李毅 王志濱??

摘要：在提出火災全過程各階段中鋼管和核心混凝土應力應變關(guān)系模型的基礎(chǔ)上，采用有限元軟件ABAQUS中的熱應力耦合分析模塊計算了ISO-834標準火災全過程作用后圓鋼管混凝土軸壓短柱的荷載變形關(guān)系曲線，計算結(jié)果和試驗結(jié)果基本吻合.對火災全過程中圓鋼管混凝土軸壓短柱的荷載變形關(guān)系、鋼管和核心混凝土的截面應力分布以及兩者之間的相互作用進行了分析，探討了升溫時間、初始荷載、截面含鋼率、鋼材強度、混凝土強度、防火保護層厚度和截面尺寸等參數(shù)對圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的影響規(guī)律，最終提出了圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的簡化計算公式.

關(guān)鍵詞：鋼管混凝土；短柱；火災全過程；剩余承載力；有限元分析；簡化計算

中圖分類號： TU398.9文獻標識碼：A

隨著鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的廣泛應用和高層建筑火災事故的日益增多，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的抗火性能研究越來越受到人們的重視，對火災后鋼管混凝土柱殘余力學性能的研究也在不斷深入.霍靜思等[1]對高溫后鋼管混凝土抗沖擊性能進行了試驗研究；Han和Huo[2]提出了未受初始荷載的火災后鋼管混凝土長柱的剩余承載力簡化計算方法；Yang等[3]采用纖維模型法對鋼管混凝土長柱進行了火災全過程分析，提出了適用于存在初始荷載作用的火災后鋼管混凝土長柱剩余承載力的預測方法.軸壓短柱是建筑結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)件之一， 林曉康[4]和余鑫對火災后的鋼管混凝土軸壓短柱進行了試驗研究；Han等[6]和Tao等[7]報道了火災后的軸壓短柱試驗；Huo等[8]對承受初始荷載的圓鋼管混凝土軸壓短柱在經(jīng)歷恒高溫作用后的力學性能進行了試驗研究；Song等[9]采用順序耦合的熱應力分析方法對鋼管混凝土軸壓短柱進行了火災全過程分析.試驗研究和理論分析的最終目的是為工程設(shè)計提供可靠參考，而對于如何評估火災后軸壓短柱的剩余承載能力，目前尚未見相關(guān)報道.

本文采用有限元軟件ABAQUS對圓鋼管混凝土軸壓短柱進行火災全過程分析，采用完全耦合的熱力分析模塊建立考慮火災全過程影響的圓鋼管混凝土軸壓短柱的有限元計算模型，對火災全過程中圓鋼管混凝土軸壓短柱的工作機理進行深入研究，對火災后圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的影響參數(shù)進行比較分析，最后提出火災后圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的簡化計算方法.

1有限元計算模型

1.1溫度作用曲線

目前火災試驗多采用國際標準化組織建議的ISO-834室內(nèi)環(huán)境溫度曲線[10]，如圖1所示，th為升溫時間，根據(jù)實際火災情況確定，tp為室內(nèi)溫度降至常溫的時間.標準化室內(nèi)環(huán)境溫度曲線雖不能真實反映火災全過程中室內(nèi)環(huán)境溫度的變化，但可為結(jié)構(gòu)抗火研究提供統(tǒng)一標準，使大量火災試驗結(jié)果具有可比性.

湖南大學學報（自然科學版）2015年

第9期李毅：圓鋼管混凝土短柱的火災后剩余承載力研究

ISO-834室內(nèi)環(huán)境溫度曲線中未給出火災后構(gòu)件內(nèi)部溫度恢復至常溫的終點時刻tr，在采用有限元軟件ABAQUS計算構(gòu)件截面溫度場時發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件內(nèi)部溫度的變化不僅與室內(nèi)環(huán)境溫度變化有關(guān)，還與構(gòu)件截面尺寸及防火保護層厚度有關(guān).本文根據(jù)有限元計算結(jié)果，以升溫時間、截面尺寸和防火保護層厚度為自變量，通過多元非線性回歸得到了tr的計算公式如下：

4結(jié)論

1） 采用本文提出的高溫中、高溫后以及降溫階段的鋼材和核心混凝土應力應變關(guān)系，基于完全耦合的熱力分析方法對圓鋼管混凝土軸壓短柱進行火災全過程分析是可行的.

2） 火災全過程中核心混凝土和鋼管的縱向應力分布主要與截面溫度場分布有關(guān).火災中鋼管與核心混凝土之間產(chǎn)生分離，鋼管對核心混凝土的約束作用消失；當室內(nèi)環(huán)境溫度降至常溫后，鋼管開始對核心混凝土產(chǎn)生約束作用.

4） 影響火災后圓鋼管混凝土軸壓短柱剩余承載力的主要參數(shù)為：受火時間、防火保護層厚度和截面尺寸.

5） 按本文提出的簡化計算公式計算的結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，可為有關(guān)工程設(shè)計提供參考.

參考文獻

[1]霍靜思， 何遠明， 肖莉平， 等. 高溫后鋼管混凝土抗多次沖擊力學性能試驗研究[J]. 湖南大學學報：自然科學版， 2012， 39（9）：6-10.

HUO Jingsi，HE Yuanming，XIAO Liping，et al.Experimental study on the dynamic behavior of concretefilled steel tube after exposure to high temperatures under multiple impact loadings[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2012， 39（9）： 6-10. （In Chinese）

[2]HAN L H， HUO J S. Concretefilled hollow structural steel columns after exposure to ISO-834 fire standard[J]. Journal of Structural Engineering， 2003， 129（1）：68-78.

[3]YANG H， HAN L H， WANG Y C. Effects of heating and loading histories on postfire cooling behaviour of concretefilled steel tubular columns[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2008， 64（5）： 556-570.

[4]林曉康. 火災后鋼管混凝土壓彎構(gòu)件的滯回性能研究[D]. 福州： 福州大學土木工程學院， 2006： 43-47.