某鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)受火仿真研究

張承業(yè)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安　710065)

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某鋼管混凝土柱結(jié)構(gòu)受火仿真研究

張承業(yè)

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安710065)

摘要：為復(fù)核某水電站主廠(chǎng)房新型鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)受火性能，通過(guò)ADINA仿真分析軟件計(jì)算對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，結(jié)果以實(shí)際指標(biāo)表明隨溫度升高逐漸惡化，結(jié)構(gòu)承載力逐漸下降，此研究為耐火設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞：ADINA；仿真分析；鋼管混凝土組合柱;受火性能

近年來(lái),鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、施工便利等性能，在工業(yè)廠(chǎng)房領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)有裸露的受力鋼構(gòu)件，因而該結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)一樣，耐火設(shè)計(jì)是重要環(huán)節(jié)。目前耐火設(shè)計(jì)主要依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，缺乏量化的分析方法。本研究以大型有限元程序ADINA作為分析工具對(duì)某水電站廠(chǎng)房鋼管混凝土排架結(jié)構(gòu)的受火情況進(jìn)行計(jì)算分析，研究了矩形鋼管混凝土柱隨外界溫度發(fā)生變化時(shí)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力的變化規(guī)律和受火性能，為耐火設(shè)計(jì)提供了量化依據(jù)。

1計(jì)算案例簡(jiǎn)介

本水電站仿真計(jì)算選取廠(chǎng)房2號(hào)主機(jī)間作為計(jì)算單元,長(zhǎng)度為19.4 m，跨度為24.1 m。

初擬鋼管混凝土柱等間距布置，吊車(chē)梁簡(jiǎn)支于柱上，柱體外側(cè)由鋼板焊接而成，內(nèi)填C40F200W4(一級(jí)配)混凝土, 排架柱上、下柱體截面尺寸分別為1.1 m×1.1 m、1.8 m×1.4 m，長(zhǎng)邊、短邊鋼板厚度分別為16 mm、22 mm。2號(hào)機(jī)組段廠(chǎng)房整體三維有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖1。

圖1　2號(hào)機(jī)組段廠(chǎng)房整體三維有限元網(wǎng)格圖

2結(jié)構(gòu)分析

本研究采用ADINA中TMC熱機(jī)耦合模塊進(jìn)行瞬態(tài)熱分析，仿真計(jì)算中排架柱以及環(huán)境初始溫度定為20 ℃，分析了隨著外界溫度變化，排架柱溫度場(chǎng)、應(yīng)力及位移的變化情況。

2.1排架柱溫度場(chǎng)分析

圖2　典型截面圖

排架柱受火3 h后，取單柱分析，選取3個(gè)截面,典型截面位置見(jiàn)圖2：下柱柱底面向上30 cm處的橫截面(截面1)，上柱柱底面向下30 cm處的橫截面(截面2)，上柱柱底向上30 cm處的橫截面(截面3)。

選取截面3中關(guān)鍵點(diǎn)如圖3，1點(diǎn)位于外包鋼管處，2點(diǎn)位于距1點(diǎn)100 mm處，3點(diǎn)位于距1點(diǎn)200 mm處，相應(yīng)關(guān)鍵點(diǎn)溫升曲線(xiàn)如圖4，截面1、截面2、截面3的溫度場(chǎng)如圖5。

圖3截面3關(guān)鍵點(diǎn)示意圖

結(jié)果表明整個(gè)受火過(guò)程中，鋼管溫升幅度較大，初期0.5 h左右的受火過(guò)程中鋼管溫升迅速，此后較為平緩。受火3 h后，鋼管表面溫度達(dá)到最高溫度1 100 ℃，接近鋼的熔點(diǎn)，鋼板開(kāi)始融化。混凝土由于導(dǎo)熱系數(shù)小、比熱大，溫升曲線(xiàn)明顯落后于外包鋼管，越是靠近內(nèi)部的混凝土，溫升幅度越小。靠近鋼管的混凝土溫升幅度較遠(yuǎn)離鋼管的混凝土溫升幅度為大，混凝土由表及里200 mm范圍內(nèi)，溫度變化劇烈，梯度較大[1-2]。

圖4　截面3不同關(guān)鍵點(diǎn)溫升曲線(xiàn)圖

由圖5(a)、(b)中可以看出，由于排架柱四周定義了相同的受火邊界條件，受火邊界對(duì)稱(chēng)，因此截面1、截面3溫度分布呈單軸對(duì)稱(chēng)，溫度最低區(qū)域位于截面中心，靠近外包鋼管區(qū)域混凝土溫度較高，內(nèi)外溫差較大。混凝土的低導(dǎo)熱性能是導(dǎo)致截面內(nèi)外較大溫差的主要原因，截面尺寸也會(huì)影響混凝土溫升，截面尺寸越大，混凝土吸熱越多，溫升越小。截面2位于上柱柱底附近，截面較大，除四周受火外，還直接受到下柱柱頂受火面?zhèn)鱽?lái)的熱量，因此呈現(xiàn)如圖5(c)所示溫度分布特征，但溫度變化規(guī)律基本一致，混凝土由表及里，溫升逐漸下降，且下降較快，溫差較大[3-4]。

2.2排架柱應(yīng)力分析

仿真計(jì)算模擬了受火0.3、0.5、1、1.5、3 h后排架柱關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力，應(yīng)力關(guān)鍵點(diǎn)位置如圖6。由于排架柱由鋼管和混凝土2種材料組成，因此，應(yīng)力分析將分別介紹鋼管和混凝土的應(yīng)力規(guī)律。

計(jì)算結(jié)果顯示：

(1) 外圍混凝土X向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，受火1.5 h左右下柱底面長(zhǎng)邊中點(diǎn)出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力5.23 MPa左右，下柱底面壓應(yīng)力較上柱底面為大，混凝土壓應(yīng)力隨受火時(shí)間初期逐漸增大后期有所減小，后期主要是材料在高溫下性質(zhì)惡化所致。內(nèi)部混凝土X向應(yīng)力為拉應(yīng)力，受火1.5 h左右上柱底面中心處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力0.93 MPa左右。外包鋼管上柱底面X向應(yīng)力以拉應(yīng)力為主，受火0.5 h左右上柱底面角點(diǎn)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力42.13 MPa左右，下柱底面X向應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，受火0.5 h左右下柱底面長(zhǎng)邊中點(diǎn)出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力56.45 MPa左右。

(2) 外圍混凝土Y向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，受火1.5 h左右下柱底面短邊中點(diǎn)出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為5.33 MPa左右，混凝土壓應(yīng)力隨受火時(shí)間初期逐漸增大后期有所減小。內(nèi)部混凝土Y向應(yīng)力為拉應(yīng)力，受火3 h左右上柱底面中心處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為0.51 MPa左右。外包鋼管Y向應(yīng)力上柱底面以受拉為主、下柱底面以受壓為主，受火3 h左右上柱底面角點(diǎn)出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為39.85 MPa左右，受火3 h左右下柱底面短邊中點(diǎn)出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為39.22 MPa 左右。

(3) 外圍混凝土Z向應(yīng)力基本為壓應(yīng)力，受火1 h左右下柱底面長(zhǎng)邊中點(diǎn)出現(xiàn)最大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為4.97 MPa左右，混凝土壓應(yīng)力隨受火時(shí)間初期逐漸增大后期有所減小。內(nèi)部混凝土Z向應(yīng)力為拉應(yīng)力，受火3 h左右上柱底面中心處出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力為2.09 MPa左右。受火0.5 h左右下柱底面角點(diǎn)出現(xiàn)外包鋼管Z向最大壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力為43.28 MPa左右。

圖5　典型截面溫度場(chǎng)圖　　單位：℃

圖6　　　　排架柱應(yīng)力關(guān)鍵　　　點(diǎn)位置圖

計(jì)算結(jié)果表明，火災(zāi)作用下，外圍混凝土承受壓應(yīng)力，但未達(dá)到混凝土抗壓極限強(qiáng)度，內(nèi)部混凝土承受拉應(yīng)力，受火1.5 h左右超過(guò)混凝土抗拉極限強(qiáng)度。外包鋼管下柱底面主要承受壓應(yīng)力，上柱底面主要承受拉應(yīng)力，盡管鋼管應(yīng)力不大，但是由于溫度較高，接近鋼的熔點(diǎn)，材料性質(zhì)惡化，鋼管將發(fā)生軟化，逐漸失去承載能力，此時(shí)排架柱將主要由內(nèi)部的混凝土柱來(lái)承載[5]。

2.3排架柱位移分析

仿真計(jì)算了受火0.3、0.5、1、1.5、3 h后排架柱關(guān)鍵點(diǎn)的位移，關(guān)鍵點(diǎn)位置如圖7。

圖7　受火3 h后排架柱X、Y、Z位移Ux圖

計(jì)算結(jié)果表明，火災(zāi)作用下，排架柱受火災(zāi)作用和偏心荷載作用X向位移較大，受火1.5 h左右上柱柱頂X向產(chǎn)生最大位移131.48 mm ，Z向受火膨脹產(chǎn)生位移相對(duì)較小，受火3 h左右上柱柱頂產(chǎn)生Z向最大位移29.88 mm ，Y向受火3 h左右上柱柱頂出現(xiàn)最大位移23.85 mm。另外，比較1號(hào)柱、2號(hào)柱與3號(hào)柱相應(yīng)點(diǎn)的位移可以看出，連系梁和斜支撐對(duì)排架柱X及Y向變形有一定的限制作用[6-7]。

3結(jié)語(yǔ)

受火性能研究表明，初期0.5 h左右的受火過(guò)程中鋼管溫升迅速，受火3 h后，鋼管溫度達(dá)到1 100 ℃左右，接近鋼的熔點(diǎn)。管內(nèi)混凝土由表及里200 mm范圍內(nèi)，溫度變化劇烈，梯度較大。內(nèi)部混凝土承受拉應(yīng)力，受火1.5 h左右超過(guò)混凝土抗拉極限強(qiáng)度。外包鋼管受火0.5 h左右應(yīng)力達(dá)到最大值。由于溫度較高，鋼管將發(fā)生軟化，逐漸失去承載能力。鑒于火災(zāi)作用下鋼管和混凝土材料性能隨溫度升高逐漸惡化，承載力逐漸下降。建議在鋼管混凝土排架柱設(shè)計(jì)中考慮采取適當(dāng)?shù)胤阑鹪O(shè)計(jì)，在外表面涂防火涂料。具體設(shè)計(jì)中采用了該建議，實(shí)效良好。

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Simulation Study on Fire Resistance of A Steel Pipe Concrete Column

ZHANG Chengye

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:To recheck the fire resistance performance of newly-applied steel-concrete composite structure of powerhouse of a hydropower station, the structure is analyzed and studied by application of ADINA simulation analysis software. The study shows that it degrades with temperature rising, the bearing capacity of the structure decreases gradually. This study provides design of fire resistance with basis.Key words:ADINA; simulation analysis; steel pipe-concrete composite column; fire-resistant performance

文章編號(hào)：1006—2610(2016)03—0034—03

收稿日期：2015-12-11

作者簡(jiǎn)介：張承業(yè)(1982- )，男，安徽省安慶市人，工程師，主要從事水電站水工設(shè)計(jì)工作.

中圖分類(lèi)號(hào)：TU398.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.009