轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究.pdf

2023年7 月第39卷第4期文章编号：2 0 9 5-19 2 2(2 0 2 3)0 4-0 6 15-0 9沈阳建筑大学学报（自然科学版）Journal of Shenyang Jianzhu University(Natural Science)Jul.2023Vol.39,No.4doi:10.11717/j.issn:2095-1922.2023.04.05轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究张波1,徐光朋,任庆新13,秦笑笑1（1.沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110 16 8；2.辽宁清创高科建筑工业化咨询有限公司，辽宁沈阳110 17 9;3.佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山52 8 2 2 5)摘要目的解析轴压下三面受火的中空钢管混凝土叠合长柱的力学行为，建议耐火极限简化计算公式。方法采用有限元分析软件ABAQUS建立轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱温度场和力学分析模型，研究轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱的温度场分布、破坏模态、变形特点、内力分布等，分析空心率、截面边长、荷载比和长细比对中空钢筋混凝土柱耐火极限的影响。结果在高温下中空钢管混凝土叠合长柱发生了内力重分布；截面边长由30 0 mm分别增加至6 0 0 mm、9 0 0 m m和12 0 0 mm时，构件耐火极限分别增长了131.8 3%、2 2 1.8 1%和312.0 2%；长细比由2 2 增加至44和6 6 时，构件耐火极限分别降低了2 5.46%和6 2.7 7%；荷载比由0.4分别增加至0.5、0.6 和0.7 时，构件耐火极限分别降低了39.0 3%、6 5.7 1%和85.54%。结论中空钢管混凝土叠合柱的耐火性能优于中空钢筋混凝土柱，提出的耐火极限简化计算公式与有限元模型计算结果吻合程度较好。关键词轴压；三面受火；中空钢管混凝土叠合长柱；有限元分析；耐火性能中图分类号TU398.9文献标志码AResearch on Fire Resistance of Hollow Concrete-encasedCFST Long Column Subjected to Three-side Fire andAxial CompressionZHANG Bo2,U Guangpeng,REN Qingxin,OIN Xiaoxiao(1.School of Civil Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang,China,110168;2.Liaoning QingchuangHigh-tech Building Industrialization Consulting Co.Ltd.Shenyang,China,110179;3.School of Transportation,CivilEngineering&Architecture,Foshan University,Foshan,China,528225)Abstract:Analysis of the mechanical behaviour of a hollow concrete-encased CFST long column收稿日期：2 0 2 2-0 9-30基金项目：国家自然科学基金项目（518 0 8 351）；沈阳市科学技术计划项目（2 1-10 8-9-34）作者简介：张波（197 9一），男，教授级高级工程师，主要从事装配式建筑、道路工程及隧道工程等方面研究。616subjected to a three-sided fire and axial compression,with a proposed simplified formula forcalculating the fire resistance limit.The finite element analysis software ABAQUS is used toestablish the temperature field and the mechanical finite element analysis model of the hollowconcrete-encased CFST long column subjected to three-sided fire and axial compression,to studythe temperature field distribution,damage modalities,deformation characteristics and internal forcedistribution,and to analyse the effects of hollow ratio,section edge length,load ratio and length toslenderness ratio on the fire resistance limit of hollow reinforced concrete columns.The internalforce redistribution occurs in long hollow steel tube concrete composite columns at hightemperatures;the fire resistance limit of the members increases by 131.83%,221.81%and312.02%when the section side length is increased from 300 mm to 600 mm,900 mm and 1 200mm,respectively;the fire resistance limit of the members decreases by 25.46%and 62.77%whenthe length to slenderness ratio is increased from 22 to 44 and 66,respectively.When the loadingratio was increased from 0.4 to 0.5,0.6 and 0.7,the fire resistance limits of the members werereduced by 39.03%,65.71%and 85.54%respectively.Conclusion The fire resistance of hollowconcrete-encased CFST columns is better than that of hollow reinforced concrete columns,and theproposed simplified formula for calculating the fire resistance limit agrees well with the finiteelement model calculation results.Key words:axial compression;three-side fire;hollow concrete-encased CFST long column;finiteelement analysis;fire resistance沈阳建筑大学学报（自然科学版）第39卷中空钢管混凝土叠合柱是一种由核心钢管和外围钢筋混凝土组成的新型组合构件，在高层建筑发展中具有十分重要的作用。李国强 和韩林海2 对钢混凝土组合结构的耐火性能进行研究。项凯3、L.Xu4和周侃5 对均匀受火作用下钢管混凝土叠合柱的耐火性能进行了试验研究,指出试件在荷载和高温作用下的破坏模态呈现整体屈曲，且角部混凝土发生剥落现象，外围钢筋混凝土能够有效避免钢管发生局部屈曲,提高构件的耐火性能。侯舒兰6 进行了考虑火灾降温作用下钢管混凝土叠合柱耐火性能理论研究，指出钢管混凝土叠合柱在降温阶段仍有可能发生破坏。H.Lu7和韩林海等2 对均匀受火作用下中空夹层钢管混凝土柱的耐火性能进行了试验研究，指出试件均发生整体屈曲破坏，内置圆钢管时未发生局部屈曲现象。发生火灾时，由于结构柱所处位置不同,受火边界条件也不相同,有的结构柱处于非均匀受火状态8 ，非均匀火灾作用下，构件会出现不均匀的挠曲变形和附加偏心距，降低了构件的耐火性能。叶友林9 和张玉琢等10 对三面受火方钢管约束钢筋混凝土柱耐火极限进行了研究，指出试件均发生整体屈曲破坏。王明涛 指出非均匀受火作用下钢管混凝土叠合柱外围混凝土开始降温时，核心钢管混凝土仍处于升温阶段，温度滞后明显。L.Xu等12 对三面受火钢管混凝土叠合柱耐火极限进行了研究，提出了耐火极限实用计算公式。张玉琢等13 对三面受火中空夹层钢管混凝土柱耐火极限进行理论研究,指出荷载比、长细比和界面尺寸是影响构件耐火极限的主要参数，并提出了耐火极限实用计算公式。其他学者也对构件非均匀受火进行理论研究,分析了影响构件耐火极限的主要参数，提出了剩余承载力实用计算公式13-19。综上所述，笔者继续开展研究，利用ABAQUS有限元分析平台，选取合理的热工参数和材料本构模型对轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱的耐火性能进行分析，并提出了耐火极限简化计算公式。1有限元分析模型1.1模型建立采用“热一力顺序耦合”的方法对轴压第4期下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能进行分析。在温度场计算模型中，材料的热工参数按照T.T.Lie【2 0 的建议取值；假定中空钢管混凝土叠合长柱三面全高度受火，采用ISO-834标准升温曲线2 1,初始温度设为2 0；钢管和混凝土采用DC3D8单元，纵筋和箍筋采用DC1D2单元;钢管与混凝土的接触面采用Tie约束，钢筋笼采用内嵌于混凝土中；受火面和背火面的热对流系数分别取2 5W/（m.）和9W/（m.）,综合辐射系数取 0.56 。在力学性能计算模型中,钢管和混凝土采用C3D8R单元,纵筋和箍筋采用T3D2单元；钢管与混凝土相互作用在法向上定义为“硬接触”,在切向上采用摩擦系数为0.6 的库伦摩擦6 ;参考点RP1和RP2分别与中空钢管混凝土叠合长柱底表面和柱顶表面耦合；初始偏心距为1/10 0 0 L。中空钢管混凝土叠合长柱的网格划分和受火方式如图1所示。降温NTTU,=U-=UR,=01热啤热对一一一U,=U,=U,=UR,=01升温图1网格划分与受火方式Fig.1Meshing and fire mode1.2常温性能验证为验证常温下中空钢管混凝土叠合长柱力学有限元分析模型的正确性，与文献22-23的空心钢管混凝土叠合柱轴压力学性能试验结果进行对比。图2 为极限承载力计算值与试验结果对比曲线,Nuc/Nue的平均值为0.9 41,均方差为0.0 6 2，可见有限元模型可较好地预测轴压极限承载力。图3为张波等：轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究+10%4.000-10%2000文献2 2 文献2 302 000Nu./kN图2 极限承载力计算值与试验结果对比Fig.2 Comparison of calculation value and test resultof ultimate bearing capacity4.0003000之2.0001000热对流业（617轴向荷载一应变关系计算值与试验结果对比曲线，通过对比发现有限元模型可较好地预测空心钢管混凝土叠合柱轴向荷载一应变关系曲线的发展趋势。6.0000图3轴向荷载应变关系计算值与试验结果对比业Fig.3 Comparison between the calculated values ofaxial load-strain relation and the experimental results1.3耐火性能验证为验证中空钢管混凝土叠合长柱有限元分析模型的正确性,与H.Lu7均匀受火方套圆中空夹层钢管混凝土柱和唐贵和2 41 三面受火方钢筋混凝土柱温度场试验数据进行了对比；与H.Lu7均匀受火方套圆中空夹层钢管混凝土柱和周侃5 均匀受火方套圆钢管混凝土叠合柱耐火极限试验数据进行对比。图4为温度时间关系计算值与试验结果对比曲线,试件 SC1在d=65 mm时的温4.0002.50050008/1066.000750010.000618差稍大，这可能是因试件中空部分密封不好导致，且对于方套圆截面的计算值偏于安全。图5为轴向位移时间关系计算与试验结果对比曲线，可见试件SC1耐火极限计算值偏500T一实测一计算400d-33mm3002001000Fig.4 Comparison of the calculated value of temperature-time relationship with the experimental results20文献5一实测+实测1010一计算0沈阳建筑大学学报（自然科学版）安全，试件SO-2耐火极限吻合较好。故有限元模型可较好地预测三面受火作用下方套圆组合结构柱的耐火性能，且计算值偏于安全。800文献7 6004002001=65mm3060受火时间/min(a)Sc1图4温度时间关系计算值与试验结果对比文献7第39卷文献2 4+实测一计算90120020030受火时间/min(b)Z36090120一计算-10-20-30-400Fig.5 Calculation of axial displacement-time relationship and comparison of test curves2受力机理分析典型构件设计参数为BDtL=300 mm 150 mm7.5 mm 3 800 mm、火灾荷载比n=0.4、长细比入=44、纵向钢筋为8d18（f，=335M Pa）、钢管牌号为Q345(fys=345MPa）、混凝土型号为C50（f e u=50 MPa)、箍筋为 8100(f,=300 MPa)。2.1温度一时间曲线图6 为中空钢管混凝土叠合长柱测点分布及温度一时间关系曲线。通过对测点-10-20-30-4060120受火时间/min(a)SC1图5车轴向位移时间关系计算与试验曲线对比100150200 250300350受火时间/min图6温度一时间曲线Fig.6Temperature-time curves-18001200900600300060受火时间/min(b)S0-2X50120+测点1+测点2+测点3测点4测点55180第4期15的温度对比发现，三面受火中空钢管混凝土叠合长柱截面温度从受火面到背火面有逐渐下降的趋势，钢管表面的温度要低于外围混凝土温度，说明外围钢筋混凝土对钢管起到了保护作用。2.2轴向位移-时间曲线图7 为三面受火中空钢管混凝土叠合长柱的轴向位移时间关系曲线。三面受火中空钢管混凝土叠合柱变形主要分为3个阶段：膨胀阶段，火灾作用初期，构件外部温20100-10-20-30-4002.3石破坏模态图8 为中空钢管混凝土叠合长柱的破坏模态。由图可见,轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱发生了压弯破坏，从整体破坏模态上看,构件具体表现为弯曲，柱中侧向挠度最大，破坏发生在柱中最大侧向挠度处，此区域内混凝土极易压溃、开裂。纵向塑性应变纵向塑性应变+3.46110+2.88410+1.95910+2.42710+4.57710+1.97010-1.044103+1.51210%2.5410+1.055104.04710+5.980105.54910+1.409107.05110-3.163108.5531037.7310-1.005101.23110-1.156101.68810-1.306102-2.14510-1.4561022.60210(a)入=2 2(b)=44图8 典型构件破坏模态Fig.8 Typical component failure modes张波等：轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究n=0.4n=0.5n=0.6+n=0.73060受火时间t/min(a)荷载比Fig.7Axial displacement time curves2.4应变分布图9为中空钢管混凝土叠合长柱在常温和升温时柱中截面混凝土纵向塑性应变分布。由图可见，常温加载结束时刻,因荷载比较小,未出现纵向塑性应变；在升温破坏时刻,因加载时考虑了初始偏心距以及温度场的不均匀分布产生的附加偏心距,柱中纵向塑性应变主要出现在高温受压区和低温受拉纵向塑性应变+3.80110+3.18710+2.57210+1.95810+1.34310+7.29010+1.146104.99810-1.114103-1.729102.34310-2.958103.57210(c)=66619度逐渐升高，随着温度升高，外部材料发生劣化，产生轴向膨胀变形；加速变形阶段，火灾作用中后期,构件内部温度不断升高,材料劣化速率迅速增加,此时材料的压缩变形高于构件的轴向膨胀变形;破坏阶段，火灾作用末期，构件材料劣化达到临界，构件所能承受的有效荷载小于轴向外荷载，此时构件的轴向压缩变形急速增快，轴向变形与受火时间关系曲线近似垂线。20100-10-20-30-4090120图7 轴向位移时间曲线区，且呈偏心分布,此区域内的混凝土极易发生压溃、开裂。2.5应力变化图10 为中空钢管混凝土叠合长柱在常温和升温时柱中截面混凝土纵向应力分布。由图可见，常温加载结束时刻，在考虑1/1000L初始偏心距下，混凝土纵向应力呈条带分布;升温破坏时刻,因受火面材料劣化程度较大，混凝土纵向压应力主要集中在受压区-1=221=44=66030受火时间/min(b)长细比6090120620靠近钢管温度相对较低处，混凝土纵向拉应力纵向塑性应变+0.00010+0.000100+0.000180+0.000180+0.000180+0.000180+0.000180+0.000180+0.00018%+0.000100+0:000100+0.000180+0.000180(a)常温加载结束时刻Fig.9 Longitudinal plastic strain distribution of concrete in column section纵向应力/MPa-1.45010-1.47110-1.49210-1.51410-1.53510-1.55610-1.57710-1.59810-1.61910-1.64010-1.66110-1.68210-1.70310(a)常温加载结束时刻Fig.10 Longitudinal stress distribution of concrete in column section2.6内力变化图11为轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱各组成部分轴力时间关系曲线。在常温加载结束时刻（t=0）,混凝土、纵筋和钢管分担的内力分别占外荷载的66.11%,10.71%和2 3.18%。在火灾作用初期，外围混凝土和纵筋的温度远高于截面内部钢管，高温下混凝土和纵筋热膨胀变形2000150010005000图11各组成部分的轴力一时间关系Fig.11 Axial force-time relationship of eachcomponent沈阳建筑大学学报（自然科学版）主要集中在靠近背火面温度相对较低处。纵向塑性应变+1.86310+1.510102+0.15710+8.040104+4.50910+9.77410s2.55410-6.085104-9.61710-1.315103-1.668103-2.02110元-2.374 103(b)升温破坏时刻图9柱中截面混凝土纵向塑性应变分布图纵向应力/MPa3:70210+7.52510-2.197100-5.147100-8.096100-1.10510-1.40010-1.69410-1.98910-2.284102.57910-2.87410-3.16910(b)升温破坏时刻图10 柱中截面混凝土纵向应力分布图更大,其强度在火灾作用初期损失较小,分担的内力增大。在火灾作用中后期,混凝土和纵筋的温度不断升高,高温导致其强度损失严重，而钢管受混凝土热惰性保护,其温度较低,混凝土和纵筋卸载下来的内力由钢管分担,钢管分担的内力增大。在升温破坏时刻（t=83.87min）,混凝土、纵筋和钢管分担的内力分别占外荷载的50.98%，13.49%和35.53%。2.7丙两种柱的耐火性能比较中空钢管混凝土叠合柱可看成由钢管和外荷载一混凝土钢管纵筋一3060t/min第39卷外围钢筋混凝土叠合而成的一种组合构件。为了解此类组合构件在三面受火作用下是否比中空钢筋混凝土柱的力学性能更优秀，根据典型算例的设计参数，建立了无钢管的中空钢筋混凝土柱的耐火性能有限元计算模型。图12 为中空钢筋混凝土柱与中空钢管90混凝土叠合柱在三面受火作用下的轴向位移-时间关系曲线对比。从图中可以看到，中空钢管混凝土叠合柱的耐火极限明显高于中空钢筋混凝土柱，这是因为位于截面核心第4期的钢管受外围混凝土的包裹，钢管在高温下的劣化程度远远小于外围混凝土，使混凝土卸载下来的荷载逐渐转移到截面核心位置的钢管上，因而,中空钢管混凝土叠合柱具有更好的耐火性能。20100-10-20-30-400图12两种柱的轴向位移时间曲线对比Fig.12Comparison of axial displacement-timecurves of two kinds of columns3参数分析空心率(x）、截面边长（B）、长细比（入）、荷载比(n)等参数对轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火极限的影响如图13所示。150120uu/90上6030010500n=0.4n=0.5400n=0.6n=0.730012001000300张波等：轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱耐火性能研究一中空钢筋混凝土柱中空钢管混凝土叠合柱3060时间/min20 x/%(a)空心率一600B/mm(b)截面边长621180n=0.4n=0.5150+n=0.6n=0.7120uu9060300221501209060903000.4图13参数对耐火极限的影响Fig.13 Influence of parameters on fire resistance3.1空心率从图13中看出，空心率对耐火极限的影响较弱，空心率为2 0%时，中空钢管混凝土叠合长柱的耐火极限最低。故从实际应用和安全的角度出发，空心率设定为2 0%。3.2截面边长耐火极限与截面边长成正比，随着截面边长的增加,基于混凝土的热惰性,导致温度向截面内传递变慢，延缓了截面内部升温，当截面边长由30 0 mm增加至6 0 0 mm、30900mm和12 0 0 mm时,耐火极限增加了131.83%、2 2 1.8 1%和312.0 2%。3.3长细比耐火极限与长细比成反比。当长细比由22增加至44和6 6 时,耐火极限分别降低了25.46%和6 2.7 7%。随长细比增加，构件破坏形式由材料劣化引起的轴压破坏变为由刚度迅速下降引起的压弯破坏。900120044(c)长细比0.50.6n(d）荷载比3.4荷载比耐火极限与荷载比成反比。随着荷载比的661=221=44+1=660.7622增加，构件内混凝土和钢材允许劣化程度越小，当荷载比由0.4增加至0.5.0.6 和0.7 时，耐火极限分别降低了39.0 3%、6 5.7 1%和8 5.54%。故荷载比越大,构件的耐火极限越小。4实用计算方法在参数分析的基础上,对此类构件的耐火极限进行基于非线性回归方法的曲线拟合。试件设计基本参数同典型构件设计参数,参数范围取n为0.4 0.7、入为2 2 6 6、B为30 0 12 0 0 mm。对轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱的耐火极限简化计算,得到：tR=(-0.031B+85.118B 14 423.954)-0.786 1-n.36.22.(1)2V/3L式中：入=2B图14为笔者提出的耐火极限简化计算公式计算值与有限元模型结果对比，两者比值的平均值为0.9 40 3,均方差为0.1437,可见两者吻合程度较好。420360300uru/240180120600图14耐火极限计算值与有限元结果对比Fig.14Comparison of calculated fire resistancelimits and finite element results5结 论(1)因材料高温劣化和温度不均匀分布，轴压下三面受火中空钢管混凝土叠合长柱随着受火时间增加，轴向荷载逐渐向内部沈阳建筑大学学报（自然科学版）钢管转移，截面内力发生重分布，在升温破坏时刻构件柱均发生压弯破坏,与长细比无关。(2)在轴向荷载和三面受火共同作用下，中空钢管混凝土叠合柱比中空钢筋混凝土柱具有更好的耐火性能。(3)提出的耐火极限简化公式计算值与有限元计算结果吻合较好。参考文献1李国强，韩林海.结构抗火研究进展与趋势J.建筑钢结构进展,2 0 0 6(1)：1-13.(LI Guoqiang,HAN Linhai.Development ofthe research on fire-resistance of structuresJ.Progress in building steel structure,2006(1):1-13.)2 韩林海，宋天.钢-混凝土组合结构抗火设计原理M.北京：科学出版社,2 0 12.(HAN Linhai,SONG Tianyi.Fire safety designtheory of steel-concrete composite structuresM.Beijing:Science Press,2012.)3项凯，王国辉，赵璧.圆形截面钢管混凝土叠合柱耐火性能试验研究J.消防科学与技术,2 0 13,32(12):1311-1314.(XIANG Kai,WANG Guohui,ZHAO Bi.Experimental study on fire resistance ofconcrete laminated columns with round cross-sectional steel pipes J.Fire science andtechnology,2013,32(12):1311-1314.)4XU L,LIU Y B.Concrete filled steel tubereinforcedconcrete（CFST R C）c o n c r e t esubjected to ISO-834 standard fire:experimentJ.Advances in structural 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