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(安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽 合肥 230000)

0 引 言

近年來，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)大量引入到工業(yè)與民用結(jié)構(gòu)中，但是由于火災(zāi)導(dǎo)致的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)的破壞也經(jīng)常發(fā)生，因此需要對(duì)鋼管混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的抗火研究。高溫(火災(zāi))下，鋼材的物理、力學(xué)性能會(huì)發(fā)生比較大的變化，因此包裹核心素混凝土的鋼管會(huì)發(fā)生破壞[1]，而當(dāng)鋼管破壞后，內(nèi)部的核心素混凝土在荷載和高溫的作用下就會(huì)發(fā)生損壞，從而導(dǎo)致整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞。為了避免高溫(火災(zāi))下鋼管混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，必須開展鋼管混凝土異形柱在高溫(火災(zāi))下的力學(xué)性能相關(guān)的研究。

1 高溫(火災(zāi))下T形截面鋼管混凝土柱軸壓承載力計(jì)算

1.1 截面疊加法

截面疊加法是在疊加理論的基礎(chǔ)上提出一種T形柱承載力計(jì)算方法，主要思路是：將T形截面柱劃分為兩個(gè)矩形柱(如圖1所示)，然后利用已知的矩形鋼管混凝土柱在高溫火災(zāi)下的承載力計(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)算。

圖1

具體做法是在T形截面劃分為A1和A2兩個(gè)矩形后，分別計(jì)算出A1與A2柱在高溫火災(zāi)情況下的軸壓承載力，然后根據(jù)疊加理論可以得到T形截面鋼管混凝土柱在高溫火災(zāi)下軸壓承載力Nu計(jì)算公式[4]：

Nu(t)=αKt1Nu1+βKt2Nu2

(1)

式中:Nu1為常溫下矩形鋼管混凝土柱A1的軸壓承載力；Nu2為常溫下矩形鋼管混凝土柱A2的軸壓承載力；Kt1為高溫火災(zāi)下鋼管混凝土柱A1的承載力影響系數(shù)；Kt2為高溫火災(zāi)下鋼管混凝土柱A2的承載力影響系數(shù)；α、β為分別為A1、A2矩形柱的承載力調(diào)整系數(shù)。

針對(duì)研究的由兩個(gè)矩形截面鋼管焊組合形成的T形截面鋼管混凝土柱.根據(jù)武漢大學(xué)徐禮華教授[5]和哈爾濱工業(yè)大學(xué)呂學(xué)濤教授[6]的研究表明，采用截面疊加法計(jì)算組合T形截面柱時(shí)調(diào)整系數(shù)與值可不考慮，因此，組合T形鋼管混凝土柱在高溫下的軸壓承載力簡(jiǎn)化計(jì)算公式為：

Nu(t)=Kt1Nu1+Kt2Nu2

(2)

1.2 理論計(jì)算

1.2.1 計(jì)算尺寸

文中的T形柱是由兩個(gè)矩形截面鋼管焊接組合形成的T形鋼管混凝土柱，柱的高度為3810mm，且采用C40混凝土以及Q235B鋼板，鋼板厚度為5mm，柱截面尺寸為B×H=600mm×600mm，柱翼緣高度hf為400mm，腹板高度為200mm，柱的受火高度取柱的長度，即3810mm。具體尺寸如下圖2所示。

圖2 T形柱截面尺寸

1.2.2 理論解

應(yīng)用公式(2)進(jìn)行計(jì)算，其中Kt1，Kt2的取值參考文獻(xiàn)[7],Nu1，Nu2的取值參考文獻(xiàn)[8]。計(jì)算結(jié)果見表1所示。

表1 在不同受火時(shí)間下的軸壓承載力值(kN)

由表1可知，受火前45min，T形鋼管混凝土柱的軸壓承載力迅速下降，說明此時(shí)的外部荷載都是由外層鋼管來承擔(dān)；45min以后T形鋼管混凝土柱的軸壓承載力下降速率逐漸穩(wěn)定，說明這個(gè)階段T形截面鋼管混凝土柱的外層鋼管已全部退出工作了，外部荷載都是由鋼管內(nèi)部混凝土來承擔(dān)。

2 高溫(火災(zāi))下T形截面鋼管混凝土柱有限元分析

2.1 有限元模型

建立的有限元模型[9]如下圖3、4所示，本模型的T形截面鋼管混凝土底部、頂部均為鉸接。柱沿高度方向可自由移動(dòng)，荷載施加在柱部，方向?yàn)檠刂母叨蓉Q直向下。

圖3 有限元模型示意圖

圖4 有限元模型網(wǎng)格劃分示意圖

圖5 柱表面溫度分布

2.2 熱-力耦合分析

對(duì)T形截面鋼管混凝土柱有限元模型進(jìn)行熱力耦合處理，模擬T形截面鋼管混凝土柱在不同受火時(shí)間下沿高度方向的位移變化情況。

2.2.1 熱分析

圖5為有限元模擬的鋼管混凝土柱腹板中部的表面溫度與加拿大Lie[10]做的四面受火的方鋼管混凝土試件表面溫度試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情況，由圖可以看出兩者整體上吻合的較好，間接證明了研究建立的有限元模型在高溫火災(zāi)下的溫度場(chǎng)準(zhǔn)確性較好。

2.2.2 結(jié)構(gòu)分析

將材料單元由solid70單元轉(zhuǎn)換成solid186單元，然后導(dǎo)入溫度文件“*.rth”，并施加結(jié)構(gòu)荷載與約束。為了得出T形柱在不同溫度下的承載力情況，結(jié)構(gòu)分析的施加的荷載值要根據(jù)時(shí)間的變化而變化，不同受火時(shí)間下的施加荷載值采用理論計(jì)算的承載力值。通過結(jié)構(gòu)分析可得不同受火時(shí)間下沿高度方向位移變化情況如下圖6所示。

圖6 不同受火時(shí)間下沿高度方向位移變化情況

根據(jù)圖6可以看出當(dāng)上部施加荷載時(shí)，鋼管混凝土柱最新破壞的位置大約在柱高的3/5處，此部位的橫向位移值最大。柱在受火時(shí)間為15min、30min、45min、60min、90min、120min時(shí)的軸壓最大壓縮量分別為34.796mm、37.413mm、39.622 mm、41.515 mm、43.371 mm、45.234 mm。將有限元數(shù)值分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出下表2所示。

表2 不同受火時(shí)間相應(yīng)荷載作用下柱的軸向壓縮變形情況

由表2可以看出，當(dāng)受火時(shí)間為1800s時(shí)，柱的軸向變形的最大值為37.413mm；當(dāng)受火時(shí)間為2700s時(shí)，柱的軸向變形的最大值為39.622mm；由參考文獻(xiàn)[4]中的判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)達(dá)到臨界溫度時(shí)，此時(shí)柱的軸向壓縮變形達(dá)到構(gòu)件受火高度的1/100即38.10mm，說明柱的臨界溫度出現(xiàn)在1800s-2700s之間。

3 結(jié) 論

總結(jié)了T形截面鋼管混凝土柱的計(jì)算方法及計(jì)算公式，并結(jié)合有限元方法進(jìn)行數(shù)值分析，主要得出如下結(jié)論：

1)由表1可以看出火災(zāi)前45minT形鋼管混凝土柱由于鋼管裸露受火后承載力迅速下降，因此T形鋼管混凝土柱設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮涂防火材料。

2)在模擬的高溫火災(zāi)環(huán)境下，T形截面柱的軸向變形逐漸增加，T形截面柱的臨界溫度出現(xiàn)在1800s-2700s之間。

3)從軸向變形的變化率來看，隨著受火時(shí)間不斷增加，T形柱軸向變形的速度在不斷減緩，可認(rèn)為T形截面鋼管混凝土柱在高溫火災(zāi)下的承載力理論計(jì)算值與臨界荷載值的差異逐漸減小，驗(yàn)證了該方法的可行性。