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型钢混凝土约束柱耐火极限实用计算方法

郑蝉蝉１，李引擎１，王广勇２

（1．中国建筑科学研究院，北京100013 ；2．建设部防灾研究中心，北京100013）

    摘 要：利用ABAQUS有限元软件，建立了热力耦合作用下四面受火型钢混凝土约束柱的数值分析模型，该模型得到了已有试验数据的验证。应用上述模型，详细考察了轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸、含钢率、截面配筋率等参数对型钢混凝土约束柱耐火极限的影响规律。对影响型钢混凝土约束柱耐火极限的各种参数进行详细计算分析，结果表明轴向约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸和混凝土强度是影响耐火极限的主要因素。通过大量计算给出了型钢混凝土约束柱耐火极限的实用抗火计算方法。

关键词：型钢混凝土柱；耐火极限；ABAQUS

中图分类号：X913.4 ,TU375.3    文献标志码：Ａ 

文章编号：1009-0029(2017)01-0008-06

近年来，由于高层建筑数量的增多和规模的扩大，结构跨度和高度随之增加，导致结构承受的荷载越来越大。型钢混凝土结构充分发挥了钢材和混凝土的优点，其承载力大、延性好，大大促进了型钢混凝土框架结构在高层建筑结构中的应用。在型钢混凝土框架结构中，型钢混凝土框架柱是决定火灾下结构是否倒塌的关键因素。型钢混凝土柱在框架中受周围梁柱的约束作用，因此需要对型钢混凝土约束柱进行研究。

对于约束柱耐火性能的研究，Ali和O＇CONNOR对受轴向约束和转动约束作用的钢柱进行了耐火试验研究，为约束钢柱的研究奠定了基础。TAN等对约束钢柱展开耐火试验研究，结果表明钢柱的轴向约束刚度、初始缺陷和偏心率会显著影响柱的耐火极限。乔长江对升降温全过程的钢筋混凝土约束柱进行柱轴力和柱半高处弯矩分析，并给出相应的实用计算公式。徐玉野和吴波通过编制端部约束异形柱的高温受力程序，研究轴向约束对柱耐火极限的影响。陈筱妹对端部约束混凝土柱的耐火性能进行了初步研究，建议给出了约束柱的柱端侧移随时间的变化规律。行盼娟等利用有限元分析了不同轴向约束刚度、柱高度、轴力比等参数对轴向约束PEC柱耐火极限的影响规律。HUANG等对型钢混凝土柱进行试验研究，考察了不同轴向约束刚度比对型钢混凝土的温度场分布和受力的影响。

通过不同轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸、含钢率、截面配筋率等参数分析约束柱在火灾下的耐火极限，在大量计算的基础上给出型钢混凝土约束柱耐火极限的实用抗火计算方法，以期为型钢混凝土框架结构的抗火设计提供参考。

１ 有限元模型及验证

１．１ 有限元模型的建立

应用ABAQUS的顺序热力耦合模型进行型钢混凝土约束柱的耐火性能分析，首先对约束柱进行温度场计算，然后在力学模型中调取构件温度场的数据进行力学性能分析。

（1）材料的热工性能。钢材和混凝土的热工参数都随温度的变化而变化。在对构件进行温度分析时采用Lie和Denham给出的钢材和混凝土的热工参数。

（2）材料的力学分析模型。正确选取高温下钢材和混凝土的应力－应变关系是计算型钢混凝土柱耐火极限的关键因素。笔者选取文献［8］给出的钢材和混凝土的本构关系模型。

（3）单元类型和网格划分。在温度场模型中，混凝土和型钢的单元类型采用三维实体单元C3D8R。力学模型中，混凝土、型钢和钢筋采用三维实体单元C3D8R，且钢筋温度自动选取形心处混凝土的温度。温度场分析和力学分析模型的网格划分模式相同，均采用映射网格。

（4）界面处理及边界条件。传热分析采用二维传热分析，即只考虑温度沿型钢混凝土柱横截面的温度传递，不考虑温度场沿构件长度方向的变化。力学分析中，文献［9］研究表明，型钢和混凝土之间粘结滑移对柱耐火性能的影响较小，在此不考虑粘结滑移对柱力学性能的影响。为验证有限元模型的正确性，力学分析模型的边界条件和文献［10］中试验的边界条件保持一致，下端板固结，上端板约束自由度UX、UY、URY和URZ。

图1为型钢混凝土约束柱的热电偶布置图。热电偶分别布置在型钢翼缘外边缘、型钢腹板中点位置和靠近主筋位置处。图2为型钢混凝土约束柱的有限元模型。

１．２ 有限元模型的验证

应用上述模型对文献［10］的轴向约束型钢混凝土柱SRC04和SRC05进行验证。SRC04和SRC05的材料参数及试件设计，如表１所示。钢材材料等级为Q325B，钙质骨料混凝土的强度等级为C30。SRC04和SRC05柱高4310 ｍｍ（包括两个30 ｍｍ的端板厚度）。为保证柱下部的底座不受高温影响且柱上部火焰不溢出炉盖，分别在型钢混凝土柱底和柱顶位置包裹耐火岩棉，此时柱的实际受火高度为3450 ｍｍ。试验过程中柱四面受火，升温曲线遵循ISO834国际标准升温曲线。

 图3～图4为SRC04和SRC05的温度场计算值与试验值的对比情况，图5～图6为SRC04和SRC05的柱顶竖向位移计算值与试验值的对比情况。由图可得，有限元模拟和试验结果总体吻合较好。

２ 型钢混凝土约束柱耐火极限参数分析                                                                           2  

计算各参数对型钢混凝土约束柱耐火极限的影响时，为简化有限元计算模型，采取两端铰接的等偏压型钢混凝土柱计算模型，如图７所示。柱上端受轴向约束和转动约束作用，柱下端受转动约束作用。升温曲线采用ISO834国际标准升温曲线。

选取的变量及其取值如下：荷载比n＝N／N０（0.6、0.7、0.8）、轴向约束刚度比βｌ＝kｌ／［（EｃAｃ＋EａAａ＋EｓAｓ）／H］（0.005、0.01、0.02）、转动约束刚度比βｒ＝kｒ／［4（EｃIｃ＋EａIａ＋EｓIｓ）／H］（1.0、2.0、4.0）、偏心率ε＝e／0.5h（0.2、0.5、0.8）、截面尺寸b×h（300 ｍｍ×300 ｍｍ、400 ｍｍ×400 ｍｍ和500 ｍｍ×