高溫后預(yù)制裝配式框架梁柱連接節(jié)點(diǎn)抗火性能分析

吳 磊

(蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215000)

0 前 言

ABAQUS目前主要有以下三種熱分析：①順序耦合熱應(yīng)力分析，構(gòu)件存在熱力場(chǎng)則會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，但內(nèi)部應(yīng)力與熱求解無(wú)關(guān)，不依賴位移。因此，需要兩步分析：首先對(duì)構(gòu)件進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，然后在熱應(yīng)力分析時(shí)將溫度場(chǎng)導(dǎo)入?yún)⑴c分析過(guò)程；②完全耦合熱應(yīng)力分析，將溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)綁定分析，彼此相關(guān)；③絕熱分析。

1 溫度場(chǎng)計(jì)算理論及推定方法

1.1 基本假定

1)假定混凝土和鋼筋兩種材料均是勻質(zhì)的，也就是材料為理想狀態(tài)。

2)忽略混凝土材料在升溫過(guò)程中爆裂對(duì)溫度的影響。

3)近似認(rèn)為火災(zāi)工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度在沿梁長(zhǎng)度方向保持不變，將熱傳導(dǎo)問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維問(wèn)題分析。

1.2 傳熱學(xué)基本原理

根據(jù)熱力學(xué)第一定律：

ΔE=Q+W

(1)

式中，ΔE為系統(tǒng)內(nèi)能的增加量；Q為熱量；W為對(duì)系統(tǒng)所做的功。

1.3 初始條件和邊界條件

高溫工況下熱傳遞包括熱輻射、熱對(duì)流和熱傳遞三種形式，其中熱傳導(dǎo)是鋼筋混凝土構(gòu)件內(nèi)部傳熱的方式。在溫度場(chǎng)分析中，將初始溫度設(shè)置為室溫20 ℃，采用四面受火的模擬形式，熱傳導(dǎo)的形式為熱輻射和熱對(duì)流，熱對(duì)流系數(shù)取25W/(m2·K)，綜合輻射系數(shù)取0.5，玻爾茲曼常數(shù)取5.67×10-8W/(m2·K)4。

1.4 升溫曲線及受火溫度推定方法

本文所涉及的升溫工況均采用我國(guó)ISO834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線也可作為推算高溫后裝配式結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)，且此種方法是一種可以定量的方法。在火災(zāi)后經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行鑒定勘察，以及獲得受火密度、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件和“等效受火時(shí)間”等數(shù)據(jù)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析，可推定節(jié)點(diǎn)的受火溫度。

通過(guò)這種方法可以推算出結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)隨著受火時(shí)間變化的溫度，但是，這種方法難以準(zhǔn)確地計(jì)算出“等效爆火時(shí)間”，采用反推的方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際有較大誤差。在實(shí)際火災(zāi)后進(jìn)行損傷評(píng)價(jià)時(shí)一般采用明火燃燒時(shí)間來(lái)代替“等效爆火時(shí)間”。

2 基于ABAQUS軟件的梁柱節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)分析

2.1 節(jié)點(diǎn)模型建立

預(yù)制裝配式框結(jié)構(gòu)，研究梁柱節(jié)點(diǎn)的抗火性能是對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗火性能研究的基礎(chǔ)。根據(jù)《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 1—2014)規(guī)范中對(duì)裝配式節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造要求，預(yù)制的上下柱鋼筋部分通過(guò)灌漿套筒連接，混凝土部分采用后澆混凝土連接。梁的疊合面根據(jù)規(guī)范建議采用矩形截面。本文根據(jù)文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)所采用的節(jié)點(diǎn)組合體配筋和節(jié)點(diǎn)尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)而對(duì)節(jié)點(diǎn)抗火性能進(jìn)行研究。

節(jié)點(diǎn)中梁截面尺寸設(shè)計(jì)為200 mm×300 mm，梁截面對(duì)稱配置3#12的HRB400級(jí)鋼筋，梁鋼筋保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)為20 mm。

節(jié)點(diǎn)中柱截面尺寸設(shè)計(jì)為300 mm×300 mm,配置8#20HRB400級(jí)鋼筋，柱鋼筋保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)為30 mm。箍筋采用φ8@100/200HPB235鋼筋，節(jié)點(diǎn)梁柱的箍筋間距設(shè)計(jì)為200 mm，加密區(qū)為100 mm。

節(jié)點(diǎn)梁端施加荷載大小為F=12 kN豎直向上的集中力，位置距離節(jié)點(diǎn)柱外邊緣1.52 m，梁端荷載比0.4，節(jié)點(diǎn)柱端施加荷載大小為N=400 kN豎直向下集中軸向荷載，軸壓比μ=0.3。

本文為簡(jiǎn)化計(jì)算，建模時(shí)將灌漿套筒部分簡(jiǎn)化為spring2非線性彈簧單元。高溫工況下，彈簧單元荷載位移曲線參考文獻(xiàn)[4]取值，彈簧剛度在inp文件中進(jìn)行修改。

在節(jié)點(diǎn)模型的傳熱分析中，一般忽略箍筋的傳熱作用，混凝土模型采用混凝土塑性損傷模型，混凝土、灌漿料采用實(shí)體單元DC3D8，鋼筋采用三維線性桁架單元DC1D2。混凝土和鋼筋之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)綁定約束，預(yù)制混凝土、現(xiàn)澆混凝土、灌漿料之間采用面-面綁定約束。選取六面體線性完全積分傳熱單元，在傳熱模型中分析步選擇“熱傳遞”。

在力學(xué)分析模型中，鋼筋和混凝土模塊單獨(dú)建模，單獨(dú)建模后再進(jìn)行裝配，并根據(jù)基本假定，假定鋼筋和混凝土之間沒有滑移以簡(jiǎn)化計(jì)算，鋼筋和混凝土模塊之間采用面-面約束進(jìn)行綁定。混凝土和灌漿料單元選擇八節(jié)點(diǎn)減縮積分格式的三維實(shí)體單元(C3D8R)，鋼筋單元選擇二節(jié)點(diǎn)三維線性桿單元(T3D2)。本文的梁柱節(jié)點(diǎn)采用順序耦合熱分析過(guò)程，在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的加持下，研究不同時(shí)間段各截面的溫度場(chǎng)，進(jìn)行瞬態(tài)分析，從而以此為基礎(chǔ)可以研究節(jié)點(diǎn)梁柱變形。為了不讓計(jì)算結(jié)果不收斂，可能會(huì)出現(xiàn)在模擬升溫過(guò)程中出現(xiàn)鋼筋和混凝土材料的熱工參數(shù)產(chǎn)生變化而影響計(jì)算結(jié)果，因此，在施加荷載時(shí)設(shè)置參考點(diǎn)XRP耦合到面上施加集中力。為了使得計(jì)算結(jié)果更精確，溫度場(chǎng)分析中網(wǎng)格密度設(shè)置為0.02。

2.2 節(jié)點(diǎn)模型溫度場(chǎng)分析

在參考文獻(xiàn)[4]的試驗(yàn)中，在升溫到125 min時(shí)，節(jié)點(diǎn)梁端變形達(dá)到152 mm,此時(shí)學(xué)者認(rèn)為節(jié)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到了耐火極限狀態(tài)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)達(dá)到了耐火極限狀態(tài)，將認(rèn)為節(jié)點(diǎn)破壞。框架梁柱節(jié)點(diǎn)核心區(qū)除了混凝土爆裂外，沒有其他明顯破壞形態(tài)，因此，將耐火極限判定為受火125 min。本文節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)模擬中以30 min為一個(gè)間隔取時(shí)間點(diǎn)上構(gòu)件各截面的溫度進(jìn)而研究節(jié)點(diǎn)各截面以及截面上各測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行分析，通過(guò)模擬結(jié)果分析得到受火時(shí)間在30、60、90、120 min時(shí)，框架梁柱節(jié)點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布。

受火時(shí)間為30 min時(shí)，核心區(qū)域內(nèi)部的溫度為30℃，節(jié)點(diǎn)外表面最高溫度達(dá)795℃；受火時(shí)間為60 min時(shí)，節(jié)點(diǎn)保護(hù)層最高溫度為801.754℃，節(jié)點(diǎn)外表面最高溫度為914.6℃；受火時(shí)間為90 min時(shí)，節(jié)點(diǎn)外表面最高溫度為1 002.6℃；受火時(shí)間為120 min時(shí)，節(jié)點(diǎn)外表面最高溫度為1 089℃。將節(jié)點(diǎn)處分別從X、Y、Z三個(gè)方向切片研究截面的溫度場(chǎng)從而確定節(jié)點(diǎn)組合體內(nèi)部整體的溫度場(chǎng)分布。

依據(jù)文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)研究所得出的數(shù)據(jù)為參考，進(jìn)行高溫工況下框架節(jié)點(diǎn)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，為驗(yàn)證本次數(shù)值模擬所得出數(shù)據(jù)的真實(shí)性及可靠性，本文將數(shù)值模擬所得到的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)與試驗(yàn)研究所得出的溫度分布進(jìn)行對(duì)比研究。在整個(gè)構(gòu)件上取多個(gè)截面，并且在每個(gè)截面也同樣取多個(gè)測(cè)點(diǎn)來(lái)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，從而能夠得到不同截面的不同位置的溫度-時(shí)間曲線進(jìn)行構(gòu)件整體的溫度場(chǎng)分析，并將其與試驗(yàn)構(gòu)件得到的溫度場(chǎng)分析值進(jìn)行對(duì)比。

本文中通過(guò)利用數(shù)值模擬方法所得出的節(jié)點(diǎn)截面溫度場(chǎng)與文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)所得出的節(jié)點(diǎn)截面溫度場(chǎng)對(duì)比研究得到：本文數(shù)值模擬所采用的模型本構(gòu)是較為合適的，數(shù)值模擬結(jié)果在所取的不同截面和不同測(cè)點(diǎn)位置的溫度場(chǎng)分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合。截面選取位置如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)分割截面分布圖

2.3 數(shù)值計(jì)算值與試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差分析

通過(guò)對(duì)不同截面不同測(cè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬分析取值與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比可知，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對(duì)誤差在15%以內(nèi)，兩者擬合程度較高。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可得，同一截面內(nèi)，不同的位置由于混凝土保護(hù)層厚度不同與熱惰性的存在，故同一受火條件下同一時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)不同，并且由于采用四面受火模擬，各個(gè)截面的對(duì)稱位置處，其溫度場(chǎng)相近。在高溫工況下，節(jié)點(diǎn)組合體的核心區(qū)域由于處于核心位置，溫度較低從而能夠保持較大剛性，不易被破壞，而梁和柱均出現(xiàn)了抗彎能力較大的衰減，直到達(dá)到耐火極限。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，如圖2所示選取其中一個(gè)截面繪制了同一截面各測(cè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線。

圖2 1截面各測(cè)點(diǎn)數(shù)值計(jì)算溫度-時(shí)間曲線

3 結(jié) 論

1)通過(guò)順序耦合瞬態(tài)傳熱分析，裝配式梁柱節(jié)點(diǎn)的溫度場(chǎng)與外荷載無(wú)關(guān)且溫度場(chǎng)分布不受應(yīng)力和應(yīng)變的影響。

2)節(jié)點(diǎn)梁、柱界面溫度相對(duì)較高，核心區(qū)溫度相對(duì)較低。

3)整個(gè)構(gòu)件的溫度隨著受火時(shí)間的增加而增加，直至達(dá)到耐火極限，并且由于混凝土材料的熱惰性，節(jié)點(diǎn)由內(nèi)而外形成了溫度場(chǎng)分布梯度，測(cè)點(diǎn)溫度表現(xiàn)為，同一截面的測(cè)點(diǎn)由外向內(nèi)，各點(diǎn)溫度逐步降低。

4)節(jié)點(diǎn)組合體核心區(qū)的溫度在整個(gè)模擬過(guò)程中不超過(guò)400℃。在達(dá)到100℃時(shí)，溫度-時(shí)間曲線會(huì)出現(xiàn)較為平緩的一段，原因混凝土材料所含的水分在此時(shí)受熱蒸發(fā)，蒸發(fā)過(guò)程會(huì)從周圍環(huán)境吸熱從而帶走部分熱量，在水分蒸發(fā)完之后，節(jié)點(diǎn)核心區(qū)的溫度將隨著受火時(shí)間繼續(xù)上升。

5)節(jié)點(diǎn)在受火初期，溫度-時(shí)間曲線的斜率較大，也就是單位時(shí)間內(nèi)溫度變化量較大，而隨著受火時(shí)間的增加，由于混凝土材料的熱惰性，曲線曲率減小，也就是單位時(shí)間內(nèi)溫度變化量較小，直至節(jié)點(diǎn)后期的溫度-時(shí)間曲線逐漸趨于平緩。

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