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钢管-型钢混凝土柱耐火性能有限元分析

2024-04-15 7 上传者：管理员

摘要：随着建筑结构的发展，钢混结构作为现代装配式建筑的主要形式之一，其耐火性能对建筑结构的整体能力影响重大。根据已有的试验研究，利用有限元分析软件ABAQUS构建了钢管-型钢混凝土柱的热-力耦合本构模型，分析了在ISO-834标准升温曲线下不同轴压比、偏心率、长细比和截面边长对钢管-型钢混凝土柱耐火极限的影响。模拟结果表明：构件耐火极限随着轴压比、偏心率和长细比的增加而降低；而在相同受火和荷载条件下，构件耐火极限随着截面边长的增加而增加。

关键词：
ABAQUS
新型组合柱
耐火性能
轴压比
钢管-型钢混凝土柱
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钢管-型钢混凝土柱是指在钢管混凝土柱中配置型钢而形成的新型组合柱。与传统的钢管混凝土柱相比，该组合柱承载力更高、耗能能力更好，能够满足现代建筑向大跨和高层建筑领域发展的需求。通常，在高温作用下，钢管-型钢混凝土柱的材料性能劣化严重，其耐火性能会直接影响柱的整体性能[1,2]。因此，研究钢管-型钢混凝土柱在高温作用下的耐火性能对推进钢混结构的发展意义重大。

张波等[3]分析了常见参数对方钢管混凝土柱三面受火的耐火性能的影响，并在其研究参数范围内，提出了与模拟结果吻合较好的耐火极限计算公式。韩祎等[4]通过建立ABAQUS有限元模型，分析了不同参数对内配型钢钢管混凝土柱耐火极限的影响，并提出了影响其耐火极限的主要参数。毛文婧等[5]通过改变钢管和型钢的含钢率，提出了高温条件下最佳耐火极限的含钢率配比。吕学涛等[6]通过改变构件的受火方式，研究了不同参数对T形钢管混凝土柱耐火极限的影响规律，研究结果表明，采用适当的计算长度和轴压比可以提高构件的耐火极限，偏心率对耐火极限的影响较为复杂。王志滨等[7]通过构建多种结构形式的钢管混凝土柱，分析了各参数对柱耐火极限的影响，得到了相同参数条件下，各结构形式钢管混凝土柱耐火极限的优先级。韩祎等[8,9]通过建立不同形状轴压和偏压的钢管-型钢混凝土柱模型，分析了各参数对构件耐火极限和剩余承载力的影响规律，研究结果表明，构件轴压比、长细比和钢管含钢率是影响构件耐火极限和剩余承载力的主要参数。

本文根据已有的研究方法，利用有限元分析软件ABAQUS构建高温下钢管-型钢混凝土柱的热-力耦合本构模型，并验证该模型的可靠性，从而进一步分析ISO-834标准升温曲线下不同参数对构件耐火极限的影响，以期为钢管-型钢混凝土柱的耐火设计和实际应用提供参考。

1、有限元模型的建立

利用有限元分析软件ABAQUS建立四面受火钢管-型钢混凝土柱热学和力学分析模型。

在热学分析中，钢材和混凝土采用Kodur等[10]提出的热工参数（导热系数、比热容、密度和热传导系数）。钢材与混凝土均采用三维实体热分析单元，钢管与混凝土、型钢与混凝土之间均采用绑定约束模拟构件传热；构件受火时，热量采用热对流和热辐射的方式由外界传递至构件表面，然后，通过热传导传递至构件内部，假定钢材与混凝土之间不存在热量损失，即完全传热；构件初始温度为20℃，传热系数为25 W/（m2·℃），综合辐射系数为0.5，绝对零度取-273℃，StefanBoltzmann常数取5.67×10-8 W/（m2·K）。参数设置完毕后，按照ISO-834标准升温曲线[11]对构件进行升温。

在力学分析中，钢材采用理想弹塑性模型，混凝土采用塑性损伤模型，高温下钢材和混凝土的力学本构模型采用欧洲规范EC4[12]的模型。钢管与混凝土、型钢与混凝土之间采用面面约束，加载块与钢管、混凝土、型钢之间采用绑定约束，其中，法向行为采用“硬”接触，切向行为采用“罚”摩擦公式，摩擦系数取0.6。构件下端完全铰接，约束X、Y、Z方向位移（U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0），在构件上端寻找合适的耦合点为加载点，并约束X、Y方向位移（U1=U2=UR3=0）。参数设置完毕，在分析步step-1中将荷载逐渐加至设定荷载；然后，在分析步step-2中引入温度场模拟结果，进行高温下钢管-型钢混凝土柱的耐火性能分析。

2、有限元模型的验证

利用所建模型对文献[13]提供的试验数据进行模拟，构件截面边长为300 mm，柱总长为1 800 mm，受火高度为1 200 mm，钢管和型钢均采用Q345钢，内部浇筑C55混凝土，钢管壁厚度为6 mm，型钢为HW150×150×7×10，轴压比为0.3和0.4。构件根据ISO-834标准升温曲线进行升温，构件热电偶布置如图1所示。

图1 构件热电偶布置下

图2为构件温度-时间关系曲线，图3为构件轴向位移-时间关系曲线。由图2、3可知，模拟结果与试验结果变化规律基本一致，两者吻合良好。因此，所建模型能够较好地模拟钢管-型钢混凝土柱的耐火性能。

图2 构件温度-时间关系曲线

3、耐火极限参数分析

采用上述建模方法对ISO-834标准升温曲线下的钢管-型钢混凝土柱进行耐火性能分析。构件参数为：截面边长L=300 mm，构件高度H=3 500 mm，型钢采用HW150×150×7×10，钢管壁厚度为6 mm，长细比λ=14，混凝土强度等级为C55；钢管和型钢均采用Q345钢，构件轴压比n=NF/Nu=0.3，其中，NF为试验荷载，Nu为常温下构件的极限承载力。以上述所建模型为例，进行ISO-834标准升温曲线下钢管-型钢混凝土柱均匀受火的参数分析，研究高温作用下各参数对钢管-型钢混凝土柱耐火极限的影响规律。各参数具体取值如下：轴压比n取0.3～0.6，偏心率e/r0(e为轴向压力作用点至截面重心的距离，r0=L/2）取0.3～0.6，构件长细比λ取20～50，截面边长L取300～600 mm。

图3 构件轴向位移-时间关系曲线

3.1 轴压比

轴压比对构件耐火性能的影响如图4所示。由图4(a）可知，在高温作用下，构件的轴向位移基本经历膨胀变形、压缩变形和破坏变形3个阶段，且轴压比越大，构件膨胀变形阶段位移的最大值越小，压缩变形阶段的时间越短，破坏变形阶段的位移越大。构件轴压比越大，构件的3个阶段历时越短，耐火极限显著降低，且构件耐火极限与其轴压比近似呈线性关系。由图4(b）可知，与轴压比为0.3时的耐火极限相比，轴压比为0.6时构件的耐火极限由167 min降低至93 min。因此，轴压比对构件的耐火极限影响较大。

图4 轴压比对构件耐火性能的影响

3.2 偏心率

偏心率对构件耐火性能的影响如图5所示。由图5(a）可知，在高温作用下，偏心率越大，构件膨胀阶段的位移越小，压缩阶段位移的变化速率越快。这是因为随着偏心率的增大，加载点位置逐渐向构件高温区域转移，构件核心区域分担的内力减少，构件所能承受的极限承载力降低，因此，构件受轴向压缩作用以及轴向位移均较明显，从而迅速破坏，达到耐火极限。由图5(b）可知，偏心率由0.3增加到0.6，构件的耐火极限由127 min降低至82 min，降低幅度为35.4%。可见，偏心率对构件耐火极限的影响较大，且与耐火极限成反比。

图5 偏心率对构件耐火性能的影响

3.3 长细比

长细比对构件耐火性能的影响如图6所示。在对长细比进行分析时，只改变构件的高度，截面边长不变。由图6(b）可知，随着长细比从20增加到50，构件的耐火极限从168 min降低至78min，且轴向位移的变化速率增大。这是因为构件轴心受压稳定系数受其高度和截面的最小回转半径影响。在轴心荷载作用下，构件截面边长不变，其长细比越大，轴心受压稳定系数越低。因此，构件受到高温作用后，轴心受压稳定系数降低和材料性能劣化，导致长细比越大，高温下构件受“二阶效应”的影响越明显，构件越容易发生压弯失稳破坏，从而提前达到耐火极限。

图6 长细比对构件耐火性能的影响

3.4 截面边长

截面边长对构件耐火性能的影响如图7所示。随着构件截面边长从300 mm增加到600 mm，构件的耐火极限也在增加，这是因为较大的截面边长会导致构件截面温度场存在较大差异。因此，截面边长越大，截面高温区域越小，构件材料性能劣化区域越小，构件承载力越大，从而导致构件的耐火极限增加。

4、结论

本文基于有限元分析软件ABAQUS建立了钢管-型钢混凝土柱耐火性能计算模型，并将模拟结果与试验结果进行了对比，两者的对比结果吻合良好。通过研究轴压比、偏心率、长细比和截面边长对钢管-型钢混凝土柱耐火性能的影响发现，在高温作用下构件的轴向位移基本会经历膨胀变形阶段、压缩变形阶段和破坏变形阶段，轴压比、偏心率、长细比和截面边长是影响钢管-型钢混凝土柱耐火性能的重要因素。

图7 截面边长对构件耐火性能的影响

参考文献:

[1]王清湘,赵大洲,关萍.钢骨-钢管高强混凝土轴压组合柱受力性能的试验研究[J].建筑结构学报,2003(6):44-49.

[2]朱美春,刘建新,王清湘.钢骨-方钢管高强混凝土柱抗震性能试验研究[J].土木工程学报,2011,44(7):55-63.

[3]张波,徐光朋,任庆新,等.双向偏压方钢管混凝土柱三面受火耐火性能有限元分析[J].沈阳建筑大学学报(自然科学版),2023,39(1):9-16.

[4]韩祎,王景玄.相邻两面受火的内配型钢钢管混凝土柱的耐火极限[J].兰州理工大学学报,2018,44(4):142-147.

[5]毛文婧,王文达,王景玄.含钢率对内配型钢方钢管混凝土柱耐火极限的影响[J].建筑结构学报,2017,38(增刊1):126-132.

[6]吕学涛,米振伟,王微微,等.非均匀火灾作用下T形薄壁钢管混凝土柱耐火极限[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2018,37(2):365-370.

[7]王志滨,张健斌,林志平,等.异形钢管混凝土柱的耐火性能研究[J].建筑钢结构进展,2021,23(6):54-60.

[8]韩祎,王景玄,王文达.内配型钢的圆钢管混凝土轴压构件的耐火性能[J].自然灾害学报,2015(2):52-59.

[9]韩祎,王景玄,王文达.内配型钢方钢管混凝土偏压构件受火全过程数值模拟[J].工程力学,2015,32(增刊1):60-65,90.

[13]朱美春,孟凡钦,何宝杰.型钢-钢管混凝土柱耐火性能试验研究[J].建筑结构学报,2016,37(3):36-43.