫滯后現(xiàn)象，其最終溫度只降到118 ℃。此時(shí)刻截面溫度場(chǎng)分布為內(nèi)高外低形式，這與升溫結(jié)束時(shí)刻(180 min)的溫度場(chǎng)分布方式相反。

圖5 降溫階段不同時(shí)刻下矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場(chǎng)分布Fig.5 Temperature field distribution of ST-RC columns at different times in cooling phase

3.4 火災(zāi)全過程中截面各測(cè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)分析

圖6所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在經(jīng)歷火災(zāi)升溫、降溫全過程中截面上各測(cè)點(diǎn)的溫度變化情況，其中B′時(shí)刻為空氣溫度達(dá)到升溫階段最高時(shí)刻(180 min)，C′時(shí)刻為空氣溫度降至室溫時(shí)刻(440 min)。由圖6a可知，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度變化均表現(xiàn)出不同程度的滯后現(xiàn)象，外圍混凝土外表面(測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2)區(qū)域在180 min左右最先開始降溫，在1 800 min時(shí)溫度降至室溫，而B′時(shí)刻其他測(cè)點(diǎn)的溫度仍處于上升階段。由圖6b可知，核心區(qū)域混凝土(測(cè)點(diǎn)9)在760 min左右時(shí)達(dá)到其經(jīng)歷的最高溫度，約244 ℃，與混凝土外表面開始降溫的B′時(shí)刻(測(cè)點(diǎn)9溫度為27 ℃)相比，此時(shí)刻核心混凝土的溫度提升了近8倍；隨即進(jìn)入降溫階段，在降溫階段最終時(shí)刻該區(qū)域溫度仍有118 ℃。另外，長軸方向上各測(cè)點(diǎn)的升降溫臨界時(shí)刻相較于短軸方向上同比例位置各測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)得更晚，外圍混凝土表面區(qū)域和核心混凝土區(qū)域的混凝土升溫、降溫臨界時(shí)間相差約580 min，這說明隨受火表面距離的增大，會(huì)使降溫時(shí)刻愈發(fā)滯后，內(nèi)部材料容易在降溫階段發(fā)生劣化。

圖6 火災(zāi)全過程下試件截面各測(cè)點(diǎn)溫度—時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Temperature—time relation curve of each measuring point of sample section in the whole process of fire

3.5 火災(zāi)后的溫度場(chǎng)分析

圖7所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在升溫結(jié)束時(shí)刻(180 min)的溫度與其經(jīng)歷的歷史最高溫度(火災(zāi)后)的對(duì)比，其中黑色虛線表示混凝土劣化溫度(500 ℃)等溫線的位置。由圖7a可知，在180 min 時(shí)外圍混凝土表面已經(jīng)達(dá)到了其歷史最高溫度1 101 ℃，截面的溫度梯度較大，最大溫差為1 074 ℃；進(jìn)入降溫階段后，截面內(nèi)的溫度仍然在升高，試件內(nèi)部熱量的持續(xù)傳遞增大了混凝土的過火面積。由圖7b可知，在歷史最高溫度狀態(tài)下，距受火面距離越遠(yuǎn)的區(qū)域經(jīng)歷的歷史最高溫度越小，截面的最大溫差為857 ℃，截面內(nèi)溫度梯度較升溫結(jié)束時(shí)刻逐漸減小，且總體溫度有所提高。歷史最高溫度狀態(tài)下500 ℃的等溫線與截面長、短邊方向受火面的垂直距離分別為61.7 mm、55.3 mm，與升溫結(jié)束時(shí)刻的49.36 mm、48.75 mm相比，分別提高了25%、13.4%；500 ℃以上的區(qū)域面積較升溫結(jié)束時(shí)刻增大了16.6%，說明此時(shí)發(fā)生混凝土材料劣化的面積更廣泛，若用歷史最高溫狀態(tài)的溫度場(chǎng)進(jìn)行火災(zāi)全過程中疊合柱結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)性能的計(jì)算會(huì)更加安全。

圖7 升溫結(jié)束時(shí)刻與歷史最高溫度的溫度場(chǎng)分布對(duì)比Fig.7 Comparison of temperature field distribution between heating end time and maximum temperature in history

4 結(jié)論

本文研究了矩形截面鋼管混凝土疊合柱在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升降溫全過程下的溫度場(chǎng)分布情況?；诒疚乃M(jìn)行的研究，可以初步總結(jié)得到以下結(jié)論：

(1)采用數(shù)值方法建立矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場(chǎng)的有限元分析模型，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，該模型能夠準(zhǔn)確分析矩形截面鋼管混凝土疊合柱在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)全過程下的熱學(xué)行為。

(2)矩形截面鋼管混凝土疊合柱在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫階段呈現(xiàn)出雙軸對(duì)稱的溫度場(chǎng)分布，但長軸與短軸上外圍混凝土厚度的不同使其內(nèi)部溫度場(chǎng)分布有所差異，外圍混凝土厚度較大的方向上內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度相對(duì)較低。

(3)在火災(zāi)作用的全過程中，混凝土的溫度變化存在滯后現(xiàn)象，距試件受火表面距離越大的區(qū)域升溫、降溫的臨界時(shí)刻出現(xiàn)得更晚。

(4)在降溫的最終時(shí)刻，外圍混凝土表面已降至室溫，而核心混凝土溫度仍然較高，此時(shí)截面溫度場(chǎng)分布為內(nèi)高外低形式，與升溫結(jié)束時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布方式相反。

(5)與升溫結(jié)束時(shí)刻相比，火災(zāi)后(歷史最高溫度)的溫度場(chǎng)中混凝土材料達(dá)到劣化溫度的區(qū)域更加廣泛，若用歷史最高溫狀態(tài)的溫度場(chǎng)進(jìn)行火災(zāi)全過程中疊合柱結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)性能的計(jì)算會(huì)更加安全。