劉 曉, 賀海陽, 楊 佳, 回彥川,2, 王 杰

(1. 沈陽大學(xué) a. 建筑工程學(xué)院, b. 沈陽市民用建筑智慧防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 沈陽 110044;2. 武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 湖北 武漢 430072)

高強(qiáng)鋼一般指屈服強(qiáng)度超過460 MPa的鋼材,在鋼管混凝土的基礎(chǔ)上改變鋼材強(qiáng)度就成了高強(qiáng)鋼管混凝土。鋼管混凝土(concrete-filled steel tube, CFST)構(gòu)件是指在鋼管中填充混凝土而形成的組合構(gòu)件。按截面形式的不同可以分為矩形截面、圓形截面和多邊形截面鋼管混凝士結(jié)構(gòu),其中圓形截面和矩形截面鋼管混凝士結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛[1]?；馂?zāi)下,鋼材的材料性質(zhì)會(huì)隨著表面溫度的不斷升高而逐漸劣化,而核心混凝土一方面可以吸收來自外鋼管的熱量使其升溫滯后,另一方面可以承擔(dān)外鋼管卸載下來的載荷。當(dāng)鋼管混凝土柱承受的載荷相同時(shí),采用高強(qiáng)鋼管比采用普通鋼管更能提高耐火極限。

國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者對(duì)鋼管混凝土均勻受火的耐火極限進(jìn)行了一系列的研究:李坤等[2]對(duì)影響鋼管混凝土柱耐火極限的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了分析;侯景軍[3]建立了軸心受壓鋼管混凝土柱有限元模型,并分析了柱的長(zhǎng)度、鋼材屈服強(qiáng)度、柱截面尺寸等參數(shù)對(duì)構(gòu)件耐火極限的影響;宋天詣等[4]對(duì)不同組合結(jié)構(gòu)的耐火極限研究成果進(jìn)行了歸納,并進(jìn)行了深層次的研究和展望;王志濱等[5]研究了異形鋼管混凝土柱的耐火極限,同時(shí)分析了截面形狀、保護(hù)層厚度和保護(hù)層種類等參數(shù)對(duì)耐火極限的影響。

本文利用ABAQUS有限元軟件對(duì)高強(qiáng)鋼管混凝土的耐火極限進(jìn)行模擬,分析混凝土強(qiáng)度、鋼材屈服強(qiáng)度、載荷比和外鋼管壁厚等對(duì)火災(zāi)下高強(qiáng)鋼管混凝土耐火性能的影響。

1 有限元模型建立

采用相繼熱力耦合的方法,運(yùn)用ABAQUS軟件建立高強(qiáng)鋼管混凝土構(gòu)件的有限元分析模型。先對(duì)鋼管和核心混凝土選擇合適的熱工參數(shù),建立正確的溫度場(chǎng)模型,再選擇高溫下鋼材和混凝土的本構(gòu)關(guān)系,最后將溫度場(chǎng)得到的節(jié)點(diǎn)溫度導(dǎo)入到力場(chǎng)模型的預(yù)定義場(chǎng)中進(jìn)行耐火極限的計(jì)算。

1.1 溫度場(chǎng)建立

本文致力于研究火災(zāi)下高強(qiáng)鋼管混凝土的耐火極限,首先需要建立溫度場(chǎng)模型,通過比對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于溫度場(chǎng)的研究,最終選擇Lie等[6]提出的溫度場(chǎng)熱工模型來建立溫度場(chǎng)。火災(zāi)模型選取ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。

建模時(shí)核心混凝土和蓋板采用實(shí)體單元,外鋼管采用殼體單元,殼體厚度用9個(gè)辛普森積分點(diǎn)提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。高強(qiáng)鋼管混凝土柱網(wǎng)格劃分如圖1(b)～圖1(d)所示,分析步設(shè)為熱傳遞,鋼管外表面考慮熱對(duì)流和熱輻射,參考?xì)W洲規(guī)范的建議,受火面對(duì)流換熱系數(shù)為25 W·(m2·k)-1;綜合輻射系數(shù)為0.5;玻爾茲曼常數(shù)為5.67×10-8W·(m2·k4)-1; 鋼管與混凝土之間采用綁定約束,鋼管與端板采用殼與實(shí)體單元接觸[7]。鋼管采用4節(jié)點(diǎn)殼單元, 混凝土和蓋板采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元。

在預(yù)定義場(chǎng)中

整個(gè)模型選擇初始溫度為20 ℃,溫度場(chǎng)中熱輻射和熱對(duì)流的布置參考圖1(a)。

1.2 應(yīng)力場(chǎng)建立

應(yīng)力場(chǎng)模型可以先把溫度場(chǎng)復(fù)制后進(jìn)行修改,這里面的核心步驟是把溫度場(chǎng)輸出的文件導(dǎo)入預(yù)定義場(chǎng)中。溫度場(chǎng)的分析步時(shí)間要和應(yīng)力場(chǎng)一致,保證整個(gè)受火階段的溫度都要導(dǎo)入,最后通過加載點(diǎn)的位移來計(jì)算它的耐火極限。在建立應(yīng)力場(chǎng)模型時(shí)可以參考文獻(xiàn)[8]的設(shè)置,即外鋼管和混凝土的相互作用由法線方向的硬接觸和切線方向的庫倫摩擦模型構(gòu)成,其中摩擦系數(shù)取為0.6較合適。劃分網(wǎng)格要和溫度場(chǎng)模型保持一致,所有的部件單元類型設(shè)置為3維應(yīng)力。

為了讓計(jì)算更符合工程實(shí)際,選擇合適的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型顯得尤為重要。高強(qiáng)鋼管混凝土柱在火災(zāi)下的耐火極限計(jì)算主要經(jīng)歷常溫和升溫2個(gè)階段,下面是2個(gè)階段的本構(gòu)模型。

1) 常溫階段。常溫階段的鋼材本構(gòu)可以參考韓林海[9]提出的雙折線模型。由于高強(qiáng)鋼材在常溫階段無明顯屈服平臺(tái),因此采用如圖2的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系保證此模型具有較好的計(jì)算精度。核心混凝土在常溫階段采用韓林海[9]提出的約束混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變模型(20 ℃),而鋼管與混凝土之間的相互作用關(guān)系可以通過約束效應(yīng)系數(shù)來考慮。

圖2 鋼材的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.2 Stress-strain relationship curves of steel

2) 升溫階段。在這一階段,文獻(xiàn)[10]中高溫下的鋼材應(yīng)力-應(yīng)變模型效果更為明顯,能夠順利模擬出鋼材在火災(zāi)下的力學(xué)性能。其中鋼材的泊松比基本不隨溫度變化,其值為0.3。升溫階段下的核心混凝土本構(gòu)模型參考韓林海[9]提出的約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變模型。

2 模型驗(yàn)證

利用ABAQUS對(duì)于文獻(xiàn)[11-12]中的試件進(jìn)行模擬,建立相應(yīng)的溫度場(chǎng)和耐火極限模型,分別驗(yàn)證模型的正確性。試件主要參數(shù)如表1,其中:Bo為外鋼管的直徑;to為外鋼管的壁厚;L為柱高;fyo為鋼材的屈服強(qiáng)度;fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度;N為施加在試驗(yàn)構(gòu)件上的固定載荷;n為載荷比;tr為耐火極限試驗(yàn)值;t為通過有限元模擬計(jì)算得到的耐火極限值。

表1 試件參數(shù)Table 1 The parameters of the specimen

對(duì)表1試件C09和SQ01分別進(jìn)行溫度場(chǎng)分析,圖3是高強(qiáng)鋼管混凝土柱截面形狀的測(cè)點(diǎn),圖3(a)中測(cè)點(diǎn)1是鋼管外表面,測(cè)點(diǎn)4是混凝土內(nèi)部中心點(diǎn),測(cè)點(diǎn)2和測(cè)點(diǎn)3均勻分布在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)4之間。圖3(b)中5個(gè)測(cè)點(diǎn)將鋼管外表面到中心點(diǎn)的距離均勻分成4份。圖4為溫度場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)、曲線與建模計(jì)算對(duì)比,由圖4可見,用ABAQUS模擬得到的溫度測(cè)點(diǎn)-時(shí)間曲線與試驗(yàn)測(cè)得的溫度測(cè)點(diǎn)-時(shí)間曲線比較接近,所以可以用ABAQUS來模擬試件的溫度場(chǎng)。

圖3 高強(qiáng)鋼管混凝土柱截面形狀的測(cè)點(diǎn)Fig.3 Point measurement of the cross-sectional shape of high-strength steel pipe concrete column

圖4 溫度場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)曲線與建模計(jì)算對(duì)比Fig.4 Comparison of the temperature field test point curve with the modeling calculation

對(duì)表1中4個(gè)試件進(jìn)行耐火極限建模分析計(jì)算,圖5所示為鋼管混凝土柱耐火極限實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比情況,從中可以看出4個(gè)試件都比較吻合,C09前期的膨脹較大,曲線開始下降的時(shí)間也比較晚,但是整體來看大體趨勢(shì)較為相似。S7和S10前期膨脹得早,后期曲線下降得也早。模擬得到的耐火極限與試驗(yàn)值二者比值的平均值為1.01,均方差為0.01,可見二者總體上相差不大,所以可以用ABAQUS來模擬試件的耐火極限。

(a) C09(b) SQ01

3 溫度場(chǎng)分析

以1根柱長(zhǎng)為1 m的圓形鋼管混凝土柱為例進(jìn)行溫度場(chǎng)分析,鋼材屈服強(qiáng)度為460 MPa,核心混凝土抗壓強(qiáng)度為30 MPa。外鋼管直徑為200 mm,壁厚為3 mm,升溫時(shí)間是180 min。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行截面溫度分析,其中測(cè)點(diǎn)1是鋼管外表面,測(cè)點(diǎn)3是內(nèi)部混凝土中心的點(diǎn),測(cè)點(diǎn)2在測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)3中間。根據(jù)圖6可知鋼管混凝土前期溫度升高較快,后期溫度升高逐漸變慢。從位置來看,測(cè)點(diǎn)1溫度高于測(cè)點(diǎn)2,測(cè)點(diǎn)2溫度又高于測(cè)點(diǎn)3,可見測(cè)點(diǎn)溫度隨著距離鋼管外表面的加大而降低。

圖6 柱截面不同測(cè)點(diǎn)的受火時(shí)間溫度曲線

圖7為混凝土截面溫度場(chǎng)分布趨勢(shì),由圖7可知,從混凝土外側(cè)到中間點(diǎn)溫度先均勻降低后下降速度逐漸變慢,混凝土最高溫度1 088 ℃、最低溫度612 ℃。溫度從外到內(nèi)逐漸降低,一方面是因?yàn)榛炷廖鼰?另一方面也受到混凝土中水蒸氣的影響。

圖7 混凝土截面溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)

4 參數(shù)分析

火災(zāi)下均勻受火的高強(qiáng)鋼管混凝土柱的耐火極限受鋼材屈服強(qiáng)度fy、混凝土抗壓強(qiáng)度fcu、載荷比n、外鋼管壁厚to等參數(shù)的影響。有限元模型參數(shù)如表2所示。

表2 有限元模型參數(shù)Table 2 Finite element model parameters

4.1 混凝土抗壓強(qiáng)度

對(duì)G1、G2、G3等3組模型進(jìn)行對(duì)比分析,來研究不同混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)耐火極限的影響。不同混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)耐火極限的影響如圖8所示。當(dāng)載荷比為0.3時(shí),從30 MPa到40 MPa再到50 MPa耐火極限分別增加25%和34%;當(dāng)載荷比為0.4時(shí),耐火極限分別提高26.1%和29.3%;當(dāng)載荷比為0.5時(shí),耐火極限分別提高26.4%和23.2%。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)其他參數(shù)不變而僅改變混凝土強(qiáng)度時(shí),耐火極限數(shù)值呈遞增趨勢(shì),即隨混凝土抗壓強(qiáng)度的不斷增加而增加。一方面,核心混凝土強(qiáng)度變化也會(huì)影響極限承載力數(shù)值,即隨核心混凝土強(qiáng)度的提高,常溫下構(gòu)件的極限承載力數(shù)值分別增加了6.5%和6.4%,可見核心混凝土強(qiáng)度的提高對(duì)常溫極限承載力貢獻(xiàn)極小;另一方面,隨著核心混凝土強(qiáng)度的提高,構(gòu)件可以承受更多鋼管卸載的載荷。因此,通過提高核心混凝土的抗壓強(qiáng)度也可以提高耐火極限,并且效果比較明顯。

圖8 不同混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)耐火極限的影響Fig.8 The effect of different concrete compressive strengths on fire resistance limits

4.2 鋼材屈服強(qiáng)度

對(duì)G2、G4、G5等3組模型進(jìn)行對(duì)比分析,來研究鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)耐火極限的影響。不同鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)耐火極限的影響曲線如圖9所示。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)只改變鋼材的屈服強(qiáng)度而保持其他參數(shù)不變時(shí),耐火極限數(shù)值呈降低趨勢(shì),即隨鋼材的屈服強(qiáng)度的升高而降低。屈服強(qiáng)度數(shù)值從460 MPa升至590 MPa和690 MPa時(shí):當(dāng)載荷比為0.3時(shí),耐火極限分別下降了9.5%和10%;當(dāng)載荷比為0.4時(shí),耐火極限分別下降10.3%、13.5%;當(dāng)載荷比為0.5時(shí),耐火極限分別下降9.3%、20.5%。分析發(fā)現(xiàn),隨著鋼材屈服強(qiáng)度的增加,高強(qiáng)鋼管混凝土的極限承載力分別增加了16.2%和9.5%。可以看出,鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)常溫下試件的極限承載力有很大影響。在相同載荷比的火災(zāi)情況下試件會(huì)受到更大的載荷,鋼材屈服強(qiáng)度的增加變相增加了作用在核心混凝土上的載荷。所以鋼材屈服強(qiáng)度與耐火極限成反比,增加鋼材屈服強(qiáng)度反而會(huì)降低耐火極限,并且隨著鋼材屈服強(qiáng)度的提高耐火極限的下降趨勢(shì)會(huì)逐漸變大。

圖9 不同鋼材屈服強(qiáng)度對(duì)耐火極限的影響Fig.9 The effect of the yield strength of different steels on the limit of fire resistance

4.3 載荷比

載荷比是火災(zāi)下高強(qiáng)鋼管混凝土柱受到的恒定載荷與常溫下受到的極限承載力的比值。對(duì)G1、G2、G3等3組高強(qiáng)鋼管混凝土模型進(jìn)行對(duì)比分析,不同載荷比對(duì)耐火極限的影響如圖10所示。當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度為30 MPa,載荷比從0.3到0.4再到0.5時(shí)耐火極限分別下降17.8%、26.0%;當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度為40 MPa時(shí),載荷比從0.3到0.4再到0.5時(shí)耐火極限分別下降17.1%、25.5%;當(dāng)混凝土抗壓強(qiáng)度為50 MPa時(shí),載荷比從0.3到0.4再到0.5時(shí)耐火極限分別下降20.2%、29.3%。研究發(fā)現(xiàn),耐火極限隨載荷比的增加而降低,因?yàn)殡S著載荷比的增大,作用在受火構(gòu)件上的載荷也增加,構(gòu)件達(dá)到耐火極限所需的時(shí)間減少。

圖10 不同載荷比對(duì)耐火極限的影響Fig.10 The effect of different load ratios on the limits of fire resistance

4.4 外鋼管壁厚

對(duì)G2、G6、G7等3組高強(qiáng)鋼管混凝土模型進(jìn)行分析,外鋼管壁厚選用3 mm、5 mm、8 mm等3種,不同外鋼管壁厚對(duì)耐火極限的影響曲線如圖11所示。外鋼管壁厚從3 mm到5 mm再到8 mm時(shí):當(dāng)載荷比為0.3時(shí),耐火極限分別下降31.4%、6.3%;當(dāng)載荷比為0.4時(shí),耐火極限分別下降41.3%、62.5%;當(dāng)載荷比為0.5時(shí),耐火極限分別下降58.1%、11.1%。

圖11 不同外鋼管壁厚下的耐火極限Fig.11 The limit of fire resistance under different outer steel pipe wall thicknesses

5 結(jié) 論

建立了高強(qiáng)鋼管混凝土耐火極限有限元模型,對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該模型的正確性。得到結(jié)論如下:

1) 耐火極限數(shù)值會(huì)隨核心混凝土抗壓強(qiáng)度的不斷增大而增大。核心混凝土抗壓強(qiáng)度的增加對(duì)常溫下試件的極限承載力影響不大,但對(duì)耐火極限有顯著影響;

2) 耐火極限與鋼材屈服強(qiáng)度成反比,增加鋼材屈服強(qiáng)度反而會(huì)降低耐火極限;

3) 耐火性能隨載荷比的增大而大幅度降低,由此表明載荷比是影響高強(qiáng)鋼管混凝土柱耐火性能的主要參數(shù);

4) 在同一載荷下,高強(qiáng)鋼管混凝土在耐火極限方面要優(yōu)于普通鋼管混凝土。