新型圆截面钢-混凝土-CFRP-混凝土实心组合柱及其耐火性能.pdf

2 0 1 0 年 第 1期 (总 第 2 4 3 期 ) Nu mb e r 1 i n 2 0 1 0 ( T o t a l No 2 4 3 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 0 0 1 0 1 3 新型圆截面钢一 混凝土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱 及其耐火性能 刘永军 a ，唐 元琳 a ，王晴 ( 沈阳建筑大学 a 土木工程学 院；b 科学与材料工程学 院，辽宁 沈阳 I 1 0 1 6 8 ) 摘要： 提出了新型圆截面钢一 混凝土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱( 简称为S C C C组合柱) ， 利用火灾下建筑构件内温度场分析有限元软 件T F I E L D， 分析了自 然火灾曲线下 S C C C组合柱内温度场， 计算了C F R P的温度一 时间曲线。通过与基体材料的玻璃化转变温度比较， 得 到了 S C C C组合柱的耐火 时间 。计算表明 ： 新型圆截 面钢一 混凝 土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱具有 良好 的耐火性能。 关键词： 组合柱； 纤维增强复合材料；耐火性能 ； 火灾 中图分类号 ： T U5 2 8 5 7 1 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 1 0 0 3 7 0 3 Ne w c i r c ul ar hy br i d St ee l - - Conc r e t e - CFRP- Conc r e t e c ol umn a nd i t s f i r e be ha vi or 删Y o n g -j u n T A NGYu a n 一 WA NGQ i n g ( a S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ； b S c h o o l o f Ma t e ri a l S c i e n c e a n dE n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g J i a n z h uUn i v e r s i t y ， S h e n y a n g1 1 0 1 6 8 ， C h i n a ) T h e n e wc i r c u l a r h y b ri d S t e e 1 -Co n c r e t e -CF R P -C o n c r e t e c o l u mn( s i mp l y c a l l e dS C C Cc o l u mn ) i s p r o p o s e d T e mp e r a t u r e d i s t r i b u t i o n i n a S CF C c olumn u n d e r a n a t u r a l fir e i s a na l y z e d u s i n g TF I E LD， a p r o g r a m f o r t e mpe r a t ur e fie l d a na l y s i s wr i t t e n b y a u t h o r s ， an d the t e mp e r a t u r e t i me c u r v e s o f C F R P a r e p r e s e n t e d T h e fi r e r e s i s t anc e t i me o f a S C CC c o l u mn C an b e o b t a i n e d by c o mp a ri n g t e mp e r a t u r e t i me c u r v e s wi th a s s t r a n s i t io n t e mpe r a t u r e o f po l y m e r m a t rix Nu me ric a l m o d e l i n g r e s u l t s de mo n s tr a t e tha t t h e ne w c i r c u l ar h y b rid S t e e l -Co n c r e t e -CF RP- Co n c r e t e c olumn s are o f e x c e l l e n t f i r e r e s i s t a n c e Ke y wor ds： h y b rid c o l u mn； CF R P； fir e b e h a v i o r ； fi r e 0 引 言 F R P复合材料是继钢材和混凝土之后的第三大现代结构 材料 ， 具有优越 的力学性能 ， 给土木工 程领域带来 了大量新机 会和新挑战。F R P最突出的特点是轻质高强， 同时， F R P材料耐 火性能差是其不可忽视的缺点。环氧树脂是最常用的一种 F R P 基体材料和胶黏剂， 大多数环氧树脂的玻璃化转变温度( ) 在 6 5 1 5 0之间 ， 当温度达到玻璃化转变 温度 时 ， 其力 学性能陡 然下降， 可以认为， 粘贴 F R P加固的建筑构件 ， 当 F R P的温度 达到基体材料( 胶黏剂) 的玻璃化转变温度时， F R P将失去加固 作用 1 。环氧树脂 的另一个缺点是易燃 ， 温度 达到 4 5 0时 ， 环 氧树脂会开始燃烧， 同时释放出黑烟和有毒气体。J i 等在壁厚为 5 ml n的 G F R P圆管内灌注混凝土， 形成 G F R P管混凝土构件， 进 行耐火试验时， 仅用 8 mi n ， G F R P管中的环氧树脂就燃烧殆尽目 。 与环氧树脂不同， 纤维特别是碳纤维的强度几乎不受高温影响 ， 两者结合到一起形成 F R P以后 ， 高温力学性能介于两者之问。 当温度低于基体材料的玻璃化转变温度时 ， C F R P的强度与常 温下基本相同， 温度达到3 5 0时， C F R P失去约 5 0 的强度， 温 度达到 5 0 0时 ， 强度基本完全丧失。F R P及其基体材料耐火 性能差的缺点， 对其在桥梁结构中的应用影响不大， 但当 F R P 用于发生火灾概率较大的商场、 宾馆等建筑结构中时 ， 其耐火 性能就成了人们关注的焦点同， 因此， 研发具有 良好耐火性能的 新型 F R P组合构件 ，对于推动 F R P在土木工程中广泛应用具 有重要 意义 。 1 新型钢一 混凝土一 cF RP 一 混凝 土实心组合柱 近些年， 含有 F R P的组合构件得到了较快发展， 已经出现 了 F R P管一 混凝土柱 、 F R P 一 混凝土一 钢管双壁组合柱 、 F R P 一 钢 管一 混凝土柱等。 F R P管一 混凝土组合柱( 见 图 1 ) 是在 F R P管内浇筑混凝土 而形成的组合构件， 用包裹 F R P法进行加固的钢筋混凝土柱也 收稿 日期 ：2 0 0 9 - 0 9 - 2 0 基金项目：辽宁省教育厅重点实验室项目( 2 0 0 9 S 0 8 6 ) ； 建设部科学研究项 目( 2 0 0 8 一 k 4 3 8 ) 混凝土 图 1 F RP管一 混凝土组合柱截面示意图 3 7 属于此类构件。 这种构件具有承载力高、 抗震性能好等优点。 在 H a d i 的试验中， 3层 C F R P约束的偏心受压构件的极限承载力 提高了 3 7 5 ， 而轴心受压构件 的极限承载力提高 了 1 0 6 2 L4 1 。 F R P 一 混凝土一 钢双壁空心管是 由香港理工大学滕锦光教授 提出的一种新型的构件， 它由一个外层 F R P管 、 一个内层钢管 和两个管之间的混凝土所组成( 见图 2 ) 。双壁空心管具有 自重 轻、 抗弯刚度大、 耐久性好、 延性好等优点_5 J 。 混凝 土 钢管 图 2 F R P管一 混凝土一 钢管双壁空心管截面示意 图 F R P 一 钢管一 混凝土柱是一种新型组合构件， 是在钢管混凝土 柱的表面缠绕上 F R P的而得到的( 见图 3 ) 。F R P约束圆钢管混 凝土可以较好地发挥 F R P约束混凝土和钢管混凝土的双重优 点 ， 构件在具有较高承载力 的同时还具有较好的延性 。 约束钢管 的C F R P 钢管 核心 混 凝土 图 3 F R P一 钢管一 混凝 土组合柱截面 示意图 前面 3 种构件的F R P材料都位于构件的表面， 耐火性能是 一 个令人忧虑的问题。为了解决含 F R P构件的耐火问题， 作者 提出了圆截面钢一 混凝土一 C F R P 一 混凝土实心组合柱( 简称 S C C C 组合柱 ) 这种新型构件( 见 图 4 ) 。 环形混凝 土对于 S C C C组合柱 的耐火陛能至关重要 ， 环形 昆 凝土越厚， C F R P在火灾中的就温 度越低， S C C C组合柱的耐火时间也越长。但是， 环形混凝土越 厚 ， C F R P管约束的核心混凝土占混凝土总量的份额就越少， C F R P管发挥的约束作用就越小 ， 因此， 大直径柱子更适合采用 S C C C组合柱 。 圆钢 管 环形 混凝土 CF RP 圆管 核心 混凝土 图 4 圆截面钢一 混凝 土一 CF RP 一 混凝土实心组合柱截面示意图 暂把大于等于 8 0 0 rai n的直径称为大直径。 大直径柱子特 别是大直径钢管混凝 土柱在高层 建筑 中已有广泛应用 ， 例如 ： 1 9 9 9年建成的广州新中国大厦， 柱子最大直径达到 1 4 0 0 i n n 1 ； 38 2 0 0 0年建成 的重庆世界贸易中心 ， 柱子最大直径达到 1 5 0 0 i n to； 1 9 9 9年建成的深圳赛格广场， 柱子最大直径达到 1 6 0 0 m i l l ： 1 9 8 9年建成的美 国西雅 图 T wo Un i o n S q u a r e ， 柱子最 大直径达 到 3 2 0 0mm7 。 除了具有组合构件的普遍优点以外， 在耐火性能方面， S C C C 组合柱具有以下突出优点： 第一， 由于F R P圆管外面有混凝土 和钢管的保护， F R P圆管不直接受火， 因而不会发生燃烧。第二， 混凝土是热惰性材料， 两管之间的混凝土对F R P圆管起到保护 作用 ， 可以延缓 F R P圆管温度升高 ， 从而延长构件的耐火时间 。 第三， 与防火涂料等防火手段相比， 由钢管和混凝土构成的F R P 圆管保护层不存在耐久性的问题， 也不会在火灾过程中会出现 剥落的现象 ， 保 护效果非常可靠 。 对于大直径 S C C C组合柱 ， 可 以少用甚至不用防火保护也可达到规定的耐火极限 。 2 自然火 灾下 s CC C组合 柱的耐火时间 2 1 组合柱截面尺寸及材料参数 本算例的S C C C组合柱的钢管外部直径 l 0 2 0 mm， 内部直 径 1 0 0 0 mlT l ， 钢管厚度为 2 0 I T l I n ， 所有混凝土均为普通混凝土， C F R P管 的厚 度为 2 6 IT l r f l ， 直径为分 别为 2 5 0 、 3 0 0 、 3 5 0 、 4 0 0、 4 5 0 r n l T l 。C F R P管的基体材料为环氧树脂， 玻璃化转变温度为 1 2 0。混凝土及钢管的热工性能参数与温度关系见文献f 8 ， C F R P管的热工性能参数与温度关系见图 5 嘲 。 温度 图 5 CF RP热工性能参数与温度 的关系 2 2 边界条件及初始条件 实际火场的温度一 时间曲线是千差万别的 ， 早期的试验或数 值模拟通常采用 I S O 8 3 4曲线或 A S T M E 1 1 9曲线作为火场升 温曲线 。近些 年， 随着性能化抗火设计思想的发展 ， 越来越多采 用 自然升温 曲线 。 自然升温 曲线考 虑了火灾现场可燃物 的数 量、 分布、 通风条件等具体情况， 因而更加合理。本算例的火场 升温曲线选用英国卡丁顿实验室进行的系列试验中第 5个试 验 中实测 的升温 曲线 ( 见图 6 ) ， 并假设 沿柱 子轴线方 向没有变 化图6中右上角是试验中木材分布情况图， 左下侧是试验过程 中的场景。构件表面的对流换热系数取 2 8 W ( m K) ， 辐射率 取为 0 9 ， 构件初始温度为2 0。 2 3失效 准则 在对含 F R P构件耐火性能了解不多的情况下， 很多做法相 对保守。为了安全， 美国规范规定， 对于表面粘贴 F R P的构件， 不考虑 F R P对构件耐火能力的贡献。实际上， 含 F R P构件是 6 5 4 3 2 1 0 l 2O O 1 000 800 堇 6 0 0 4OO 200 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 1 5 0 1 8 0 2l 0 2 4 0 t mi n 图 6卡丁顿 5号试验的火场温度一 时间 曲线 否在火灾中失效取决于很多因素， 包括防火保护措施 、 F R P材料 对构件承载力的贡献 、 F R P材料自身耐火能力、 构件承受的荷载 水平、 火场的升温曲线等等。 文献 1 中列举了目前可以采用的 3 个失效准则。 准则 1 ： F R P平均温度达到基体材料的玻璃化转变 温度。 准则 2 ： F R P平均温度达到基体材料的燃点温度。 准则 3 ： 构件承载力等于承受的荷载。相比之下， 准则 3 更加合理， 为了 方便， 本文选择比较保守且的准则 1 作为判断 S C C C组合柱是 否失效 的准则 ， 把 S C C C组合柱 中的 C F R P管温度达到基体材 料玻璃化转变温度的时间作为柱子的极限耐火时间。 2 4 计算结果及分析 采用作者开发的温度场分析软件 T F I E L D进行分析。 T F I E L D是分析火灾下建筑 构件 内温度场 的专用软件 ， 由二 维 和三维两个分析模块构成， 具有良好的图形化前后处理系统。由 于柱子截面几何形状 、 边界条件等在轴线方向没有变化 ， 因而 柱内温度分布是二维的。考虑到对称， 取构件截面的六分之一 进行温度场计算， 图 7 是有限元网格。图 8是 C F R P圆管的半 径取不同的值也就是环形混凝土的厚度取不同的值时， C F R P 圆管的温度随时间的变化曲线。从图中可以看出： 当C F R P圆 管外的混凝土保护层的厚度大于 2 0 0 mm时， 在整个火灾过程中， 400 30O 堇 2 0 0 - 1 O0 图 7 计算采用的有限元网格 0 3 0 6 0 9 0 1 2 0 l 5 0 1 8 0 21 0 2 4 0 t mi n 图 8 CF R P管温度一 时间曲线 C F P J 圆管的温度都保持在玻璃化转变温度 以下。当 c F R P 圆管外的混凝土保护层的厚度为 1 5 0 i n l n时， C F R P圆管的温 度可以保持在玻璃化转变温度以下的时间接近 4 h 。当 C F R P 圆管外的混凝土保护层的厚度为 1 0 0 n l n l 时， C F R P圆管的温 度可以保持在玻璃化转变温度以下的时间接近 2 h 。因此， 可以 说 ， S C C C组合 柱具有非常好的耐火陛能 。 3 结论及展 望 理论分析及数值计算表明， 圆截面钢一 混凝土一 C F R P 一 混凝 土实心组合柱具有良好的耐火性能。通过合理调整含钢率、 环 形混凝土厚度、 C F R P圆管厚度 、 混凝土强度等级等参数， 可以 使 S C C C组合柱具有预期的性能， 因此， S C C C组合柱在建筑结 构领域具有广阔应用前景。笔者将和有识之士一道 ， 对 S C C C 组 合柱的静力性能 、抗震性能和耐火性 能的进行全 方位研究 ， 为 这种新型构件在建筑工程中广泛应用奠定坚实的基础。 参考文献 ： 【 1 】B I S B Y L, K O D U R V， G R E E N M N u m e ri c a l p a r a m e t ri c s t u d i e s o n t h e fi r e e n d u r a n c e o f fi b r e - r e i n f o r c e d - p o l y me r - - c o n fi n e d c o n c r e t e c o l u mn s J Ca n a d i a n J o u rna l o f C i v i l En g i n e e rin g， 20 0 4： 1 0 9 0 -1 1 0 0 2 J I G e f u ， L I G u o - q i a n g ， L I X i u - g a n g ， e t a1 E x p e ri me n t a l s t u d y o f F R P t u b e e n c a s e d c o n c r e t e c y l i n d e r s e x p o s e d t o f i refJ 1 C o m p o s i t e S t r u c t u r e s ， 2 0 08： 1 4 9 1 5 4 3 】 于清 F R P 约束混凝土柱研究与应用中的若干关键问题叨 工业建筑， 2 0 0 1 ( 4 ) ： ! - 4 【 4 HA D I M N S T h e b e h a v i o u r of F R P w r a p p e d H S C c o l u m n s u n d e r d i f - f e r e n t e c c e n t ri c l o a d s J C o mp o s i t e S t ruc t u r e s ， 2 0 0 7 ： 5 6 0 - 5 6 6 5 】 滕锦光 ， 余涛 ， 黄玉龙， 等F R P 管一 混凝土一 钢管组合柱力学性能的 试验研究和理论分析 J 建筑钢结构进展， 2 0 o 6 ( 5 ) ： 1 7 6 】 王庆利， 李宁， 韩佛， 等 C F R P 一 钢管混凝土轴压构件试验研究 J J 沈 阳建筑大学学报， 2 0 0 6 ( 5 ) ： 7 0 9 7 1 3 【 7 】 韩林海， 杨有福现代钢管混凝土结构技术【 M 】 E 京 ： 中国建筑工业 出版 社， 2 0 0 8 【 8 刘永军 火灾下建筑构件内温度场数值模拟基础 M 】 _ 京： 科学出版 社 ， 2 0 0 6 9 】B I S B Y L， K O D UR V， G R E E N M Mo d e l l i n g t h e fi r e b e h a v i o u r o f F R P - s t r e n g t h e n e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u m n s C P r o c e e d i n g s o f t h e 3 r d I n t e r n a t i o n al W o r k s h o p， Ot t a wa ， Ca n a d a ， 2 0 0 4： 1 -1 5 I O A C I A C I 4 4 0 2 R 一 0 2 ， G u i d e f o r t h e d e s i g n a n d c o n s t r u c t i o n of e x t e rna l - l y b o n d e d F R P s y s t e m s fo r s t r e n gth e n i n g c o n c r e t e s t ruc t u r e s S U S A， 2 O 02 作者简介： 单位地 址 刘永军( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 博士， 教授， 主要从事建筑结构抗火性 能及结构分析软件研究。 沈阳市浑南新区浑南东路 9 号 沈阳建筑大学土木工程学 院 ( 1 1 0 1 6 8 ) 联系电话 ： 0 2 4 2 4 2 4 046 5 39