火灾后型钢混凝土平面框架抗震性能有限元分析.pdf

第 2 9卷 第 3期 2 0 1 3年 9月 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 J o u r n a l o f B e ij i n g Un i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e V0 l _ 2 9 No 3 S e p2 01 3 文章编 号 ： 1 0 0 4 6 0 1 1 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 3 5 0 5 火灾后型钢混凝土 平面框架抗震性 能有 限元分析 谢福娣 ， 武 志鑫 ， 刘栋栋 ( 北京 建筑 大学 土木与交通工程学院 ， 北京1 0 0 0 4 4 ) 摘要：建筑火灾的频繁发生给人们的生命及财产安全带来的危害越 来越大， 建筑结构抗 火性能 研 究 已成 为建 筑结构 安 全分析 领域 的一 个 重要 课 题针 对 火 灾后 型钢 混凝 土柱一 型钢 混凝 土 梁一 钢 筋混凝土楼板单层单跨组合平 面框架的抗震性能进行 了研 究， 运用有 限元分析软件 A B A Q U S建立 了模型， 考虑受火时间、 柱轴压 比和梁跨 中荷载等 因素对其的影响 ， 研 究 了火灾后 型钢混凝 土框架 的滞回曲线和骨架曲线 ， 并在此基础上分析 了各参数对火灾后型钢混凝土框架延性和耗能方 面的 影响通过分析 可知在相 同轴压比和相 同梁跨 中荷栽的情况下， 受火时间越短滞回曲线越丰满， 亦 即抗震性能越好 ； 在相同受火时间的情况下 ， 轴压 比越 小滞回曲线越丰 满； 而梁跨 中荷载大小变化 对滞回曲线影响较小且在最不利的情况下， 延性系数 为 3 ：5 3 ， 等效粘滞 阻尼 系数为 0 2 4 ， 说 明型 钢 混凝 土框 架 结构具 有 的 良好 的延 性和 抗震 性能 关键词 ：火灾后 ；型钢混凝土；组合框架；有限元分析 ；抗震性能； 参数分析 中 图分 类号 ： T U 3 9 8 ； T U 3 1 1 3 文 献标 志码 ： A An t i - S e i s m i c Pe r f o r ma n c e Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o f St e e l Re i n f o r c e d Co nc r e t e Fr a me a f t e r Fi r e Xi e F ud i ， W u Zh i x i n，L i u Do ng d o n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ，B e i j i n g U n i v e r s i t y o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d A r c h i t e c t u r e ， B e ij i n g 1 0 0 0 4 4 ) Abs t r a c t ：W i t h t h e f r e q ue n t o c c ur r e n c e o f b u i l d i n g fir e， t h e ha r m t o p e o p l e S l i f e a n d p r o p e r t y i s g r o wi n g Re s e a r c h e s o n fir e r e s i s t a n c e p e r f o r ma n c e h a v e b e c I9 me a n i mpo r t a n t t o p i c i n t h e fie l d o f s t r u c t u r a l s a f e t y a n a l y s i s Th i s p a pe r f o c us e s o n t h e s t ud i e s o f t h e me c h a n i c a l pr o p e r t i e s o f t h e p l a n e f r a me a f t e r fir e wh i c h i s c o mpo s e d b y t h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e c o l u mn，s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m a n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e fl o o r s l a b B y u s i n g t h e s o f t w a r e o f A B A Q U S ， t h e h y s t e r e t i c c u r v e s a n d s k e l e t o n c u rve s o f t h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me a f t e r fir e a r e o b t a i n le dTh e e f _f e c t s o f t h e f a c t o r s s uc h a s t h e fir e t i me，t h e c o l umn a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o a n d b e a m l o a d a r e a n a l y z e d a n d t h e e f f e c t s o n t h e d u c t i l i t y a n d t h e d i s s i p a t i o n o f t h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me a f t e r fir e a r e f u r t he r d i s c u s s e d An d i t i s o b t a i n e d t h a t wi t h t h e s a me a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o a n d be a m mi d - s pa n l o a d，t h e s ho r t e r t h e fi r e t i me i s ， t h e mo r e pl ump t h e C u rve i s An d u n d e r t h e s a me fir e t i me t h e s ma l l e r t h e a x i a l c o mp r e s s i o n r a t i o i s ，t h e mo r e p l u mp t h e c u rve i s W h a t i s mo r e， t h e s i z e o f b e a m mi d- s p a n l o a d h a s s ma l l e r i n fl ue n c e o n h y s t e r e s i s c u rve Un d e r t he wo r s t c o n di t i o n i f t he d u c t i l i t y f a c t o r 。 i s 3 5 3 a n d e q ui v a l e nt v i s c o u s d a mp i n g c o e f f i c i e n t i s 0 2 4， t h e s t e e l r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me s t r u c t u r e h a s g o o d d uc t i l i t y a n d a n t i - s e i s mi c p e r f o r ma n c e Ke y wo r d s：a f t e r fir e；S RC；c o mp o s i t e f r a me；fi n i t e e l e me n t ；a n t i s e i s mi c p e r f o r ma n c e；p a r a me t e r a n a l y s i s 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 61 5 作者简介 ： 谢福娣 ( 1 9 8 8 一 ) ， 女 ， 硕士研究生 ， 研究方向 ： 结构抗火 3 6 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 1 研究背景和意义 2温度场的建立 我 国城 市化进 程不 断加快 ， 高层建 筑 日益增 多 火 灾成 为 了除地震 以外最 为 主 要 的建 筑 灾 害 ， 极 大地威胁着人们的生命和财产安全建筑结构抗火 性 能研 究 已成为建 筑结构 安全 分析领 域 的一个重 要 课 题 型钢混 凝土 承载 力 高 ， 刚 度大 ， 抗 震 性 能 好 ， 在 工程 中得到 越来越 多 的 应 用 ， 深入 研 究 其高 温 性 能 对进行合理的抗火设计具有重要的意义国内外学 者 对 型钢混 凝 土 构件 进 行 了 一 系 列 的研 究 E u r o c o d e 4 和 E C C S 给 出 了 型钢 混 凝 土 柱 耐 火 极 限 设计曲线 ， 适用于截面边长小于等于 1 m， 有效长度 小于等于 5 m， 最 大偏 心距 5 mm， 受火 时间不超 过 1 2 0 m i n的情况 E u r o c o d e 4 还 规 定 了型 钢混 凝 土 柱达 到耐火 极 限时 型钢 和 混凝 土 尺 寸 的最 小 限 值 H u a n g 等 通过试验研究 了内含工字钢的型钢混凝 土柱在不同轴向约束下 的耐火性能 ， 发现约束 的存 在增加 了柱的轴力 ， 降低 了耐火极限， 混凝土的爆裂 也使柱的耐火极限降低韩林海和郑永乾 建立 了 型钢混凝土耐火极 限理论计算模型 ， 并在大规模参 数 分 析 结果 的基 础 上 提 出该 类 构 件 耐 火 极 限 的 实 用计算方法钱在兹等 、 吴波 。 进行了火灾 后混 凝 土 单 轴 受 压 应 力 应 变 关 系 的 试 验 研 究 ， 各 自提 出 了火灾 后 混 凝 土单 调 受 压应 力 应 变 关 系 模 型曹文衔 、 吴波 I 3 。 研究 了火灾后钢筋和钢 材应 力 应 变 曲线 和屈 服 强 度 毛小 勇 等 对 型 钢 混凝 土 柱 抗 火 性 能 的全 过 程 进 行 了 分 析 比 较 ， 考 虑了升温时 间、 荷载 比等参数对 型钢混 凝土柱 残 余 变 形 的影 响 本文对 火灾 后 型 钢 混 凝 土 柱 一 型 钢 混 凝 土 梁 一 钢筋混凝土楼板单层单跨组合平面框架的抗震性能 进行 了研究 ， 为 型钢 混 凝 土结 构 火 灾后 修 复加 固工 作提供一种可靠的分析方法 ， 为型钢混凝土结构抗 火设计提供 了参考 2 1 材 料 的热工 参数 选 择 了 L i e和 D e n h a m 建 议 的钙 质 混凝 土 热 工参 数表达 式 ， 并 考 虑 了水 蒸 汽对 混 凝 土 热工 参 数 的影 响 2 2单元选 取与 网格划 分 型钢 、 混 凝 土模 型 均采 用八 节 点 三维 实 体热 分 析单 元 D C 3 D 8 ， 钢筋 采 用三 维桁 架单 元 D C 1 D 2 网 格划分采用映射网格划分 2 3界面 处理 热分析中， 由于构件间滑移很小 ， 对温度影响不 大 ， 所 以暂 不考虑 构件 间的相 对滑 移 因此 ， 混凝 土 楼板 、 型钢 混凝 土梁 与 型钢 混 凝 土柱 之 间 的连 接 全 都用绑定( T i e ) 约束并假定型钢和混 凝土完全接 触 ， 不考 虑相对 滑 移 ， 用绑 定 ( T i e ) 约束 将 型钢 内表 面和混凝土的外表面束缚在一起 2 4加载 与求解 在荷 载 ( L o a d ) 中 ， 设定 初始温 度 ( 1 0 ) 于构件 各个 节点 ， 按照 已有 试 验所 记 录 的 实际 升 降 温 曲线 进行加载受火面的对流传热系数取 2 5 W m K、 热辐射系数取 0 5 ； 不受火面 的对流系数取 4 W m K、 热辐射系数取 0 5 ； 其余侧面为绝缘边界条件在模 型属 性 中设 置 S t e f a n B o h z m a n n常 数 ( 5 6 71 0 W m K ) 和绝对 零度 (一 2 7 3 c I = ) 3有 限元模 型的建立 3 1型钢 混凝 土平面框 架 类型 标 准模 型 由既 有 试验 方 案确 定 ， 型钢 混 凝 土柱 采 用方形 柱 ； 混 凝 土楼板 厚 6 0 m m， 宽 度 6 0 0 m m； 轴 压 比取 0 5， 即单柱轴 向荷载为 1 5 0 t ， 梁跨 中荷载取 3 0 t ； 受 火 时间及温 度 曲线 按 照 试验 数 据 给 出 ， 约 为 1 2 0 m i n 框 架模 型如 图 1所示 型钢混 凝 土柱 与 型 钢 混凝 土梁 的基本信 息如 表 1和表 2 表 1 型钢 混凝 土柱基本尺寸 第 3 期 谢福娣等 ： 火灾后 型钢混凝土平面框架抗震性能有限元分析 3 7 P P l 型钢混凝土梁 v 一 、 型钢混凝土柱 柱 一 一 一 0+ L 3 7 5 0 l 一一 呻 图 1 框架试件模型简 图及加载 示意 图( 单位 ： mm) 3 2材料 的本 构造 关 系模型 本文 中选用韩林海 提 出的高温后型钢的应 力应变曲线 ， 结果如下 ： f E ( ) 占 s 占 ( r ) = L ( ) + E ( ) 8 8 ( T ) 8 ( ) ( 1 ) 式 中 ： ( )= T 4 0 0 ( T )= ( T ) E ( T ) 选用吴波等m 提出的高温后混凝土应力一 应变 关系 曲线 ， 结果 如下 ： f 0 6 2 8 [phone] Y= 0 6 4 7 x一 0 2 1 7 ( 2 ) I 1 【 11 3 2 6 X+0 78 3 x 式 中 ： =e e o ，r m；Y=o - o - 0，r m 。， 0 m 2 0 0 了 i 5 57 7 3 5 2 ( ) 2 。 。 oC ( 3) O 0 ，r 口 占 0 -o 5 8 2 、 T m 。 - 。 2 。0 ) 1 4 6 - 1 3 9 3 ( ) 2 0 0 T 2 0 0 ( 4) 3 3单元 类型 与 网格 划 分 力 学模型 中的单元类型 同温度场模 型保持一 致 ， 即型钢 、 混凝土单元均采用实体单元 C 3 D 8 R， 钢 筋采用三维桁架单元 T 3 D 2 网格划分与温度场计 算 模型 保持 一致 3 4 边 界条 件及 加载方 式 为保证均匀加载， 在有 限元计算模型加载端设 置刚度很大的垫块以模拟加载板， 采用三维实体单 元 C 3 D 8 R进行模拟 ， 其弹性模量取为 11 0 M P a ， 泊松比取为 0 0 0 0 1 0 钢筋混凝土底梁采用嵌 固边 界 ， 而型钢混凝土框架有底梁限制了其轴向位移 ， 因 此其 边 界条件 只需 约束 轴 向位 移 具体加载步骤如下 ： 1 ) 在框架的两个柱顶 同时同步施加轴向荷载 ； 2 ) 保持轴 向荷载一致 ， 施加跨中荷载； 3 ) 依托子程序 ， 将温度 场模拟的最 高温度场计 算结果 以预定义场的形式进行输入 ； 4 ) 加载水平往复力 ， 以位移形式加载 4 滞 l回曲线分析 4 1 滞 回曲线影 响参数 分析 选 取受 火时 间 t 、 柱 轴 压力 P 、 梁 跨 中荷 载 三 项参数对型钢混凝土框架的力学性 能进行对 比分 析在对比分析过程 中， 每次 只改变其 中的一个参 数而保持其它参数不变 ， 并依据试验常用参数范围 进 行 4 1 1 框架过 火 时间 在 受 火 时 间不 同 的情 况 下 ， 框架 模 型 的滞 回 曲 线和骨架血线的对 比如图 2所示由图中可以看 出， 有限元模拟滞 回曲线较为丰满 ， 过火后的型钢混 凝土框架抗侧刚度受过火时间影响较为显著 ， 随受 火时间的增加， 刚度退化越严重但整体说来 ， 过火 时间对于滞 回曲线中的初始弹性阶段及其整体下降 3 8 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 形状影响不大荷载一 位移骨架 曲线是 由滞 回曲线 的峰值点连接而成 ， 可较为直观地反映结构在水平 荷 载作 用下 的主要 特 征 ， 包 括 开裂 、 屈服 、 最 大 荷 载 以及延性等由图可知 ， 骨架 曲线数值模拟结果较 为理想试件的骨架曲线均呈“ s ” 型， 说明有限冗模 拟结 果可 以反 映型 钢混 凝 土框 架 经 历 的 弹性 、 弹 塑 性 和塑性破 坏三个 阶段 图 2不 同 受火 时 间 的滞 回 曲线 和 骨 架 曲线 对 比 4 1 2柱轴 压 比 轴压比不同的情况下 ， 受水平荷载作用的型钢 混凝 土框 架 的滞 回 曲线 和 骨 架 曲 线 对 比如 图 3所 示由图中可以看出， 过火后 的型钢混凝土框架滞 回曲线受 轴压 比 的影 响较 为 显 著 ， 受 火 时间 一定 的 情 况下 ， 随轴压 比增 大 ， 其 刚度退 化 越严 重 当轴 压 Z 挺 比达到一定数值时 ， 曲线会出现下降段 ， 且随轴压 比 的增大下降幅度增大， 位移延性逐渐减小另外， 轴 压 比较小 时 ， 对滞 回曲线在 弹性 阶段 的刚度基本没有 影响骨架曲线数值模拟结果较为理想， 试件的骨架曲 线均呈“ S ” 型 ， 但 可以看 出在高轴 压 比的情 况下 ， 估计 曲线会出现突降的部分， 造成位移的突然增大 图 3 不同轴压比的滞回曲线和骨架 曲线对 比 4 1 3 梁跨 中荷 载 由 图 4中可 以 看 出 ， 过 火后 的型钢 混 凝 土框 架 受 梁荷 载 比的影 响较 小 ， 详 细对 比数 据 可 以得 出 在 受 火时 间且轴 压 比一 定 的情 况 下 ， 随 梁荷 载 比的增 图4不同梁荷载 的滞 回曲线和骨架 曲线对 比 第 3期 谢福娣等 ： 火灾 后型钢混凝土平面框架抗震性能有限元分析 3 9 大， 其刚度略有退 化骨架 曲线数值模拟结果较为 理想 ， 试件 的骨 架 曲线均 呈 “ s ” 型 ， 但 可 以看 出其 受 梁荷 载 比的影 响较 小 ， 在 受 火 时 间且 轴 压 比一 定 的 情况下 ， 随梁荷载 比的增大 ， 其刚度略有退化 4 2 变 形性 能与 延性分 析 延性是指结构 、 构件 、 材料在初始强度没有明显 下降的情况下 的非弹性变形或反复 弹塑性变形 的 能力 通 过 骨架 曲线 可 以 明显 看 出 ， 型 钢混 凝 土 柱 的 骨架曲线在达到最大荷载后 ， 下降段相对较长构 件 的延性反映出其在承载力并未显著下降的情况下 所能够承受变形 的能力延性系数是用来衡量构件 延性 大小 的主要 指标 延性系数的定义公式为 =A u A y ， 其 中 A y为 屈服位移 ， “为极限位移 ， 取反力降至峰值荷载 的 8 5 时所对应的位移取试件在加载时纵筋出现屈 服时的位移为屈服位移结果如表 3所示 表 3延性系数 受火 时间 延性系数 轴压比 延性 系数 跨中荷载比 延性系数 0 3 6 4 0 2 3 7 8 0 2 3 5 3 0 5 t 3 5 4 0 5 3 5 3 0 5 3 5 3 t 3 5 3 0 8 3 3 3 0 8 3 5 3 1 3耗 能性 能分 析 同 碰 的 器 件 下滞 同 曲 绋 械 主 满 一 构 件 的 耗 能 A 陛能越 好 通常采用构件 的等效阻尼系数 h 来对 l勾件的耗能能力进行定量分析 ， 其值可按 图 5中曲 线 A B C 所 包 围 的 面 积 和 三 角 形A O D 的 面 积 进 行 ， f 一 汁 算 _ o h 计算 结果 如表 4所示 图5 滞回环与 能量耗散示意图 表 4等效 阻尼系数 项 目 受火时间 受火时问 0 0 5 t 受火时 间 轴压 比 轴压 比 轴压比 梁荷载 比 梁荷载比 梁荷载 比 0 2 0 5 0 8 0 2 0 5 0 8 等效 粘滞 阻 尼 系数 h 在 0 2 4 0 3 0左 右钢 筋混凝土框架 的等效粘滞 阻尼系数一般为 0 1左 右可见 ， 型钢混凝土不仅有 更高的强度抵抗地震 荷载的作用 ， 而且在高轴压 比的状态下经历长时间 火灾影响， 型钢混凝土框架的耗散能量的能力是普 通 钢筋混 凝 土框架 的 2倍左 右 5结论与展望 1 ) 在相同轴压比和相同梁跨 中荷载的情 况下 ， 受火时间越短曲线越丰满 ； 相同受火时间下 ， 轴压 比 越小曲线越丰满 ； 对梁跨中荷载大小不敏感 ， 受影响 较 小 2 ) 从 骨 架 曲线可 以 明显看 出 ， 在 达 到 最 大 荷 载 后 ， 型钢混凝土柱 的骨架曲线的下降段较长 ， 相同轴 压比和相同梁跨 中荷载情况下 ， 受火时间越短下降 越平 缓 ， 延 性越 好 ； 相 同受火 时 间下 ， 轴 压 比越 小 下 降越平缓 ， 延性越好 ； 对梁跨 中荷 载大小变化不敏 感 ， 受影响较小 3 ) 构件延性 的大小可 以用延性系数来衡量 ， 在 最不利的情况下， 延性系数仍为 3 5左右 ， 说 明型钢 混凝 土框 架结 构具 有 的 良好 的延性 4 ) 在最不利 的情况下 ， 等效 粘滞阻尼 系数 为 0 2 4 ， 而其余情况下高达 0 2 7 0 3 ， 钢筋混凝土结 构 其等 效 粘 滞 阻尼 系数 一 般 为 0 1左 右可见 ， 型 钢混凝二 匕 框架结构不仅有更高的强度抵抗地震荷载 的作用 ， 而且在高轴压 比情况下 ， 型钢混凝土框架火 灾后的耗散能量的能力是钢筋混凝土 2倍左右因 此采用型钢混凝土结构是提高抗震能力 ， 保证人民 生命和财产安全的有效措施 ( 下转第 5 2页) 5 2 北 京 建 筑 工 程 学 院 学 报 2 0 1 3年 ( 上接 第 3 9页) 参 考 文献 ： 1 江见鲸 ， 徐志胜 防灾减灾工程学 M 北京 ： 机械工 业 出版社 ， 2 0 0 5 ： 81 2 2 陈家强高层 建筑火灾 与应对措 施 J 消防科 学与 技术 ， 2 0 0 7 ， 6 ( 2 ) ： 1 0 91 1 3 3 E u r o c o d e 4 2 0 0 5 B S E N1 9 9 4 1 2 ： D e s i g n o f c o mp o s i t e s t e e l a nd c o nc r e t e s t r u c t u r e s P a al - 2： Ge n e r a l r u l e s S t ruc t u r e d e s i g n S 4 E C C S T e c h n i c a l C o mm i t t e e 3 1 9 8 8 F i r e s a f e t y o f s t e e l s t r uc t u r e s，t e c h ni c a l n o t e，c a l c u l a t i o n o f t h e fir e r e s i s t a nc e o f c e n t r a l l y l o a d e d c o mp o s i t e s t e e l c o n c r e t e c o l u mns e x p o s e d t o t h e s t a n d a r d fi r e S 5 H u a n g Z F ， T a n K H， P h n g G HA x i a l r e s t r a i n t e f f e c t s o n t h e fir e r e s i s t a n c e o f c o mpo s i t e c o l umn s e nc a s i n g I - s e c t i o n s t e e l J J o u r n a l o f C o n s t r u c t i o n a l S t e e l R e s e a r c h ， 2 0 0 7， 6 3( 4) ：4 3 74 4 7 6 韩林海 ，郑永乾 R C柱和 S R C柱 的耐火性能和抗火 设计方法 c 全 国首届结构抗火学 术会议暨第三届 全国钢结构防火 技术研讨会 ， 2 0 0 5 ： 9 2 7 7 钱在兹 ， 金贤玉钢筋混凝 土受 明火作用的综合研究 C 第三届全 国结构 工 程学 术会 议 论 文集 ，1 9 9 4 ： 1 03 1 O8 8 吴波 火灾后 钢 筋混 凝 土结 构 的力学 性 能 M 北 京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 3 ： 2 53 0 9 曹文衔损伤 累积条件下钢框架结构火灾反应 的分析 研究 D 上海 ： 同济 大学 ， 1 9 9 8 1 O 毛小勇 ， 杜二 峰， 邹大鹏 型钢混 凝土 柱抗火 全过程 分析 J 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 0 9 ， 4 1 ( s 2 ) ： 2 1 5 2l 8 1 1 L i e T T， D e n h a m E M A F a c t o r s a f f e c t i n g t h e fi r e r e - s i s t a nc e o f c i r c u l a r h o l l o w s t e e l c o l u mns fil l e d wi t h ba r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f R NR C C NRC I n t e r n a l Re p o r t ， No 6 51，1 9 9 3 1 2 韩林 海钢 管混凝 土 结构 一理 论 与实 践 ( 第 2版 ) M 北京 ： 科学 出版社 ， 2 0 0 7 ： 1 51 8 1 3 吴波火灾后 钢筋混 凝土结 构 的力 学性 能 M 北 京 ： 科 学 出版 社 ， 2 0 0 3： 1 921 1 4 刘纲抗震框 架结构 能量反 应 的初步 分析 D 重 庆： 重庆大学 ， 2 0 0 2 1 5 赵立峰型钢混凝土柱滞 回特性 的有限元分析 D 长沙 ： 长沙理工大学 ， 2 0 0 6 责任 编辑 ： 佟启 巾