轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究.pdf
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1、2023年7 月第39卷第4期文章编号:2 0 9 5-19 2 2(2 0 2 3)0 4-0 6 15-0 9沈阳建筑大学学报(自然科学版)Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)Jul.2023Vol.39,No.4doi:10.11717/j.issn:2095-1922.2023.04.05轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究张波1,徐光朋,任庆新13,秦笑笑1(1.沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁沈阳110 16 8;2.辽宁清创高科建筑工业化咨询有限公司,辽宁沈阳110 17 9;3.佛山科学技术学院
2、交通与土木建筑学院,广东佛山52 8 2 2 5)摘要目的解析轴压下三面受火的中空钢管混凝土叠合长柱的力学行为,建议耐火极限简化计算公式。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱温度场和力学分析模型,研究轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱的温度场分布、破坏模态、变形特点、内力分布等,分析空心率、截面边长、荷载比和长细比对中空钢筋混凝土柱耐火极限的影响。结果在高温下中空钢管混凝土叠合长柱发生了内力重分布;截面边长由30 0 mm分别增加至6 0 0 mm、9 0 0 m m和12 0 0 mm时,构件耐火极限分别增长了131.8 3%、2 2 1.8 1%和3
3、12.0 2%;长细比由2 2 增加至44和6 6 时,构件耐火极限分别降低了2 5.46%和6 2.7 7%;荷载比由0.4分别增加至0.5、0.6 和0.7 时,构件耐火极限分别降低了39.0 3%、6 5.7 1%和85.54%。结论中空钢管混凝土叠合柱的耐火性能优于中空钢筋混凝土柱,提出的耐火极限简化计算公式与有限元模型计算结果吻合程度较好。关键词轴压;三面受火;中空钢管混凝土叠合长柱;有限元分析;耐火性能中图分类号TU398.9文献标志码AResearch on Fire Resistance of Hollow Concrete-encasedCFST Long Column Su
4、bjected to Three-side Fire andAxial CompressionZHANG Bo2,U Guangpeng,REN Qingxin,OIN Xiaoxiao(1.School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang,China,110168;2.Liaoning QingchuangHigh-tech Building Industrialization Consulting Co.Ltd.Shenyang,China,110179;3.School of Transportation,C
5、ivilEngineering&Architecture,Foshan University,Foshan,China,528225)Abstract:Analysis of the mechanical behaviour of a hollow concrete-encased CFST long column收稿日期:2 0 2 2-0 9-30基金项目:国家自然科学基金项目(518 0 8 351);沈阳市科学技术计划项目(2 1-10 8-9-34)作者简介:张波(197 9一),男,教授级高级工程师,主要从事装配式建筑、道路工程及隧道工程等方面研究。616subjected to
6、a three-sided fire and axial compression,with a proposed simplified formula forcalculating the fire resistance limit.The finite element analysis software ABAQUS is used toestablish the temperature field and the mechanical finite element analysis model of the hollowconcrete-encased CFST long column s
7、ubjected to three-sided fire and axial compression,to studythe temperature field distribution,damage modalities,deformation characteristics and internal forcedistribution,and to analyse the effects of hollow ratio,section edge length,load ratio and length toslenderness ratio on the fire resistance l
8、imit of hollow reinforced concrete columns.The internalforce redistribution occurs in long hollow steel tube concrete composite columns at hightemperatures;the fire resistance limit of the members increases by 131.83%,221.81%and312.02%when the section side length is increased from 300 mm to 600 mm,9
9、00 mm and 1 200mm,respectively;the fire resistance limit of the members decreases by 25.46%and 62.77%whenthe length to slenderness ratio is increased from 22 to 44 and 66,respectively.When the loadingratio was increased from 0.4 to 0.5,0.6 and 0.7,the fire resistance limits of the members werereduce
10、d by 39.03%,65.71%and 85.54%respectively.Conclusion The fire resistance of hollowconcrete-encased CFST columns is better than that of hollow reinforced concrete columns,and theproposed simplified formula for calculating the fire resistance limit agrees well with the finiteelement model calculation r
11、esults.Key words:axial compression;three-side fire;hollow concrete-encased CFST long column;finiteelement analysis;fire resistance沈阳建筑大学学报(自然科学版)第39卷中空钢管混凝土叠合柱是一种由核心钢管和外围钢筋混凝土组成的新型组合构件,在高层建筑发展中具有十分重要的作用。李国强 和韩林海2 对钢混凝土组合结构的耐火性能进行研究。项凯3、L.Xu4和周侃5 对均匀受火作用下钢管混凝土叠合柱的耐火性能进行了试验研究,指出试件在荷载和高温作用下的破坏模态呈现整体屈曲,
12、且角部混凝土发生剥落现象,外围钢筋混凝土能够有效避免钢管发生局部屈曲,提高构件的耐火性能。侯舒兰6 进行了考虑火灾降温作用下钢管混凝土叠合柱耐火性能理论研究,指出钢管混凝土叠合柱在降温阶段仍有可能发生破坏。H.Lu7和韩林海等2 对均匀受火作用下中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能进行了试验研究,指出试件均发生整体屈曲破坏,内置圆钢管时未发生局部屈曲现象。发生火灾时,由于结构柱所处位置不同,受火边界条件也不相同,有的结构柱处于非均匀受火状态8 ,非均匀火灾作用下,构件会出现不均匀的挠曲变形和附加偏心距,降低了构件的耐火性能。叶友林9 和张玉琢等10 对三面受火方钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限进行了研究
13、,指出试件均发生整体屈曲破坏。王明涛 指出非均匀受火作用下钢管混凝土叠合柱外围混凝土开始降温时,核心钢管混凝土仍处于升温阶段,温度滞后明显。L.Xu等12 对三面受火钢管混凝土叠合柱耐火极限进行了研究,提出了耐火极限实用计算公式。张玉琢等13 对三面受火中空夹层钢管混凝土柱耐火极限进行理论研究,指出荷载比、长细比和界面尺寸是影响构件耐火极限的主要参数,并提出了耐火极限实用计算公式。其他学者也对构件非均匀受火进行理论研究,分析了影响构件耐火极限的主要参数,提出了剩余承载力实用计算公式13-19。综上所述,笔者继续开展研究,利用ABAQUS有限元分析平台,选取合理的热工参数和材料本构模型对轴压下三
14、面受火中空钢管混凝土叠合长柱的耐火性能进行分析,并提出了耐火极限简化计算公式。1有限元分析模型1.1模型建立采用“热一力顺序耦合”的方法对轴压第4期下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能进行分析。在温度场计算模型中,材料的热工参数按照T.T.Lie【2 0 的建议取值;假定中空钢管混凝土叠合长柱三面全高度受火,采用ISO-834标准升温曲线2 1,初始温度设为2 0;钢管和混凝土采用DC3D8单元,纵筋和箍筋采用DC1D2单元;钢管与混凝土的接触面采用Tie约束,钢筋笼采用内嵌于混凝土中;受火面和背火面的热对流系数分别取2 5W/(m.)和9W/(m.),综合辐射系数取 0.56 。在力学性
15、能计算模型中,钢管和混凝土采用C3D8R单元,纵筋和箍筋采用T3D2单元;钢管与混凝土相互作用在法向上定义为“硬接触”,在切向上采用摩擦系数为0.6 的库伦摩擦6 ;参考点RP1和RP2分别与中空钢管混凝土叠合长柱底表面和柱顶表面耦合;初始偏心距为1/10 0 0 L。中空钢管混凝土叠合长柱的网格划分和受火方式如图1所示。降温NTTU,=U-=UR,=01热啤热对一一一U,=U,=U,=UR,=01升温图1网格划分与受火方式Fig.1Meshing and fire mode1.2常温性能验证为验证常温下中空钢管混凝土叠合长柱力学有限元分析模型的正确性,与文献22-23的空心钢管混凝土叠合柱轴
16、压力学性能试验结果进行对比。图2 为极限承载力计算值与试验结果对比曲线,Nuc/Nue的平均值为0.9 41,均方差为0.0 6 2,可见有限元模型可较好地预测轴压极限承载力。图3为张波等:轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究+10%4.000-10%2000文献2 2 文献2 302 000Nu./kN图2 极限承载力计算值与试验结果对比Fig.2 Comparison of calculation value and test resultof ultimate bearing capacity4.0003000之2.0001000热对流业(617轴向荷载一应变关系计算值与试验
17、结果对比曲线,通过对比发现有限元模型可较好地预测空心钢管混凝土叠合柱轴向荷载一应变关系曲线的发展趋势。6.0000图3轴向荷载应变关系计算值与试验结果对比业Fig.3 Comparison between the calculated values ofaxial load-strain relation and the experimental results1.3耐火性能验证为验证中空钢管混凝土叠合长柱有限元分析模型的正确性,与H.Lu7均匀受火方套圆中空夹层钢管混凝土柱和唐贵和2 41 三面受火方钢筋混凝土柱温度场试验数据进行了对比;与H.Lu7均匀受火方套圆中空夹层钢管混凝土柱和周侃5
18、 均匀受火方套圆钢管混凝土叠合柱耐火极限试验数据进行对比。图4为温度时间关系计算值与试验结果对比曲线,试件 SC1在d=65 mm时的温4.0002.50050008/1066.000750010.000618差稍大,这可能是因试件中空部分密封不好导致,且对于方套圆截面的计算值偏于安全。图5为轴向位移时间关系计算与试验结果对比曲线,可见试件SC1耐火极限计算值偏500T一实测一计算400d-33mm3002001000Fig.4 Comparison of the calculated value of temperature-time relationship with the experi
19、mental results20文献5一实测+实测1010一计算0沈阳建筑大学学报(自然科学版)安全,试件SO-2耐火极限吻合较好。故有限元模型可较好地预测三面受火作用下方套圆组合结构柱的耐火性能,且计算值偏于安全。800文献7 6004002001=65mm3060受火时间/min(a)Sc1图4温度时间关系计算值与试验结果对比文献7第39卷文献2 4+实测一计算90120020030受火时间/min(b)Z36090120一计算-10-20-30-400Fig.5 Calculation of axial displacement-time relationship and compari
20、son of test curves2受力机理分析典型构件设计参数为BDtL=300 mm 150 mm7.5 mm 3 800 mm、火灾荷载比n=0.4、长细比入=44、纵向钢筋为8d18(f,=335M Pa)、钢管牌号为Q345(fys=345MPa)、混凝土型号为C50(f e u=50 MPa)、箍筋为 8100(f,=300 MPa)。2.1温度一时间曲线图6 为中空钢管混凝土叠合长柱测点分布及温度一时间关系曲线。通过对测点-10-20-30-4060120受火时间/min(a)SC1图5车轴向位移时间关系计算与试验曲线对比100150200 250300350受火时间/min图
21、6温度一时间曲线Fig.6Temperature-time curves-18001200900600300060受火时间/min(b)S0-2X50120+测点1+测点2+测点3测点4测点55180第4期15的温度对比发现,三面受火中空钢管混凝土叠合长柱截面温度从受火面到背火面有逐渐下降的趋势,钢管表面的温度要低于外围混凝土温度,说明外围钢筋混凝土对钢管起到了保护作用。2.2轴向位移-时间曲线图7 为三面受火中空钢管混凝土叠合长柱的轴向位移时间关系曲线。三面受火中空钢管混凝土叠合柱变形主要分为3个阶段:膨胀阶段,火灾作用初期,构件外部温20100-10-20-30-4002.3石破坏模态图8
22、 为中空钢管混凝土叠合长柱的破坏模态。由图可见,轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱发生了压弯破坏,从整体破坏模态上看,构件具体表现为弯曲,柱中侧向挠度最大,破坏发生在柱中最大侧向挠度处,此区域内混凝土极易压溃、开裂。纵向塑性应变纵向塑性应变+3.46110+2.88410+1.95910+2.42710+4.57710+1.97010-1.044103+1.51210%2.5410+1.055104.04710+5.980105.54910+1.409107.05110-3.163108.5531037.7310-1.005101.23110-1.156101.68810-1.306102-
23、2.14510-1.4561022.60210(a)入=2 2(b)=44图8 典型构件破坏模态Fig.8 Typical component failure modes张波等:轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究n=0.4n=0.5n=0.6+n=0.73060受火时间t/min(a)荷载比Fig.7Axial displacement time curves2.4应变分布图9为中空钢管混凝土叠合长柱在常温和升温时柱中截面混凝土纵向塑性应变分布。由图可见,常温加载结束时刻,因荷载比较小,未出现纵向塑性应变;在升温破坏时刻,因加载时考虑了初始偏心距以及温度场的不均匀分布产生的附加偏
24、心距,柱中纵向塑性应变主要出现在高温受压区和低温受拉纵向塑性应变+3.80110+3.18710+2.57210+1.95810+1.34310+7.29010+1.146104.99810-1.114103-1.729102.34310-2.958103.57210(c)=66619度逐渐升高,随着温度升高,外部材料发生劣化,产生轴向膨胀变形;加速变形阶段,火灾作用中后期,构件内部温度不断升高,材料劣化速率迅速增加,此时材料的压缩变形高于构件的轴向膨胀变形;破坏阶段,火灾作用末期,构件材料劣化达到临界,构件所能承受的有效荷载小于轴向外荷载,此时构件的轴向压缩变形急速增快,轴向变形与受火时间关
25、系曲线近似垂线。20100-10-20-30-4090120图7 轴向位移时间曲线区,且呈偏心分布,此区域内的混凝土极易发生压溃、开裂。2.5应力变化图10 为中空钢管混凝土叠合长柱在常温和升温时柱中截面混凝土纵向应力分布。由图可见,常温加载结束时刻,在考虑1/1000L初始偏心距下,混凝土纵向应力呈条带分布;升温破坏时刻,因受火面材料劣化程度较大,混凝土纵向压应力主要集中在受压区-1=221=44=66030受火时间/min(b)长细比6090120620靠近钢管温度相对较低处,混凝土纵向拉应力纵向塑性应变+0.00010+0.000100+0.000180+0.000180+0.00018
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