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        相對(duì)兩面受火的方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限

        2014-11-15 04:24:02呂學(xué)濤張玉琢王微微
        火災(zāi)科學(xué) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:邊長鋼管承載力

        呂學(xué)濤,張玉琢,王 禹,王微微

        (1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧阜新,123000;2.本溪市金鼎建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧本溪,117000)

        0 引言

        鋼管混凝土結(jié)構(gòu)充分利用了鋼材和混凝土的各自優(yōu)點(diǎn),揚(yáng)長避短,是一種性能十分優(yōu)越的組合結(jié)構(gòu)。方形作為鋼管混凝土柱的一種重要截面形式,因抗彎剛度大、節(jié)點(diǎn)處理方便等特點(diǎn)在高層和超高層建筑中應(yīng)用廣泛。其抗火性能的研究,是保證建筑結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵問題之一,鋼管素混凝土結(jié)構(gòu)相對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)雖然具有較好的抗火性能,但其耐火極限一般仍不能滿足工程中的要求,因此通常在核心混凝土中配置專門考慮抗火的鋼筋或鋼纖維。

        自20世紀(jì)80年代起,英、德、加、日等國的研究者們對(duì)內(nèi)配鋼筋的方形鋼管混凝土柱抗火性能進(jìn)行了研究[1,2],相關(guān)研究成果已納入各國防火設(shè)計(jì)規(guī)范或規(guī)程。我國對(duì)于內(nèi)配鋼筋或鋼纖維的鋼管混凝土柱抗火性能的研究及成果主要針對(duì)構(gòu)件四面均均勻受火情況[3,4]。實(shí)際上,由于墻體的阻隔作用,框架柱也有可能遭受相對(duì)兩面的非均勻火災(zāi)作用(如圖1所示)。而受火邊界是研究結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火性能的基本前提條件之一,對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗火性能有著顯著影響[5-9]。

        圖1 相對(duì)兩面受火邊界條件Fig.1 Fire conditions of two-opposite-side

        為此,本文基于合理的材料本構(gòu)關(guān)系模型,建立了按國際標(biāo)準(zhǔn)曲線ISO-834升溫作用后的方鋼管鋼筋混凝土柱在相對(duì)兩面火災(zāi)作用下的高溫反應(yīng)有限元模型,對(duì)方鋼管鋼筋混凝土柱的耐火極限進(jìn)行參數(shù)分析,包括荷載比、截面邊長、長細(xì)比、荷載偏心率、鋼材和混凝土強(qiáng)度及配筋率等,并提出了方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限簡化計(jì)算公式,為評(píng)估相對(duì)兩面受火的方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限提供參考。

        1 分析模型的建立

        在利用ABAQUS進(jìn)行方鋼管鋼筋混凝土柱相對(duì)兩面火災(zāi)作用下耐火極限數(shù)值模擬時(shí),常采用順序藕合的熱——應(yīng)力分析模型。

        進(jìn)行溫度場(chǎng)分析建模時(shí),鋼材和混凝土的熱工模型分別采用 Lie[1]、Lie和Chabot[2]提供的表達(dá)式計(jì)算?;炷敛捎脗鳠岚斯?jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元DC3D8,鋼管采用傳熱四邊形殼單元DS4,鋼筋采用傳熱兩節(jié)點(diǎn)索單元DC1D2。

        在火災(zāi)作用下,環(huán)境與構(gòu)件的受火面間通過熱輻射和對(duì)流進(jìn)行傳熱,設(shè)定初始溫度為室溫(20℃)。當(dāng)火災(zāi)溫度已知時(shí),屬于第三類邊界條件[10],熱輻射系數(shù)為0.5。在所建模型屬性設(shè)置中輸入絕對(duì)零度為-273℃和Stefan-Boltzmann常數(shù)為5.67×108W/(m2·K4)。

        對(duì)于荷載-變形關(guān)系模型,選擇合理的材料本構(gòu)關(guān)系是得到理想結(jié)果的關(guān)鍵,經(jīng)過幾種常用分析模型的對(duì)比研究,最終,在常溫和升溫階段的鋼材采用Lie[1]給出的彈塑性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型,對(duì)于鋼管內(nèi)的混凝土,采用了韓林海和宋天詣[11]提出的核心混凝土在不同溫度階段的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系模型,對(duì)于鋼管外非約束混凝土,常溫和升溫階段采用Lie[1]給出的塑性損傷應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。混凝土、鋼管和鋼筋的單元類型由熱分析單元變更為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)分析單元。鋼管與鋼管核心混凝土、鋼管外混凝土之間均采用面面接觸,界面法向采用硬接觸,切向采用庫倫摩擦模型。

        2 模型驗(yàn)證

        利用所建立的模型對(duì)文獻(xiàn)[12]中的鋼管混凝土柱耐火極限實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)算。試件具體情況如表1所示。其中B為鋼管外直徑;ts為鋼管壁厚;L為截面邊長;fc為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度;fy為鋼管的屈服強(qiáng)度;fyb為鋼筋的屈服強(qiáng)度;Nd為試驗(yàn)承載力。構(gòu)件兩端為固定端,試驗(yàn)時(shí)升溫曲線為加拿大設(shè)計(jì)規(guī)程CAN/ULC-S101(1989)。圖2給出本文計(jì)算得到的試件軸向變形(Δ)—受火時(shí)間(t)曲線與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比。各試件實(shí)測(cè)耐火極限tR和計(jì)算值tc在表1給出。計(jì)算結(jié)果總體上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

        表1 試驗(yàn)試件參數(shù)及耐火極限試驗(yàn)結(jié)果[12]Table1 Parameters of test specimens and results of fire resistance testing[12]

        圖2 耐火極限和軸向變形的比較Fig.2 Comparison of fire resistance and axial deformation between the calculated and test results

        3 耐火極限參數(shù)分析

        火災(zāi)作用下,影響耐火極限tR的參數(shù)主要包括:荷載比n(n=No/Nu,No和 Nu分別為方鋼管鋼筋混凝土柱所承擔(dān)的荷載及其常溫極限承載力)、截面邊長B、長細(xì)比λ、荷載偏心率e/r0(其中e為荷載偏心距,r0=B/2)、鋼管的鋼材屈服強(qiáng)度fy、鋼筋屈服強(qiáng)度fyb和混凝土抗壓強(qiáng)度fcu以及配筋率ρ(ρ=Asb/Acore,Asb為鋼筋截面面積,Acore為鋼筋截面面積與核心混凝土截面面積之和)。本節(jié)通過所建立的模型對(duì)相對(duì)兩面受火的方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的影響規(guī)律進(jìn)行參數(shù)分析。

        3.1 荷載比

        如圖3所示為荷載比n對(duì)方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的影響,其中B=400mm、λ=20、e/r0=0、fy=235MPa、fcu=40MPa、fyb=345MPa、ρ=1%~5%、a=0.1(As/Acore,As為鋼管截面面積)、n=0.4~0.8。由圖3可見:(1)荷載比對(duì)方鋼管混凝土柱的耐火極限影響很大,隨著荷載比n的增大,耐火極限降低;反之,隨著荷載比n的降低,構(gòu)件耐火極升高。(2)耐火極限與荷載比近似呈線性關(guān)系。(3)當(dāng)荷載比較小時(shí),其耐火極限已滿足一級(jí)耐火極限(圖中180min虛線所示)要求,說明此時(shí)不需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行防火保護(hù)。

        圖3 荷載比的影響Fig.3 Influence of load ratio

        3.2 截面邊長

        如圖4所示為截面邊長B對(duì)方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的影響,其中n=0.4~0.8、λ=20、e/r0=0、fy=235MPa、fcu=40MPa、fyb=345MPa、ρ=1%、a=0.1、B=200mm~500mm。由圖4可見當(dāng)截面邊長增大,方鋼管鋼筋混凝土柱的耐火極限也隨之增大,且關(guān)系近似為線性。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于截面邊長越大,吸熱能力越強(qiáng),相同火災(zāi)作用時(shí)間下的構(gòu)件整體溫度越低。

        圖4 截面邊長的影響Fig.4 Influence of sectional width

        3.3 長細(xì)比

        如圖5所示為長細(xì)比l對(duì)方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的影響,其中n=0.4~0.8、B=400mm、e/r0=0、fy=235MPa、fcu=40MPa、fyb=345MPa、ρ=1%、a=0.1、λ=20~80??梢姡弘S著長細(xì)比的增大,構(gòu)件耐火極限減小,當(dāng)λ≥30時(shí)構(gòu)件耐火極限開始隨長細(xì)比增大而大幅下降,當(dāng)λ≥60時(shí)構(gòu)件耐火極限受長細(xì)比影響較小。

        3.4 荷載偏心率

        如圖6所示為荷載偏心率(e/r0)對(duì)方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的影響,其中n=0.7、B=400mm、λ=40及λ=80、fy=235MPa、fcu=40MPa、fyb=345MPa、ρ=1%、a=0.1、e/r0=-1~1。由圖可見:當(dāng)λ=40時(shí),荷載偏心對(duì)構(gòu)件變形有較大影響,而當(dāng)λ=80時(shí),長細(xì)比較大,由于二階效應(yīng)對(duì)構(gòu)件變形起控制作用,所以荷載偏心率對(duì)構(gòu)件變形影響相對(duì)較小。

        3.5 材料強(qiáng)度

        如圖7~圖9所示分別為鋼材屈服強(qiáng)度、混凝土立方體抗壓強(qiáng)度及鋼筋屈服強(qiáng)度對(duì)方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的影響,其中n=0.7、B=400mm、λ=40、ρ=1%、a=0.1、e/r0=0、fy=235MPa~420MPa、fcu=30MPa~60MPa fyb=235MPa~420MPa。可見:隨著鋼管鋼材強(qiáng)度的提高,耐火極限略有降低,隨著混凝土強(qiáng)度的提高,耐火極限略有上升。這是因?yàn)槌叵落摴軐?duì)構(gòu)件承載力貢獻(xiàn)較大,而受火時(shí)其強(qiáng)度在高溫作用下?lián)p失較大,混凝土對(duì)構(gòu)件承載力貢獻(xiàn)的規(guī)律則與鋼管相反。鋼筋強(qiáng)度對(duì)構(gòu)件耐火極限影響較小。

        圖5 長細(xì)比的影響Fig.5 Influence of slenderness ratio

        圖6 荷載偏心率的影響Fig.6 Influence of load eccentricity

        3.6 配筋率

        如圖10所示為配筋率對(duì)方鋼管混凝土柱耐火極限的影響,其中n=0.7、B=400mm、e/r0=0、λ=20、fy=235MPa、fcu=40MPa、fyb=345MPa、ρ=1%~5%??梢姡号浣盥蕦?duì)構(gòu)件耐火極限的影響不顯著。

        4 相對(duì)兩面火災(zāi)作用下方鋼管鋼筋混凝土耐火極限簡化公式

        圖7 鋼材屈服強(qiáng)度的影響Fig.7 Influence of yield strength of steel

        圖8 混凝土立方體抗壓強(qiáng)度的影響Fig.8 Influence of compressive strength of concrete

        圖9 鋼筋屈服強(qiáng)度的影響Fig.9 Influence of yield strength of bar

        由上文參數(shù)分析可知,荷載比、截面邊長和長細(xì)比對(duì)方鋼管配筋混凝土耐火極限影響較大。由此,在工程常用范圍內(nèi)取荷載比n=0.4~0.8,截面邊長B=200mm~500mm,含鋼率a=0.05~0.2,配筋率ρ=1%~5%,荷載偏心率e/r0=-1.0~1.0,長細(xì)比λ=20~80,鋼材強(qiáng)度fy=235MPa~420MPa,fyb=235MPa~420MPa,混凝土立方體抗壓強(qiáng)度fcu=30MPa~60MPa,回歸出了火災(zāi)下承載力影響系數(shù)kt的實(shí)用計(jì)算式如下:

        圖10 配筋率的影響Fig.10 Influence of steel bar ratio

        式中t——受火時(shí)間,單位h;λ——長細(xì)比;B——截面邊長,單位m;

        圖11為承載力影響系數(shù)kt采用簡化計(jì)算式(1)的計(jì)算結(jié)果與數(shù)值程序結(jié)果的對(duì)比,可見兩者吻合較好。

        圖11 kt簡化計(jì)算值與數(shù)值計(jì)算值對(duì)比Fig.11 Comparison of ktbetween simplified and numerical results

        只要給出方鋼管鋼筋混凝土柱的受火方式、截面尺寸、長細(xì)比及其耐火極限要求,即可用式(1)計(jì)算出該種火災(zāi)作用下承載力影響系數(shù)kt,進(jìn)而用下式計(jì)算出火災(zāi)下構(gòu)件的承載力:

        此時(shí),只要作用在構(gòu)件上的荷載N不超過火災(zāi)作用下承載力Nu(t),構(gòu)件即滿足其相應(yīng)的耐火極限要求。

        此外,當(dāng)構(gòu)件上的荷載及其常溫承載力已知,構(gòu)件火災(zāi)下承載力降到與荷載相等時(shí)達(dá)到其耐火極限,由此可根據(jù)構(gòu)件的受火方式、截面尺寸、長細(xì)比通過式(1)算出該荷載作用下構(gòu)件的耐火極限,再與構(gòu)件耐火極限限值比較來判定構(gòu)件是否滿足抗火要求。

        5 結(jié)論

        本文利用所建立的相對(duì)兩面火災(zāi)下方鋼管鋼筋混凝土柱力學(xué)分析模型,分析了各參數(shù)對(duì)方鋼管配筋混凝土柱耐火極限的影響,在此基礎(chǔ)上,提出了工程常用范圍內(nèi)相對(duì)兩面火災(zāi)作用下方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的簡化計(jì)算方法。在此研究成果的基礎(chǔ)上可初步得到如下結(jié)論:

        1)荷載比、截面邊長、長細(xì)比是相對(duì)兩面火災(zāi)作用下方鋼管鋼筋混凝土柱耐火極限的主要影響參數(shù),表現(xiàn)為截面邊長越大,荷載比和長細(xì)比越小,構(gòu)件的耐火極限越大。

        2)基于上述參數(shù)分析回歸得到的相對(duì)兩面火災(zāi)作用下方鋼管鋼筋混凝土柱的耐火極限簡化公式,可較為方便地確定裸柱的耐火極限,以供相應(yīng)受火條件下方鋼管鋼筋混凝土柱的抗火設(shè)計(jì)參考。

        [1]Lie TT,Stringer DC.Calculation of the fire resistance of steel hollow structural section columns filled with plain concrete [J].Canadian Journal of Civil Engineering,1994,21(3):382-385.

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        [5]楊華.三面火災(zāi)作用下方鋼管混凝土柱抗火性能與設(shè)計(jì)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士后出站報(bào)告.2006.

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