型鋼混凝土約束柱耐火極限實用計算方法

鄭蟬蟬李引擎王廣勇

1中國建築科學研究院北京100013 2建設部防災研究中心北京100013

     利用ABAQUS有限元軟件建立了熱力耦合作用下四麵受火型鋼混凝土約束柱的數值分析模型該模型得到了已有試驗數據的驗證應用上述模型詳細考察了軸向約束剛度比轉動約束剛度比荷載比偏心率截麵尺寸含鋼率截麵配筋率等參數對型鋼混凝土約束柱耐火極限的影響規律對影響型鋼混凝土約束柱耐火極限的各種參數進行詳細計算分析結果表明軸向約束剛度比荷載比偏心率截麵尺寸和混凝土強度是影響耐火極限的主要因素通過大量計算給出了型鋼混凝土約束柱耐火極限的實用抗火計算方法

關鍵詞型鋼混凝土柱耐火極限ABAQUS

中圖分類號X913.4 ,TU375.3    文獻標誌碼 

文章編號1009-0029(2017)01-0008-06

近年來由於高層建築數量的增多和規模的擴大結構跨度和高度隨之增加導致結構承受的荷載越來越大型鋼混凝土結構充分發揮了鋼材和混凝土的優點其承載力大延性好大大促進了型鋼混凝土框架結構在高層建築結構中的應用在型鋼混凝土框架結構中型鋼混凝土框架柱是決定火災下結構是否倒塌的關鍵因素型鋼混凝土柱在框架中受周圍梁柱的約束作用因此需要對型鋼混凝土約束柱進行研究

對於約束柱耐火性能的研究AliOCONNOR對受軸向約束和轉動約束作用的鋼柱進行了耐火試驗研究為約束鋼柱的研究奠定了基礎TAN等對約束鋼柱展開耐火試驗研究結果表明鋼柱的軸向約束剛度初始缺陷和偏心率會顯著影響柱的耐火極限喬長江對升降溫全過程的鋼筋混凝土約束柱進行柱軸力和柱半高處彎矩分析並給出相應的實用計算公式徐玉野和吳波通過編製端部約束異形柱的高溫受力程序研究軸向約束對柱耐火極限的影響陳筱妹對端部約束混凝土柱的耐火性能進行了初步研究建議給出了約束柱的柱端側移隨時間的變化規律行盼娟等利用有限元分析了不同軸向約束剛度柱高度軸力比等參數對軸向約束PEC柱耐火極限的影響規律HUANG等對型鋼混凝土柱進行試驗研究考察了不同軸向約束剛度比對型鋼混凝土的溫度場分布和受力的影響

通過不同軸向約束剛度比轉動約束剛度比荷載偏心率截麵尺寸含鋼率截麵配筋率等參數分析約束柱在火災下的耐火極限在大量計算的基礎上給出型鋼混凝土約束柱耐火極限的實用抗火計算方法以期為型鋼混凝土框架結構的抗火設計提供參考

 有限元模型及驗證

1.1 有限元模型的建立

應用ABAQUS的順序熱力耦合模型進行型鋼混凝土約束柱的耐火性能分析首先對約束柱進行溫度場計算然後在力學模型中調取構件溫度場的數據進行力學性能分析

1材料的熱工性能鋼材和混凝土的熱工參數都隨溫度的變化而變化在對構件進行溫度分析時采用LieDenham給出的鋼材和混凝土的熱工參數

2材料的力學分析模型正確選取高溫下鋼材和混凝土的應力應變關係是計算型鋼混凝土柱耐火極限的關鍵因素筆者選取文獻8給出的鋼材和混凝土的本構關係模型

3單元類型和網格劃分在溫度場模型中混凝土和型鋼的單元類型采用三維實體單元C3D8R力學模型中混凝土型鋼和鋼筋采用三維實體單元C3D8R且鋼筋溫度自動選取形心處混凝土的溫度溫度場分析和力學分析模型的網格劃分模式相同均采用映射網格

4界麵處理及邊界條件傳熱分析采用二維傳熱分析即隻考慮溫度沿型鋼混凝土柱橫截麵的溫度傳遞不考慮溫度場沿構件長度方向的變化力學分析中文獻9研究表明型鋼和混凝土之間粘結滑移對柱耐火性能的影響較小在此不考慮粘結滑移對柱力學性能的影響為驗證有限元模型的正確性力學分析模型的邊界條件和文獻10中試驗的邊界條件保持一致下端板固結上端板約束自由度UXUYURYURZ

1為型鋼混凝土約束柱的熱電偶布置圖熱電偶分別布置在型鋼翼緣外邊緣型鋼腹板中點位置和靠近主筋位置處2為型鋼混凝土約束柱的有限元模型

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1.2 有限元模型的驗證

應用上述模型對文獻10的軸向約束型鋼混凝土柱SRC04SRC05進行驗證SRC04SRC05的材料參數及試件設計如表所示鋼材材料等級為Q325B鈣質骨料混凝土的強度等級為C30SRC04SRC05柱高4310 mm包括兩個30 mm的端板厚度)。為保證柱下部的底座不受高溫影響且柱上部火焰不溢出爐蓋分別在型鋼混凝土柱底和柱頂位置包裹耐火岩棉此時柱的實際受火高度為3450 mm試驗過程中柱四麵受火升溫曲線遵循ISO834國際標準升溫曲線

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 34SRC04SRC05的溫度場計算值與試驗值的對比情況56SRC04SRC05的柱頂豎向位移計算值與試驗值的對比情況由圖可得有限元模擬和試驗結果總體吻合較好

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 型鋼混凝土約束柱耐火極限參數分析                                                                           2  

計算各參數對型鋼混凝土約束柱耐火極限的影響為簡化有限元計算模型采取兩端鉸接的等偏壓型鋼混凝土柱計算模型如圖所示柱上端受軸向約束和轉動約束作用柱下端受轉動約束作用升溫曲線采用ISO834國際標準升溫曲線

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選取的變量及其取值如下荷載比nNN0.60.70.8)、軸向約束剛度比βk/[(EAEAEA)/H](0.0050.010.02)、轉動約束剛度比βk/[4EIEIEI)/H](1.02.04.0)、偏心率εe0.5h0.20.50.8)、截麵尺寸b×h300 mm×300 mm400 mm×400 mm500 mm×