钢管混凝土柱梁穿筋节点的温度场分析.pdf

低温建筑技术 2 0 1 6年第 4 期( 总第2 1 4 期) D OI ： 1 0 ． 1 3 9 0 5 ／ j ． e n k i ． d w j z ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 3 1 钢管混凝土柱梁穿筋节点的温度场分析 陈华伟， 殷福新 ( 大~t t r 大 学 建设工程学部 土木工程学院 ， 辽宁大连1 1 6 0 2 4) 【 摘要】 为研究钢管混凝土柱 一 工字钢梁穿筋节点的耐火极限， 基于 A B A Q U S 有限元分析软件分析了钢 管混凝土柱梁穿筋节点的温度分布。并分析了有无钢筋、 钢筋直径 以及保护层厚度等参数的影响规律， 分析证 明， 有无钢筋和保护层厚度是影响节点温度分布的主要因素 ， 钢筋直径和构件尺寸影响较小。 【 关键词】 方钢管混凝土结构； 节点； 温度场； A B A Q U S 【 中图分类号】 T U 3 9 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 6 ) 04 - 0 0 8 4 - 0 3 钢管混凝土结构 中钢材和混凝土的协 同作用使 其具有抗震性能 良好 、 耐火性好及经济效益好等优 点， 已广泛应用于多高层建筑和工业建筑中⋯， 由于 矩形钢管混凝土钢管外露 ， 其抗火设计已成为工程实 践的关键 问题之一 。节点是框架结构受力关键部 分 ， 准确的确定温度场是研究节点耐火性能的关键。 以往节点研究都集中在柱贯通式节点的耐火性能分 析， 而对于梁贯通式节点研究甚少， 本文就在确定了 材料的热学性质、 边界条件和单元的基础上对钢管混 凝土柱钢梁穿筋节点的温度场分布进行了分析。 1 方钢管混凝土柱 一钢梁穿筋节点的温度场分析 1 ． 1 高温下材料的热工性能 本文钢材和混凝土的导热系数采用 T T L i e L 3 提 出的热工系数。厚涂型钢结构防火保护涂料导热系 数为： A = 0 ． 1 1 6 W／ ( m ℃) 。本文钢材和混凝土的 比热容采用文献[ 4 ] 的热工系数 ， 并采用水分质量百 分 比为 5 ％的方法对其进行修正。本文钢材和混凝土 的密度分别取 7 8 5 0和 2 3 5 0 k g ／ n l 。 ； 厚涂型钢结构防火 保护涂料的比热容和密度分别取 1 0 4 7 J ／ ( k g ℃) 和 4 0 0 k g ／ m 。 1 ． 2 热平衡方程定解条件 在火灾发生前， 构件一般都处在环境温度状态 下， 初始条件可表示为： Tx ，y ， ： ． t 0=7 o 本文节点与热空气的边界条件考虑第三类边界 条件， 其余面为绝缘边界条件。 1 ． 3 火灾模型 受火面按照 I S O一 8 3 4 标准升温曲线进行升温 ， 背 火面设置为常温， 且升温前 ， 整个试件都设置为常温 ， 受火面对流系数取 2 5 W／ ( m ℃)， 综合辐射系数 取 0 ． 5 ； 斯蒂芬 ．玻 尔兹 曼常 数 o r取 5 ． 6 7 X 1 0 w／ m K ； 绝对零度 T =一 2 7 3 K。 1 ． 4 试验验证 算例来 自吕学涛 的 s 1和 s 5构件， S 1 三面受火， X 3 0 0 m m， 构件按照混凝土材料标号分为三组 ， C F R P 布厚度为0 ． 1 0 9 m m， 弹性模量为 9 3 G P a ， 实测抗拉强度 为2 1 0 0 M P a 。分组及结果对比如表 3 所示。 5结语 ( 1 ) 从本文有效约束应力表达式可以得出， 针 对混凝土矩形截面 C F R P加固， 在加固前事先做倒角 处理能使 C F R P约束性能得到更有效地发挥， 从而提 高其对混凝土的约束效果。 ( 2 ) 本文峰值点计算模型综合考虑 了截面形 状 、 倒角半径对约束效果的影响， 模型形式简洁， 数据 对 比表明本文理论模型的正确性 ， 说明本文所采用的 分析模型和方法具有可行性。 参考文献 [ 1 ] 敬登虎． F R P约束方形混凝土柱轴心受压强度模型[ J ]．四 川建筑科学研究 ， 2 0 0 5 ， 3 1 ( 3 ) ： 4 5—4 7 ． [ 2 ] w u Y u f e i ， Wa n g L e i m i n g ． U n i f i e d s t re n ~ h m o d e l f o r s q u a r e a n d c i r c u l a r c o n c r e t e c ~ u m n s c o n f i n e d b y e x t e r n a l j a c k e t [ J ] ． J o u rna l o f S tr u c t u r a l E n g i n e e r i n g ，A S C E， 2 0 0 9 ，1 3 5 ( 3 ) ： 2 5 3— 2 6 1 ． [ 3 ] 梁猛． C F R P 约束混凝土圆柱强度及变形特性研究[ D ] ． 大 连： 大连理工大学 ， 2 0 1 2 ． [ 4 ] Mi y a u c h i K， N i s h i b y a s h i S ， I n o u e S ．E s t i m a t i o n o f s t r e n h g t h e n i n g E f f e c t s w i t h C a r b o n F i b e r S h e e t for C o n c r e t e C o l u mn『 J ] ．I n P r o — c e e d i n g s o f t h e Th i r d I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o n No n— Me t a l l i c F RP f o r C o n c r e t e S t r u c t u r e s ，S a p p o r o ， J a p a n ． 1 9 9 7： 2 1 7—2 2 4． [ 5 ] 苏骏， 田乐松． 碳纤维约束混凝方柱轴受压承载分析[ J ] ．湖 j E 工业大学学报， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 2 ) ： 8 9— 9 1 ． [ 收稿日期] 2 0 1 6 — 0 1 - 0 8 [ 作者简介] 王家圆( 1 9 9 0一) ， 男， 山东潍坊人， 硕士研究生， 从事混凝土结构健康检测与加固工程方面研究。 低温建筑技术 2 0 1 6年第 4 期( 总第 2 1 4期) 由图6钢梁特征点温度时间曲线可知位于节点区 域的 B 1 截面温度整体上低于远离节点区域的 B 2截 面温度。由于背火面不受火 的原因， 特征点 1温度要 低 于特征点 5的温 度。由图 7钢梁温度场可知钢梁 背 火面的温度明显低于受火面。 图7 钢梁温度分布云图 图8 钢筋温度分布云图 由图8钢筋的温度场可以看出钢筋温度由外及里 的温度逐渐降低 ， 原 因是混凝土的热惰性， 降低了钢 筋的温度 。 总体来说 ， 节点区的温度要低于非节点 区的温 度， 这是因为节点区域钢管混凝土和钢梁连接为一 体， 热容大， 降低了总体的温度。 8 0 0 6 0 o 高4 O O 2 0 0 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 l 0 o 1 2 0 1 40 t ／ mi n 图9 不同钢筋直径特征点 l 曲线 2 ． 3 钢筋直径对温度场的影响 通过图9比较不同直径的相同特征点的温度可以 发现 ， 由于钢筋 的传导系数 比混凝土的传导系数要 高 ， 钢筋的存在可以提高节点内部混凝土在火灾下 的 温度 ， 但是直径的大小对温度场的影响不是很明显。 2 ． 4 保护层厚度对温度场的影响 通过图 l 0比较不同保护层厚度特征点温度可知 在节点防火保护层厚度为0 、 1 0和 2 0 m m三种情况下 ， c 3截面特征点 1在 1 5 0 m i n 后的温度分别为 1 0 0 0 、 6 0 0 和5 4 0 ~ C。由此可知， 防火保护层能明显降低节点在 火灾下的升温程度， 防火层越厚， 降低温度的效果越 明 显。 1 o o 0 8 o 0 6 0 O 4 0 0 2 o 0 3结语 本文建立了钢管混凝土柱钢梁穿筋节点的温度 场模型， 分析了有无钢筋、 钢筋直径以及保护层厚度 等参数对节点区域温度场分布的影响规律 ， 可得到 以 下结论： ①节点区域钢管混凝土和钢梁连接为一体， 热容大， 降低了总体的温度 ； ②钢筋的存在可以增强 节点在火灾下的升温程度 ， 但是直径的大小对温度场 的影响不是很明显； ③钢梁截面宽度对节点的温度场 几乎没有影响； ④防火保护层能明显降低节点在火灾 下的升温程度 。 参考文献 [ 1 ] 韩林海． 钢管混凝土结构一 理论与实践[ M] ． 第二版． 北京： 科 学出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 杨华， 刘发起， 吕学涛， 张素梅． 三面受火的矩形钢管混凝土柱 受力机理和耐火极 限[ J ] ． 建 筑钢结 构进 展 ， 2 0 1 1 ， 1 3( 6) ： 5 6 —63 ． [ 3] H a md a T ． e t a 1 ． S t r e n g t h E l a s t i c i t y a n d T h e r ma l P r o P e r t i e s o f C o n e r - e t e S u b j e c t e d t o E l e v a t e d T e rnP e r a t u r e 『 J_ ． C o n c r e t e f o r N u c l e a r Re a c t o r s， AC I S P一3 4， De t r o i t ， 1 9 7 2： 3 7 7 — 4 06 ． [ 4 ] T T L i e ， R J I r w i n ．F i r e r e s i s t a n c e o f r e c t a n g u l ar s t e e l c o l u m n s f i l l e d w it h b ar—r e i n f o r c e d C o n c r e t e [ J ] ．J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n — g i n e e r i n g ．1 9 9 5， 1 2 1 ( 5 ) ： 7 9 7— 8 0 5 ． [ 5 ] 吕学涛． 非均匀受火的钢管混凝土柱抗火性能与设计[ D ] ． 哈 尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 1 0 ： 6 ． [ 收稿 日期] [ 作者简介] [ 通讯作者] 2 0 1 6 — ， 01— ．1 2 陈华伟( 1 9 9 0一 ) ， 女， 山东莱芜人， 硕士研究生， 从事钢结构及钢管混凝土结构理论研究 。 殷福新 ( 1 9 6 5一)， 男 ， 山东荷泽人 ， 副 教授 ， 从事 钢结 构设计理论及其应用方面的研究。