高温后中空夹层钢管混凝土柱轴压性能研究.pdf

第 卷第 期 年 月 铁道科学与工程学报 高温后中空夹层钢管混凝土柱轴压性能研究 刘晓 ， ， 麻路， 王兵 （ 沈阳大学 建筑工程学院， 辽宁 沈阳 ； 清华大学 土木工程系， 北京 ） 摘要： 为了分析高温后中空夹层钢管混凝土（ 简称 ） 构件轴心受压力学性能， 在试验验证的基础上， 采用数值模拟 的方法对高温后的轴压工作机理进行剖析， 探讨温度、 空心率、 名义含钢率、 内外钢管屈服强度及混凝土抗压强度对 力学性能的影响。研究结果表明： 随着构件曾经历温度的升高， 极限承载力呈下降趋势； 外钢管屈服强度对 构件极 限承载力的提高有显著影响， 混凝土强度对提高常温阶段构件的极限承载力影响较大， 但随着温度的升高， 影响逐渐降低， 空心率、 内钢管的屈服强度对高温后 构件极限承载力影响很小。 关键词： 高温后； 中空夹层钢管混凝土； 轴压； 机理； 极限承载力 中图分类号： 文献标志码： 文章编号： （ ） ， ， ， （ ， ， ， ； ， ， ） ： （ ） ， ， ， ， ， ， ， ， ； ， ， ， ， ： ； ； ； ； 中空夹层钢管混凝土是指在 个同心放置的 钢管间填充混凝土而形成的复合构件， 是在钢管混 凝土基础之上发展起来的新型组合结构， 继承了钢 管混凝土的优点， 承载力高、 塑性韧性好、 施工方 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ ） ； 沈阳市科技攻关项目（ ） 通讯作者： 刘晓（ ） ， 女， 辽宁沈阳人， 教授， 博士， 从事结构工程及防灾减灾及防护工程方面的研究； ： 第 期刘晓， 等： 高温后中空夹层钢管混凝土柱轴压性能研究 便、 抗震性能好 ， 还具有减轻结构自重、 截面开 展、 稳定性高、 抗弯和耐火性能好等优势 ， 适于 用在偏心率较大或抗弯刚度高的结构当中， 如高架 桥的桥墩或高层、 超高层建筑。目前， 对中空夹层 钢管混凝土的研究主要集中在常温下力学性能的 理论分析和试验研究 ， 而对该组合柱在高温后 力学性能方面的研究还未见报道。我国是建筑火 灾频发的国家， 据统计， 全国每年会发生超过 万 起火灾， 建筑火灾约占 ， 给人民的生命和财产 造成了巨大的损失。如何提高建筑结构的耐火性 能， 延缓逃生和救援时间， 以及火灾后建筑结构的 安全度， 能否在灾后继续使用等问题， 必须引起从 事建筑结构研究人员的高度重视。 是新型 的结构形式， 关于火灾后力学性能的研究对其在建 筑结构中的推广和应用具有现实意义， 因此， 本文 对 构件在恒高温作用后的力学性能进行研 究。 有限元模型 利用有限元软件 ， 对圆套圆 轴压短柱在恒高温后的力学性能进行数值模拟， 构 件参数见表 。 表 试件参数一览表 序号 空心率 长度 注： 和 分别为内、 外钢管的直径； 和 为内、 外钢管的厚度。 材料本构模型 钢材 高温后的钢材应力 应变关系采用双折 线 ， 即弹性段和强化段， 形式如下所示： （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 混凝土 高温作用后核心混凝土应力 应变关系仍按 常温下的形式选取， 只是考虑了温度作用影响， 其 本构方程为： （ ） （ ） （ ） （ ） 式中， （ ） ， （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） （ ） 其中： （ ）和 （ ）分别是考虑高温作用影响 时受压构件截面形心处的应力和应变； （ ）表示钢管对混凝土的约束效应系数； （ ）表示 构件截面名义含钢率； 表示混凝土圆柱体的抗压强度； 表示混凝土轴 心抗压强度标准值。 单元类型的选取、 网格化分、 边界条件、 加载 方式 内、 外钢管均采用四节点减缩积分格式（ ） 来进行模拟， 为满足网格精度要求， 在壳单元厚度 方向采用 个积分点的 积分； 核心混凝土 采用 八 节 点 减 缩 积 分 格 式 的 三 维 实 体 单 元 （ ） 。采用结构化网格划分， 对各个部件进 行单元划分， 如图 所示。 （ ） 边界条件； （ ） 盖板网格； （ ） 横截面网格； （ ） 纵截面网格 图 边界条件及网格划分示意图 将盖板设为刚体， 盖板与混凝土采用“ 硬” 接 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 触来传递荷载， 内、 外钢管与混凝土的界面接触分 为沿法线方向的“ 硬” 接触和沿切线方向的“ 罚” 接 触， 摩擦系数为 ； 盖板与内、 外钢管之间采 用“ ” 的约束方式连接。加载方式如图 （ ） 所示， 在盖板 处施加刚性约束， 令其既不产 生位移也不产生转角， 在盖板 处限制其在 和 方向的位移以及沿 ， 和 方向的转角， 仅在 方 向上施加轴向位移荷载。 模型验证 为验证本文所建模型的准确性， 将模拟结果与 试验结果 进行对比。图 为有限元结果与试验 结果的荷载应变关系曲线对比示意图， 本文计算 结果与试验结果吻合较好。 （ ） 空心率为 ； （ ） 空心率为 ； （ ） 空心率为 ； （ ） 空心率为 ； （ ） 空心率为 ； （ ） 空心率为 图 荷载应变关系曲线对比 图 中（ ） 和（ ） 是文献 中试件 常温下的典型破坏形态， 从图中可以看出， 本文 所模拟的内外钢管破坏形态与试验破坏形态 吻合较好。此外， 随构件经受温度的升高， 端部混 凝土压碎程度加剧， 外钢管对混凝土的约束作用降 低， 混凝土对内钢管挤压作用增强， 内钢管凹曲部 位逐渐延伸至端部。 参数分析 通过常温下 轴压力学性能的研究可 知， 混凝土的强度和钢管对混凝土的约束效应对构 件的承载能力有影响， 因此， 本文对影响高温后 构件力学性能的因素除考虑温度 （ ， ， ， 和 ） 外， 引入了空心率 （ ， ， 和 ） 、 名义含钢率 （ ， 和 ） 、 外钢管屈服强度 （ ， 和 ） 、 内钢 管屈服强度 （ ， 和 ） 、 混凝土立方体抗 压强度 （ ， 和 ） 作为变化参数， 分析其对 荷载位移关系曲线的影响。 （ ） 常温外钢管试验破坏形态； （ ） 常温内钢管试验破坏形态 （ ） 外钢管有限元破坏形态； （ ） 内钢管有限元破坏形态 （ ） 外钢管有限元破坏形态； （ ） 内钢管有限元破坏形态 （ ） 外钢管有限元破坏形态； （ ） 内钢管有限元破坏形态 图 试验破坏形态与有限元破坏形态对比图 温度 图 为圆中空夹层钢管混凝土构件在空心率 相同， 不同恒高温作用后的荷载 变形关系曲线。 从图中可以看出， 随着温度的升高， 弹性阶段逐渐 缩短， 轴压短柱的极限承载力逐渐降低， 但极限应 变变化不大。根据有限元模拟结果的数据统计， 与 常温状态相比， 构件在 时的极限承载力下降 幅度很小， 最多下降 ； 温度为 时， 最 多下降 ； 时， 最多下降 ； 时， 构件极限承载力最多下降 。由 此得出： 当曾经历温度低于 时， 极限承载力 下降幅度很小， 而高于 时， 极限承载力降速 第 期刘晓， 等： 高温后中空夹层钢管混凝土柱轴压性能研究 略有增加。主要因为： 外钢管在高温作用后力学性 能有较大程度的恢复， 与常温相比， 其屈服强度和 弹性模量相同或降低很少； 而混凝土在经受温度较 低时， 抗压强度变化不大， 在内外钢管的约束下， 承 载力下降缓慢； 随着温度的升高， 混凝土发生不可 逆的化学变化， 其弹性模量和抗压强度下降幅度增 大， 在温度降低后， 力学性能基本没有得到恢 复 。 由图中曲线的下降段可见， 随着构件曾经受温 度的升高， 构件表现出与钢管混凝土相似 的力学性能， 温度越高， 下降段越平缓， 因为混凝土 属于热惰性材料， 对内外钢管起到升温滞后的作 用， 尤其是内钢管， 在高温作用后， 材性损失很小， 在混凝土达到抗压强度而退出工作后， 内钢管相当 于钢骨混凝土中的钢骨， 起到支撑的作用， 再加上 外钢管对混凝土的约束作用， 使构件的极限承载力 降低缓慢， 具有很好地延性 。 （ ） ； （ ） ； （ ） ； （ ） 图 各空心率在不同温度作用下的荷载变形关系 曲线 空心率 图 为不同空心率的构件在经受高温作用后 极限承载力柱形图。由图可见， 随着构件经受温度 的升高， 各空心率构件的极限承载力呈下降趋势。 还可以看出， 当温度低于 时， 除空心率为 的构件极限承载力较低外， 其余构件极限承载 力相近； 当温度高于 时， 空心率对各构件的 极限承载力影响很小。总体来说， 随着温度的升 高， 空心率对高温后 构件的极限承载力影 响逐渐降低。 图 不同空心率下的极限承载力柱形图 名义含钢率 图 是不同名义含钢率下的极限承载力 温 度关系曲线。从图中看出， 构件的极限承载力随名 义含钢率的升高而增大，这是因为名义含钢率越 高， 钢管对核心混凝土的约束作用越强， 对提高构 件极限承载力贡献越大。 图 不同名义含钢率 下的 关系 钢管屈服强度 图 为内、 外钢管屈服强度不同时， 的 极限承载力温度关系曲线。可见， 外钢管的屈服 强度对极限承载力影响较内钢管的大， 因为外钢管 对混凝土的约束作用越强， 构件的极限承载力提高 越明显； 而内钢管的屈服强度的增大对提高经受不 同高温作用后构件的承载力贡献不大。 混凝土强度 图 为构件在不同混凝土抗压强度下的极限 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 年 月 承载力 温度关系曲线。可见， 在常温阶段， 极限 承力随混凝土强度的提高而增长， 但是， 随着构件 经受温度的升高， 混凝土强度对极限承载力的影响 逐渐降低， 这是由于混凝土强度随经受温度的升高 逐渐降低， 当温度超过 时， 混凝土强度基本 丧失 。 （ ） 不同外钢管屈服强度 下的 关系； （ ） 不同内钢管屈服强度下的 关系 图 不同钢材屈服强度下的 关系 图 不同混凝土强度下的 关系 结论 （ ） 确定了合理的中空夹层钢管混凝土本构 关系和有限元模型， 所得全过程曲线和破坏形态与 试验结果吻合较好。 （ ） 随着 温度的升高， 其高温后构件的 极限承载力呈下降趋势， 在温度低于 时， 极 限承载力下降幅度很小， 表明温度对构件极限承载 力影响不大； 当温度高于 时， 极限承载力下 降幅度加快， 此时温度对其极限承载力的影响较 大。 （ ） 外钢管屈服强度对提高 构件的极 限承载力有显著影响， 混凝土抗压强度对提高常温 阶段构件的极限承载力影响较大， 但随温度的升 高， 影响逐渐降低， 而空心率、 内钢管的屈服强度对 高温后 构件极限承载力影响相对较小。 参考文献： 丁发兴， 余志武 圆钢管混凝土轴压短柱受力机理影响 因素分析 铁道科学与工程学报， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ： 李永进， 廖飞宇中空夹层钢管自密实混凝土压弯构 件力学性能 兰州理工大学学报， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： ， ， ， ， ， ： ， ， ， ， （ ） ： 第 期刘晓， 等： 高温后中空夹层钢管混凝土柱轴压性能研究 李永进， 陶忠 中空夹层钢管混凝土柱在长期荷载作用 下的力学性能研究 工业建筑， ， （ ） ： ， ， ， （ ） ： 陈学嘉， 黄诚， 陈梦成 圆中空夹层钢管混凝土压弯构 件滞回模型研究 铁道建筑， （ ） ： ， ， （ ） ， （ ） ： 陶忠， 韩林海，黄宏圆中空夹层钢管混凝土柱力学 性能研究 土木工程学报， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 韩林海钢管混凝土结构 理论与实践 北京： 科学出版社， ： ， 黄宏中空夹层钢管混凝土压弯构件的力学性能研 究 福州：福州大学， ： ， ， ， ： ， ， ： ， 余志武， 丁发兴， 罗建平 高温后不同类型混凝土力学 性能试验研究 安全与环境学报， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 邵伟， 陈有亮， 周有成 不同温度及不同加热时间作用 后混凝土力学性能试验研究 防灾减灾工程学 报， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 刘晓， 李敏， 王连广 钢管钢骨高强混凝土压弯柱全过 程分析 哈尔滨工业大学学报， ， （ ） ： ， ， ， ， （ ） ： 姜绍飞， 牛德生， 于清海高温后矩形钢管混凝土双 向压弯构件力学性能试验研究 建筑结构学报， ， （ ） ： ， ， （ ） ， ， （ ） ：