方鋼管混凝土軸壓短柱耐火極限有限元分析

高 楊 王子仁 王洪濤 王金龍

遼寧科技學院，遼寧本溪 117004

鋼管混凝土是一個組合結構，即由鋼管與素混凝土相互組合而成，這種結構雖然看似簡單，僅僅是在素混凝土的外部套上一個空心鋼管，但是在力學性能上卻起到了“1+1＞2”的效果，因具有承載力高、抗震性能好、施工方便等優點，被廣泛應用在廠房、高層住宅及超高寫字樓中的底部結構[1]。目前關于鋼管混凝土的力學性能，即靜力學[2]和動力學[3]，以及化學侵蝕、抗凍耐久性[4]等問題進行了廣泛深入的研究。結構的耐久性是工程項目當中一個至關重要的問題，不僅關系到結構本身的安全性，更關系到項目的壽命及后期的運營成本。由于鋼材在高溫作用下強度迅速降低，對鋼管混凝土承載力的貢獻隨之下降，因此，對于鋼管混凝土結構的耐久性不僅僅涉及化學侵蝕及抗凍性，還包括防火。截止到2016年，我國高層民用建筑的總量已穩居世界第一，達到34.7萬幢，其中百米以上超高層6000多幢，然而據公安部消防局通報的數據顯示，近十年全國共發生高層建筑火災3.1萬起，死亡474人，直接財產損失15.6億元。近幾年來，針對住宅火災的統計表明，由于火災導致死亡的比例越來越高，僅2016年就有一千多人在住宅火災中喪命，占火災致死總數的80%，顯然建筑一旦發生火災將造成大量的人員傷亡以及巨額的經濟損失，因此，結構耐火性能的優良對于結構本身的壽命以及人民生命財產的保障具有重要的意義。

目前針對鋼管混凝土抗火的研究大部分都集中在約束性能較好的圓形鋼管混凝土柱，而對于實際工程中經常出現的方形截面鋼管混凝土的抗火研究報道很少，因此，為了完善鋼管混凝土的抗火性能，深入研究火災作用下鋼管混凝土的力學性能，本文特利用ABAQUS大型有限元分析軟件建立方形截面鋼管混凝土軸壓短柱的耐火分析模型。在此基礎上，分析了在ISO-834標準升溫曲線作用下，截面尺寸、含鋼率、鋼管屈服強度以及混凝土抗壓強度對方形截面鋼管混凝土軸壓短柱耐火極限的影響規律及影響程度，獲得主要影響參數和規律，為進一步提出科學合理的耐火設計方法提供參考，進而為其工程應用提供指導。

1 溫度場有限元分析

目前關于鋼材與混凝土熱力學性能的方法有許多，鑒于大多數學者的通用方法，本文按照T.T.Lie[5]推薦的材料熱工性能表達式進行選取，參考文獻[6]可知，當鋼管混凝土中內部混凝土的溫度超過100℃左右時，內部存在的水分以及鋼管與混凝土之間存在的水分會受熱蒸發，蒸發后會吸收大量熱量，進而影響其內部溫度的變化，所以需要考慮混凝土中水分的影響。傳熱的三種方式一般包括熱傳導、熱對流和熱輻射。火災情況下，結構的表面首先會通過熱輻射、熱對流的方式進行熱量的傳遞，然后再通過熱傳導的方式逐漸傳入到結構內部，使核心混凝土的溫度發生變化，因此溫度場模型將按照此過程進行建模分析。本溫度場有限元分析模型采用ISO-834標準升溫曲線，按照通用做法升溫前試件處于常溫，溫度設定為20℃；在熱對流傳熱過程中，材料的對流系數 （Film coefficient） 采用25W/ （m2·℃） ；在熱輻射傳熱過程中，材料的輻射系數 （Emissivity） 采用0.5[7]。

雖然外部鋼管與核心混凝土之間存在空氣和水汽，但在建模過程中，從簡化的方法認為鋼管與混凝土之間完全傳熱，暫不考慮兩者材料之間接觸對熱阻的影響，即鋼管和混凝土之間采用tie約束。混凝土采用三維實體 （solid） 單元，鋼管采用三維殼 （shell） 單元。

2 耐火極限有限元分析

2.1 材料高溫下應力-應變關系

要進行高溫下力學分析就要先確定高溫下材料的熱力學性能，目前國內外許多學者都對常溫下鋼管混凝土中材料的本構關系提出了數學模型，然而在高溫作用下，材料的力學性能必然會發生變化，尤其是鋼材在高溫下力學性能會迅速下降，因此采用常溫的本構關系進行建模顯然是不正確的，因此，本文采用文獻[2]推薦的火災下應力-應變關系進行模型分析，在這個模型當中鋼材考慮了火災作用下應變、膨脹以及蠕變這3個部分的變化；混凝土由于材料復雜，是由石子、砂子、水泥、水、外加劑等物質組成，因此，本模型考慮了在火災作用下應變、膨脹、徐變和瞬態熱應變這4個部分。

2.2 耐火極限有限元模型

建模時鋼管與混凝土是相互獨立的兩個部分，混凝土、鋼管分別采用C3D8R4單元、S4R單元建模，與溫度場建模相同。在材料屬性方面，外部鋼管采用各向同性彈塑性模型 （Plastic），滿足Von Mises屈服準則[8]；混凝土采用ABAQUS有限元軟件提供的損傷塑性模型 （Concrete Damaged Plasticty），其中流動偏心參數設為0.1，雙軸與單軸抗壓強度的比值設為1.16，黏性系數設為0，受拉應力-應變關系曲線采用文獻[9]提出的表達式，即考慮應力-斷裂能的關系式。在接觸定義方面，由于鋼管與混凝土是相互獨立的兩個部分，所以鋼管與混凝土的界面模型包括界面法向的接觸和切向的黏結滑移，分別定義為硬接觸、摩擦系數設為0.6。計算分析步方面，擬采用兩步法進行計算，即第一步先施加軸向荷載，采用施加位移的方法，令U1=U2=0，U3=5mm，；第二步將溫度場模型計算得出的各截面溫度值導入到力學模型中進行幾何非線性的計算分析。由于本模型是短柱，暫不考慮初始缺陷的問題。利用ABAQUS有限元軟件建立三維力學分析模型，如圖1所示。

圖1 ABAQUS溫度場分析模型

3 耐火極限參數分析

在ISO-834標準升溫曲線下對方形截面鋼管混凝土軸壓短柱進行參數分析。其中，截面周長C=1500mm，含鋼率ρ （鋼管截面面積/核心混凝土截面面積） =0.1，軸壓比n=0.7，鋼管屈服強度fy=235MPa、混凝土抗壓強度fcu=30MPa。從圖2 （a） 分析得出截面周長對構件的耐火極限影響很大，即隨著截面周長的增加，構件的耐火極限也隨之增大，這是由于截面周長與核心混凝土截面面積成正比，在相同荷載作用下混凝土吸熱能力越強，其構件耐火極限就越大。從圖2 （b） 分析得出含鋼率對構件的耐火極限影響很大，即隨著含鋼率的增加，構件的耐火極限隨之增大，但增大幅度隨之減緩。從圖2 （c） 分析得出鋼材屈服強度對構件的耐火極限影響不是很大，即隨著鋼材屈服強度的增加，耐火極限略有降低。從圖2 （d） 分析得出混凝土強度對構件的耐火極限影響也不是很大，即隨著混凝土強度的增加，構件耐火極限略有增加。

圖2 各參數對耐火極限的影響

4 結語

本文在利用ABAQUS有限元軟件建立方形截面鋼管混凝土軸壓短柱耐火極限理論模型的基礎上，分析截面周長、含鋼率、材料強度等參數對其耐火極限的影響規律。研究結果表明：

①本模型的建立可以很好地模擬火災作用下方形截面鋼管混凝土短柱的受力形式；②對ISO-834標準升溫曲線作用下各參數對構件耐火極限的影響規律進行研究，結果表明，影響方形截面鋼管混凝土軸壓短柱耐火極限的參數包括截面周長及含鋼率，施工設計時應該引起足夠的注意，而材料強度對其影響不大可以忽略不計；③分析結果可為進一步提出科學合理的抗火設計方法提供參考。