高溫下方鋼管混凝土柱耐火性能分析

(廣東海洋大學寸金學院 廣東 湛江 524003)

引言

基于國內外眾多學者對混凝土和鋼材耐火性能的大量研究結果，筆者運用有限元分析，對高溫下方鋼管混凝土耐火性能進行研究，并對國外相關試驗數據進行驗證。

一、高溫學鋼材和核心混凝土的熱力學性能

(一)鋼材的高溫力學性能和應力-應變關系模型

1.應力-應變關系模型

描述高溫下鋼材應力-應變關系的模型有很多[1]，考慮到鋼管混凝土柱在耐火過程中鋼管受力比較復雜，尤其是偏壓情況，精確描述其受力狀態是很困難的。本文選用文獻[2]提出的多線段彈性模型，具體如下：

(1)

式中：εp=4x10-6fy；fy為常溫下鋼材的屈服強度。

2.熱膨脹系數αs

鋼的熱膨脹系數隨溫度的升高會發生變化，但變化幅度不大，文獻[3,4]建議的鋼的熱膨脹系數為：

(2)

(二)核心混凝土的高溫力學性能和本構關系模型

1.高溫下核心混凝土的應力-應變關系

描述混凝土在恒定高溫受壓下的應力σc-應變εc模型時，根據對鋼管混凝土耐火極限試驗結果的驗算，發現仍可采用常溫下的表達式[5]，只是某些參數，如fck，ε0和ξ等是隨溫度變化的，基本表達式下[6]：

y=2x-x2(x≤1)

(3a)

(3b)

fc(T)=fc/[1+1.986×(T-20)3.21×10-9]

εcc(T)=(1.03+3.6×10-4T+4.22-6T2)(1300+12.5fc)(με)

η=1.6+1.5/x

ξ=αfy(T)/fck

α=As/Ac

2.熱膨脹系數αc關系

受火時混凝土熱膨脹系數的變化比較復雜。本文采用加拿大學者T.T.Lie給出的公式[3,4]計算：

αc=(0.008T+6)×10-6[m/(m·℃)]

(4)

3.恒定壓應力下混凝土的瞬態熱應變

混凝土的瞬態熱應變其值遠大于短期高溫徐變和高溫下應力產生的應變，是混凝土高溫變形的主要部分。由于瞬態熱應變假定為在混凝土施加荷載的同時即以完成，因此分析時可作為塑性應變的一部分，添加到混凝土應力—應變關系中。

文獻[8]給出的混凝土的瞬態熱應變：

(5)

二、試驗驗證

基于上述，對搜集到的方形鋼管混凝土柱耐火極限試驗數據進行驗算。

文獻[4]介紹了加拿大學者T.T.Lie的耐火試驗研究成果。試驗時，爐膛升溫曲線按加拿大設計規程CAN-S1010中給定的選取，即

(6)

其中T-爐膛溫度(℃)

t-升溫時間，以小時計。

按照文獻中五組長度均為3810mm、尺寸(Bs×Ts)不同的試件數據，采用相同的材料強度和軸壓荷載，將試驗測試結果與本文計算結果、公式計算結果進行對比，發現數值非常接近，相差不大。

三、結語

本文利用數值分析方法計算了方鋼管混凝土軸心受壓柱的耐火極限，證明了理論分析的可靠性及在設計荷載作用下方鋼管混凝土柱遭受火災時表現出良好的耐火性能，為實現局部火災下方鋼管混凝土框架結構抗火性能的分析創造了條件。