孫 浩

Equipment technology 裝備技術(shù)

高溫下配筋鋼管混凝土T形柱軸壓承載力計(jì)算

孫 浩

（合肥職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 238000）

采用截面疊加理論對(duì)配筋鋼管混凝土T形柱進(jìn)行研究，提出了T形截面配筋鋼管混凝土柱在高溫下軸壓承載力理論計(jì)算簡(jiǎn)式，并建立T形截面配筋鋼管混凝土柱有限元模型，將有限元分析結(jié)果與理論計(jì)算公式對(duì)比，驗(yàn)證了理論公式的正確性，為T(mén)形截面配筋鋼管混凝土柱抗火設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)，對(duì)工程設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

鋼管混凝土；異形柱；有限元；承載力

0 前言

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)的建筑行業(yè)飛速發(fā)展，城市的建設(shè)規(guī)模越來(lái)越大，高層建筑猶如雨后春筍在各大城市拔地而起，鋼管混凝土異形柱結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)形式，兼具鋼筋混凝土異形柱和鋼管混凝土柱兩種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)勢(shì)，不但能提高承載力，改善結(jié)構(gòu)的耐火能力、塑性變形能力，同時(shí)能夠防止建筑內(nèi)部凸角柱的出現(xiàn)，有效增加了建筑室內(nèi)空間的利用效率，因此在建筑設(shè)計(jì)中被廣泛地采用。

鋼管混凝土T形柱是截面為T(mén)形的鋼管混凝土異形柱，通常用在邊柱的設(shè)計(jì)。配筋鋼管混凝土T形柱的制作可通過(guò)將兩個(gè)矩形截面薄壁鋼管焊成T形截面鋼柱，并在鋼柱中配置縱筋和箍筋，再將砼澆筑到鋼柱中。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近10年我國(guó)平均每年發(fā)生262萬(wàn)起火災(zāi)，平均每天700多起，平均每年有2500多人因火災(zāi)而傷亡，由火災(zāi)造成的經(jīng)濟(jì)損失規(guī)模超過(guò)千億元，并且目前火災(zāi)的規(guī)模和危害具有日益擴(kuò)大化的趨勢(shì)，在國(guó)家大力倡導(dǎo)采用鋼結(jié)構(gòu)的大背景下，開(kāi)展結(jié)構(gòu)抗火性能研究十分必要且迫切。實(shí)驗(yàn)研究表明，在鋼管混凝土內(nèi)部核心混凝土中設(shè)置縱向鋼筋和構(gòu)造箍筋可以有效提高T形截面配筋鋼管混凝土柱的抗火能力，本文通過(guò)理論研究和有限元分析，提出了配筋鋼管混凝土T形截面柱在火災(zāi)環(huán)境下的軸心受壓承載力計(jì)算簡(jiǎn)式，并結(jié)合典型算例驗(yàn)證了公式的合理性。

1 理論分析

1.1 配筋鋼管混凝土T形柱在常溫環(huán)境下的軸心受壓承載力計(jì)算

配筋鋼管混凝土T形柱相對(duì)于普通鋼管混凝土柱，其特點(diǎn)是在T形鋼管的內(nèi)部混凝土中配置了縱向鋼筋，因此其軸心受壓承載力是通過(guò)T形截面鋼管、內(nèi)置縱筋以及內(nèi)部核心混凝土共同承擔(dān)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]的研究成果可知，配筋鋼管混凝土柱比不配置縱筋的鋼管混凝土柱的軸心受壓承載力大，多出的那部分軸心受壓承載力可看作是配置縱筋貢獻(xiàn)的，因此配筋鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力計(jì)算簡(jiǎn)式為：

式中：Nu為配筋鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力，Nu0為普通鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力；Ayr為配置縱筋的總截面面積；fyr為鋼筋的屈服強(qiáng)度；

1.2 高溫下配筋T形截面鋼管混凝土柱軸壓承載力計(jì)算方法

故高溫下鋼管混凝土T形柱的軸心受壓承載力Nu(t)計(jì)算簡(jiǎn)式可表示為：

鋼管的熱傳導(dǎo)性能要遠(yuǎn)高于混凝土, 故在高溫火災(zāi)環(huán)境下，鋼管混凝土T形柱中鋼管的溫度上升速度比混凝土高很多,當(dāng)火災(zāi)溫度超過(guò)600度時(shí)，外部的鋼管基本全部軟化并退出工作，核心混凝土將承擔(dān)全部荷載，因此鋼管混凝土T形柱與鋼筋混凝土柱在高溫環(huán)境下的破壞形態(tài)是接近一致的。根據(jù)參考文獻(xiàn)[5]的相關(guān)研究，鋼筋混凝土柱與相同截面尺寸的鋼管壁厚不超過(guò)10毫米的配筋鋼管混凝土柱的溫度場(chǎng)幾乎完全一致。

此外，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4,6，7]的相關(guān)研究，可采用強(qiáng)度折減系數(shù)Kyr(t)來(lái)表示配筋鋼管混凝土中縱筋在高溫火災(zāi)環(huán)境下的強(qiáng)度衰減程度，Kyr(t)主要與縱筋外的混凝土保護(hù)層厚度c有關(guān)，c越大，Kyr(t)下降速度越慢，Kyr(t)的計(jì)算公式可表示為：

式中：t為受火時(shí)間，單位為小時(shí)；c為縱筋外層混凝土的厚度，單位為毫米。

因此，配筋鋼管混凝土T形柱在高溫火災(zāi)環(huán)境下的軸心受壓承載力Nu計(jì)算簡(jiǎn)式可表示為：

式中：λ為柱的長(zhǎng)細(xì)比。

3 有限元分析

3.1 建立有限元模型

利用ansys有限元軟件建立配筋鋼管混凝土T形柱的有限元模型，模型尺寸下圖1所示，柱內(nèi)部配置14Φ16縱筋，箍筋為Φ8@200，縱筋外層混凝土保護(hù)層厚度為20mm。

通過(guò)熱分析得出配筋鋼管混凝土T形柱的溫度分布圖，并將柱腹板的不同區(qū)域的表面溫度與加拿大Lie[8]做高溫火災(zāi)環(huán)境下的鋼管混凝土柱試件的表面溫度的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，兩者相互吻合良好，間接證明了所建立的有限元模型和模擬的火災(zāi)溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確性。

3.2 結(jié)果分析

對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載與約束，并進(jìn)行分析，得出鋼管混凝土T形柱在不同受火時(shí)間下的軸心受壓承載力情況，同時(shí)采用ISO-834國(guó)際破壞判斷準(zhǔn)則[9]，即認(rèn)為在受火時(shí)間為t時(shí)，當(dāng)配筋鋼管混凝土T形柱的軸向壓縮變形超過(guò)受火高度的0.1%時(shí)，則判定柱已破壞，此時(shí)柱所承受的荷載即為受火時(shí)間t下的軸心受壓承載力。按照此判斷準(zhǔn)則將理論計(jì)算結(jié)果與有限元模擬結(jié)果對(duì)比分析，結(jié)果如下表所示。

表 不同受火時(shí)刻和相應(yīng)荷載作用下鋼管混凝土T形柱的軸向變形

受火時(shí)間(分鐘)1530456090120 荷載比0.770.450.250.180.140.1 模擬軸向變形（毫米）34.8137.3939.5841.4943.4145.21 誤 差（%）-8.68-1.813.988.979.6613.84

通過(guò)對(duì)比分析可得，受火時(shí)間在90分鐘內(nèi)時(shí)，理論公式計(jì)算與有限元模擬結(jié)果相互吻合的較好，證明了提出的理論計(jì)算簡(jiǎn)式在一定范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)論

本文基于疊加理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)大量理論分析研究提出了配筋T形截面鋼管混凝土柱在高溫火災(zāi)環(huán)境下的軸心受壓承載力計(jì)算簡(jiǎn)式，并利用ansys軟件建立有限元模型進(jìn)行有限元分析，通過(guò)典型算例將理論計(jì)算結(jié)果與有限元分析結(jié)果對(duì)比，兩者相互吻合的較好，驗(yàn)證了提出的理論簡(jiǎn)式的正確性，為進(jìn)一步研究異形截面鋼管混凝土柱抗火性能和工程實(shí)際應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù),具有一定的參考價(jià)值。

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