高温下钢管约束型钢混凝土柱受力性能[1]

高温下钢管约束型钢混凝土柱受力性能[1]

祝江平

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提  要：火灾下无防火保护的结构构件温度会迅速上升，从而造成钢材和混凝土的强度明显下降。为了研究火灾下钢管约束型钢混凝土柱的受力性能，提出了火灾下受轴心荷载作用的钢管约束型钢混凝土柱承载力的计算方法。研究表明：随着构件截面尺寸的增加及混凝土强度和钢材强度的提高，构件的承载力逐渐增加。耐火极限随着荷载比和钢管壁厚的增加而减小，随着构件尺寸的增加而增大。

关键词：钢管约束型钢混凝土柱；温度；受力性能；有限元分析

1．引言

钢管约束混凝土柱指的是在钢管内部填充混凝土，钢管主要对核心混凝土起约束作用而不直接承担竖向荷载的一种组合构件。同时，由于把承受竖向荷载的型钢置于构件的内部，而外部钢管不承担竖向荷载，只利用其对混凝土的约束作用，因而火灾下型钢强度的强度损失更少，有利于提高构件和结构的抗火性能。

2．温度计算方法

火灾作用下钢管约束型钢混凝土柱中钢管、型钢和混凝土的温度是确定构件承载力的基础。本文通过数据拟合，提出了钢管约束型钢混凝土柱火灾下型钢温度的计算方法，并对已有的钢管温度和混凝土温度的计算方法进行了有限元验证。

2.1钢管温度

钢管混凝土结构技术规范给出了ISO834标准火灾作用下钢管的温度计算公式：

日本钢管混凝土结构设计与施工指南建议的ISO834标准火灾作用下钢管温度的计算公式为：

2.2型钢温度

影响型钢温度的主要因素是构件截面尺寸。型钢升温主要是由混凝土的热传导引起的。可以根据翼缘边缘混凝土温度来计算型钢翼缘边缘的温度。

在公式（3）的基础上，分析得到的型钢上一点和其周边混凝土温度差值与翼缘边缘距混凝土中心距离的关系，得到型钢翼缘边缘温度的计算公式：

型钢温度从翼缘边缘到腹板中心线性降低，因此，在计算型钢翼缘边缘温度公式的基础上，增加线性方程即可求得型钢其他部位的温度：

采用ABAQUS对公式（4）~（5）进行验证。公式（4）~（5）可以对型钢的温度进行较好的预测。

3．高温下承载力的计算方法

3.1常温承载力计算方法

钢管约束型钢混凝土柱在常温下截面极限轴压承载力的计算公式：

按照式（8）计算。

按照式（9）计算。

3.2高温承载力计算方法

根据构件的受火时间，得到钢管、型钢的温度以及混凝土的等效温度，根据温度可得到高温下结构钢屈服强度折减系数和高温下混凝土抗压强度折减系数，进而得到高温下钢管和型钢的屈服强度及高温下混凝土等效抗压强度。

3.3有限元模型验证

利用ABAQUS有限元软件建立分析模型，钢管、型钢和混凝土采用结构化网格划分。通过定义接触考虑钢管对混凝土的约束作用，法向方向钢管与混凝土之间采用硬接触，当界面之间为压力时则完全传递压力，当界面之间出现拉力时则允许两者分离，钢管和混凝土之间切向的粘结滑移采用库伦摩擦模型来模拟。模型分析结果分别为200mm和240mm的构件试验结果对比，两者吻合良好，说明有限元模型有良好的适用性。

4．火灾下构件承载力参数分析

由公式可知，影响火灾下钢管约束型钢混凝土柱受力性能的因素包括构件截面尺寸、钢管厚度、混凝土强度和钢材强度，采用本文提出的计算方法分析上述因素对构件受力性能的影响。

4.1构件截面尺寸

在保证长径比恒定，含钢率不变的情况下分别取不同截面直径的构件进行承载力计算，随着构件直径的增大，其承载力逐渐增大。

4.2钢管厚度

在混凝土直径和内部型钢尺寸不变的情况下改变钢管的厚度，可以发现常温下增加钢管厚度可以提高构件的承载力，但是随着受火时间的增加，钢管厚度对承载力的影响逐渐降低

4.3混凝土强度

对采用不同强度混凝土的柱进行火灾下承载力计算，可见提高混凝土强度有利于提高构件的承载力，且不同混凝土强度的柱其火灾下承载力的降低趋势相同，承载力的差值随着受火时间的增加而逐渐减小。

4.4钢材强度

将钢管分别采用Q235、Q460、Q690钢材的钢管约束型钢混凝土柱进行火灾下承载力计算，发现钢材强度越高，构件在火灾下承载力越高。随着受火时间的增加，钢管采用不同强度钢材的构件其承载力差值逐渐减小。

5．耐火极限分析

一般定义构件在标准升温火灾下条件下，失去完整性、稳定性或绝热性所用的时间为建筑结构构件的耐火极限。

 5.1荷载比

利用ABAQUS有限元软件对长细比为3，壁厚为3mm的钢管约束型钢混凝土柱进行耐火极限分析，柱的耐火极限受荷载比的影响较大，其随着荷载比的增大而明显降低，且大直径的柱受荷载比影响更严重。

5.2截面尺寸

在保持长细比恒定，含钢率不变的情况下对不同截面直径的构件进行耐火极限分析，荷载比较小时，随着截面尺寸的增大，柱的耐火极限逐渐增加，当荷载比较大时，由于柱本身在常温下就处于较高的应力水平，导致耐火极限很小，此时截面尺寸对耐火极限的影响不明显。

5.3钢管壁厚

在保证长细比、型钢含钢率不变的情况下改变构件中钢管的厚度。在确定荷载比下，随着壁厚的增加，柱的耐火极限逐渐降低。钢管越厚，混凝土强度的损失相比常温下越多，而荷载比不变，则耐火极限越短。

6．结论

通过理论分析和有限元模拟，对火灾下轴心受压钢管约束型钢混凝土柱的温度分布和极限承载力进行了研究，探究了构件受力性能受截面尺寸、钢管厚度、混凝土强度和钢材强度等因素的影响，同时采用有限元软件对荷载比、构件截面尺寸、钢管壁厚等因素对构件耐火极限的影响进行了分析，得出以下结论：

（1）提出的火灾下钢管约束型钢混凝土柱型钢的温度计算方法可以准确地进行温度计算。

（2）考虑温度对材料力学性能的影响后，常温下钢管约束型钢混凝土柱的极限承载力计算方法可以延伸到高温下使用。

（3）火灾下轴心受压钢管约束型钢混凝土柱的承载力随着构件截面尺寸、混凝土强度和钢材强度的增加而逐渐增加，但钢管壁厚的改变对于承载力并无太大影响。

（4）钢管约束型钢混凝土柱的耐火极限受荷载比的影响很大，构件的耐火极限随着荷载比的增加而大幅度下降。当荷载比较小时，耐火极限随着钢管壁厚的增加而减小，随着柱直径的增加而增加。而当荷载比较大时，钢管壁厚和构件直径对耐火极限的影响很小。

参考文献

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