王卫华1,2,张 伟1,白 杨1,谭清华3
(1. 华侨大学土木工程学院,厦门 350621;2. 亚热带建筑科学国家重点实验室,广州 510640;3. 国防科技大学土木工程系,长沙 410072)
摘 要:为了研究高温下内配圆管的方钢管混凝土柱力学性能,该文在修正高温下核心混凝土材料本构关系的基础上,建立钢管混凝土柱的非线性有限元模型,并利用相关试验实测数据对数值模型进行了验证。基于建立的有限元模型,对不同参数下外方内圆钢管混凝土柱的耐火性能进行分析,阐述了受火过程中圆钢管和混凝土轴向承载力的贡献变化规律,并对火灾下钢管混凝土柱的典型变形曲线进行分析。研究结果表明:钢管混凝土柱的耐火极限可比普通钢管混凝土提高2倍以上;随内钢管直径与外钢管边长比增大,耐火极限先增大后减小;圆钢管的约束效应系数增大,耐火极限明显提高。通过合理设计,复合钢管混凝土柱在不设置防火保护层的情况下,可满足抗火设计规范的耐火需求。
关键词:高温;钢管混凝土;组合;有限元;力学性能
在普通钢管混凝土(CFST)柱中配置圆钢管形成复合钢管混凝土(Composite-Sectioned CFST,CS-CFST)截面(图 1)可以有效提高钢管混凝土柱的承载力和延性,外钢管可采用普通钢或不锈钢材料,兼具围护和承载的功能。复合钢管混凝土柱在地震、恐怖袭击等作用下,即使外部钢管或混凝土遭到破坏,内钢管及核心混凝土亦可防止结构局部或连续性倒塌;内钢管还可有效延缓锈蚀,增强耐久性和耐火性能,具有承载力高、延性好的特点[1-2]。
图1 复合钢管混凝土截面
Fig.1 Sections of composite-sectioned CFST columns
文献[3-6]已开展复合钢管混凝土常温轴心受压和偏压柱相关力学性能的研究。朱翔和陆新征等[7]开展了新型复合柱抗冲击性能的试验研究,试件包括圆实心夹层(图 1(b))、中空复合和内配十字型钢复合钢管混凝土截面,结果表明:圆实心夹层复合钢管混凝土柱的抗冲击性能最优。吕天启和赵国藩[8]利用自编程序开展了双钢管混凝土偏压柱的温度场及耐火极限,结果表明内钢管可有效增强方钢管柱的耐火极限。Romero等[9-11]进行了双(圆)钢管混凝土轴压柱耐火极限的简化计算方法研究,并提出抗火设计建议。Neuenschwander等[12]进行了4根内配实心钢柱的复合钢管混凝土柱的耐火性能研究。
单钢管混凝土柱的耐火性能研究已有许多学者开展了相关研究[13-18]。王广勇和李玉梅[13]对局部火灾下钢管混凝土框架的破坏形态和机理进行研究。韩祎等[14]对内置型钢的钢管混凝土偏压柱受火全过程性能进行分析,发现荷载比、受火时间及含钢率等因素对承载力影响显著。Tao和Ghannam[15]研究了普通钢管和不锈钢管混凝土截面中传热系数的差异。Han等[16]进行了5根足尺不锈钢管混凝土柱与普通钢管混凝土柱的耐火性能对比分析。Tao等[17]还进行了 12根不锈钢管混凝土柱火灾下(后)的对比实验研究,进行了圆钢管中配筋与否的对比,采用图像分析法开展了外钢管在火灾下的缺陷发展状况研究。
有关复合钢管混凝土柱耐火性能研究相关的文献较少,本文对外方内圆复合钢管混凝土轴心受压柱的耐火性能展开了相关研究,内外钢管均采用普通钢管。
选用韩林海[19]所推荐高温下钢材的应力-应变关系和热工参数模型。
各种常用结构钢在高温下的热工性能参数(导热系数、热容、热膨胀系数)略有差别,但在土木工程中应用时,基本上可以不对其加以区分[20-21]。
高温下的混凝土应力-应变曲线与常温下有较大差别,经过无量纲化之后,仍然可以采用统一的方程形式来描述[22]。过镇海和李卫[23]提出了高温下混凝土立方体抗压强度随温度的变化关系公式。时旭东、李华东、胡海涛和董毓利等学者通过试验研究得出了高强混凝土抗压强度随温度的变化关系公式[23-26]。
普通混凝土(fcu=20 N/mm2~60 N/mm2)[25]:
高强混凝土(fcu=80 N/mm2)[26]:
经过大量对比分析,混凝土强度为(fcu=20 N/mm2~80 N/mm2)在高温下的综合修正公式:
其中
常温下韩林海[19]钢管混凝土核心混凝土本构关系式为:
式中:
经过大量试验对比验证,常温下上述核心混凝土本构模型可较好反应钢管约束效应下核心混凝土的应力-应变关系,有限元计算与试验实测结果吻合较好[19]。但上述模型尚需进行高温下随温度的变化关系修正,故基于韩林海[19]钢管混凝土核心混凝土本构关系式常温下的表达式和上述学者关于高温下混凝土抗压强度的研究成果,对钢管混凝土中核心混凝土的应力-应变关系表达式(4)进行修正如下:
其中:T/(℃)为温度;为混凝土圆柱体抗压强度;fck为混凝土轴心抗压强度标准值;fcu为混凝土立方体抗压强度;As为钢管横截面积;Ac为核心混凝土横截面积,上述各参数的计算及转换见文献[19]。
图2 不同温度下核心混凝土的应力关系(D=300 mm,t=6 mm,fy=350 MPa,fc=40 MPa)
Fig.2 Stress-strain relationship of core concrete under different temperature(D=300 mm,t=6 mm,fy=350 MPa,fc=40 MPa)
不同温度下核心混凝土的关系如图2所示。除轻质混凝土外,采用硅质和钙质骨料对混凝土材料的导热系数略有不同[19],但当温度升高后,这种影响逐渐趋于不明显。本文所采用混凝土热工参数为钙质混凝土的热工参数,高温下混凝土弹性模量和应变关系已经部分包含了温度变化时的瞬态热应变,此处未再单独考虑混凝土瞬态热应变和高温徐变的影响[21]。
采用热-力相继耦合的方法进行复合钢管混凝土柱耐火性能的有限元分析,其有限元模型包含温度场分析和力学分析两类模型。
对温度场分析模型,钢管和混凝土分别采用(3-D Heat Transfer)单元DS4和DC3D8,初始温度场设为20℃。复合钢管混凝土柱四面均匀受火,取柱中段2/3长度(即柱两端各1/6长度段为未受火区域)为受火面。外钢管表面的对流传热系数取为h=25 W/(m2·K)、热辐射系数=0.5,升温曲线按照ISO-834标准升温曲线进行,有限元模型和热边界条件如图3所示。
图3 复合钢管混凝土柱的有限元模型
Fig.3 Finite element model of composite-sectioned CFST columns
常温时假设混凝土中自由水含量占总质量的5%,当混凝土温度小于或等于100℃时,混凝土容重为混凝土容重和水分容重之和,当温度超过100℃时,认为混凝土内的自由水完全蒸发[19]。
力学分析模型中,从“Load”模块的“Predefined Field”导入温度场模型的计算结果,每个增量步计算时,程序自动按照单元的当前温度进行力学计算。因此,应保证温度场模型和力学模型的单元节点一致。钢管采用三维壳单元(Shell)S4R,混凝土采用三维实体单元(3D-Solid)C3D8R,刚性盖板采用刚体(Rigid body)进行模拟,钢管与混凝土之间的接触关系采用库伦摩擦模型,采用增广拉格朗日方法,法向设置硬接触,接触面允许分离。Lu等[27-28]对钢管与混凝土之间的粘结力和摩擦系数等因素进行了敏感分析,结果表明这些参数对钢管混凝土柱耐火极限影响很小。根据文献[19]建议,切向摩擦系数取0.6。
柱达到耐火极限的判定标准为:轴向压缩量达到 0.01H/mm 且轴向压缩速率超过0.003H/(mm/min)[29],H/mm为柱的初始受火高度。
文献[30-31]进行了钢管混凝土柱在火灾下的温度场分布试验研究,钢管壁无防火保护,四面均匀受火,中间段受火长度 3 m(总长度 3.81 m),火灾试验炉升温按CAN4-S101规定的温升曲线进行,记录了受火段中间位置的钢管混凝土截面不同深度处的温升曲线。温度场有限元模型按照上述 1.3节参数选取,图4给出了柱中截面不同深度处测点的温度变化曲线(d为距离受火面的深度)。升温结束时,温度计算与试验实测结果最大误差为8.9%,两者总体吻合较好。
图4 钢管混凝土柱截面T-t计算与试验结果对比
Fig.4 Comparison of the temperature-time of CFST between calculation and test results
利用上述模型对韩林海[19]和 Lie等[30-32]中的37根钢管混凝土柱的耐火极限试验进行模拟。韩林海[19]钢管混凝土柱长3.81 m,受火段为中间3 m,柱端铰接,升温曲线按照ISO-834标准升温曲线进行,钢管混凝土柱防火保护层为厚涂型钢结构防火涂料。Lie和Chabot[32]钢管混凝土柱长为3.81 m,受火段为中间3 m的高度,柱端固结(部分构件为铰接),升温曲线按照CAN4-S101标准升温曲线进行升温。计算耐火极限与相应试验结果比值的均值为=0.945,均方差为=0.259,如图5所示。
图5 轴向位移-时间关系计算与试验结果对比
Fig.5 Comparison of axial displacement-time between calculation and test results
钱稼茹等[5]和裴万吉[33]开展了外方内圆复合钢管混凝土轴心受压柱的力学性能试验研究。按照上述有限元建模方法,进行复合钢管混凝土轴心受压柱承载力的数值模拟,试验结果和数值模拟结果误差在10%以内,如图6所示。
图6 复合钢管混凝土试验和计算结果对比
Fig.6 Comparison between the measured and calculated results of CS-CFST stub columns
基于以上对普通钢管混凝土柱耐火性能及常温下复合钢管混凝土柱的承载能力的验证,结果表明建立的有限元分析模型能较好地模拟复合钢管混凝土柱的耐火性能。
采用第2部分的建模方法,建立了典型复合钢管混凝土柱耐火性能的有限元模型。试件几何尺寸参考工程常用尺寸,取外部方钢管截面尺寸B×t1=400 mm×5 mm,内部圆钢管的截面尺寸为D×t2=300 mm×3 mm,总高度L=1200 mm,受火高度2L/3,未加防火保护。
图 7给出了未加防火保护的普通钢管混凝土(CFST)与复合钢管混凝土(CS-CFST)柱在不同火灾荷载比(n=N/Nu0)情况下的轴向变形-时间关系曲线。可见,由于核心混凝土中添加了圆钢管,CS-CFST柱的耐火极限有大幅度提高。不同荷载比时,CS-CFST柱的耐火极限比普通钢管混凝土柱提高2倍以上。n=0.3时,CS-CFST柱的耐火极限超过240 min。由图7还发现随受火时间增加,CS-CFST柱的轴向压缩变缓,改善了普通CFST柱受火时承载力突然下降,轴向变形快速增加的现象。这是由于圆钢管对核心混凝土具有较好的约束效果,同时外部混凝土还起到防火保护的隔热作用。
图7 普通和复合钢管混凝土柱ε-t曲线的对比Fig.7 Comparison of axial strain (ε) vs time (t) curves
between CFST and CS-CFST columns
为了研究在核心混凝土中配置不同直径的圆钢管情况,分别进行圆钢管直径D=100 mm(CSCFST100,D/B=0.25)、200 mm(CS-CFST200,D/B=0.5)和 300 mm(CS-CFST300,D/B=0.75)试件的耐火性能研究,圆钢管壁厚均为t2=3 mm,取fy=345 MPa,混凝土强度fcu=80 MPa。
图8给出了CS-CFST轴心受压柱不同火灾荷载比(n=0.3~0.6)时的轴向变形受火时间(t)曲线,图中的菱形点为依据上述柱耐火极限判定标准所确定的耐火极限。可见,随火灾荷载比(n)降低,复合钢管混凝土柱的耐火极限迅速增加。D/B由 0.5增加到0.75时,n=0.5和0.6的耐火极限变化不大;n<0.4时,CS-CFST柱耐火极限大幅度增加。由图8(b)可见,n=0.4时,CS-CFST200和CS-CFST300柱的受火曲线下降较缓,柱的轴向压缩量达到了耐火极限的判定标准,而其轴向压缩率尚远小于耐火极限的要求。值得注意的是,轴向荷载比n≤0.4时,复合钢管混凝土柱耐火极限的变化规律与普通CFST柱不同:a) 虽然复合钢管混凝土柱达到了耐火极限(压缩量),仍具有较好的火灾下承载性能,足以维持结构不至于坍塌;b) CS-CFST300柱的耐火极限为 110 min,反而小于 CS-CFST200柱的耐火极限(176 min)。由于虽然圆钢管直径增大,圆形截面在承担轴向荷载中的贡献更大,但直径增大,圆钢管与方管壁(受火面)的距离更近,长时间受火时,温度升高更明显,故对耐火极限的提高作用反而有限。为便于施工和充分发挥圆钢管的约束效应,建议D/B比值宜在0.6~0.8左右,且为获得较好的耐火性能,内外钢管之间的混凝土层厚度不宜小于60 mm。
图8 不同圆钢管直径时的曲线对比
Fig.8 Comparison of axial strain vs fire time curves among different diameters of circular steel tubes
图9给了CS-CFST200和CS-CFST300中圆形CFST承担的轴向荷载(Ncc)-受火时间(t)关系曲线,同时也给出了圆CFST部分的轴力(Ncc)-轴向位移之间的关系。常温完成加载时,不同荷载比情况下,圆形 CFST所承担的轴力占柱轴向荷载的比例基本一致,分别为20%和39%。由于方钢管和外围混凝土受火膨胀,受火初期圆形CFST截面所承担的荷载先略减小后逐渐增大。达到耐火极限和熄火时刻,CS-CFST200的圆钢管应力分别为 313 MPa(176 min,237℃)和 278 MPa(240 min,333℃);CS-CFST300的圆钢管应力为291 MPa(110 min,332℃)和 284 MPa(189 min,457℃)。由曲线可见,外钢管和混凝土受火后,轴向变形增加,圆CFST截面的荷载基本沿着常温加载的路径增大。随温度升高,钢材与混凝土材料劣化,圆CFST达承载力后,圆CFST所承担的荷载基本稳定,轴向变形随温度升高而持续增大,形成了类似于“屈服平台”的阶段。相同截面受火的CS-CFST柱,平台的高低随火灾荷载比n增大而增大,分别为常温时加载量的 54%、60%、64%和67%(图 9(d))。
图9 圆形钢管和混凝土承担的轴向荷载(Ncc)
Fig.9 Axial compression vs load curves of circular steel tube and concrete (D=300 mm,t2=3 mm)
图10 不同圆钢管壁厚时的曲线对比
Fig.10 Comparison of axial strain-fire exposure time curves with different thicknesses of circular steel tubes
图10给了不同圆钢管约束效应下的CS-CFST柱关系曲线,圆钢管直径D=300 mm,壁厚分别为 3 mm(t3,ξ=0.24)、5 mm(t5,ξ=0.45)和 10 mm(t10,ξ=0.91),ξ为圆钢管的约束效应系数[19]。随圆钢管约束效应提高,CS-CFST柱的耐火极限增大。当轴向荷载比n=0.3时,随圆钢管壁厚增加,复合钢管混凝土受火时的轴向变形迅速减小,所有试件耐火极限均超过240 min。n=0.4时,CS-CFST柱的轴向压缩达到耐火极限的判定标准,而此后 CS-CFST柱仍具有较好的承载力。在高荷载比时(n=0.5),圆钢管约束效应由0.24增加到 0.91,CS-CFST柱的耐火极限分别为73 min、82 min和100 min。可见约束效应对耐火极限的影响比圆钢管直径变化的影响大。火灾荷载比n越小,约束效应对耐火极限的影响幅度则越大。
图 11给出了普通圆 CFST柱受火时的典型关系曲线。火灾荷载比(n≤0.3)时,AD段可分为图11(a)中的AB段、BC段和CD段。AB段为钢管壁的膨胀阶段,外钢管支撑盖板向上移动,盖板与核心混凝土顶面发生脱离后,柱端荷载先传递给钢管壁,然后通过钢管壁与核心混凝土的相互作用共同承担荷载。BC段为钢管壁的膨胀变形小于高温材料软化和应力-应变等共同作用而产生整体压缩变形的阶段。C特征点为盖板向下重新与核心混凝土顶面次发生接触的时刻。此时钢管壁的温度较高,承载力下降严重。但由于核心混凝土升温较慢,仍处于升温膨胀阶段或持载阶段,关系曲线变化较为平缓。火灾荷载比(n>0.3)时,如图11(b)所示,特征点B和C不明显,关系曲线略有上升或者核心混凝土一旦开裂,裂缝贯通截面,承载力迅速下降,进入下降段(DE),CFST柱达到耐火极限。
图11 火灾下普通圆CFST柱关系曲线
Fig.11 Axial deformation vs fire exposure time curves of normal CFST columns
图12给出了CS-CFST柱受火时的典型关系曲线,其中曲线1为火灾荷载比较小(n≤0.4)时的典型曲线,而曲线2则为荷载比较大(n>0.4)时的典型曲线。由于内、外钢管共同焊接在盖板上,受火初期外钢管轴向伸长收到内钢管的抑制,从而加剧了方钢管的局部屈曲,CS-CFST柱的关系曲线无法出现普通CFST柱的盖板与核心混凝土脱开的现象(图11中n<0.3时的A-B-C段)。A点代表柱的轴向变形即将进入快速增加阶段,变形曲线超过A点后下降斜率增大,但由于内部圆钢管混凝土截面的对轴向承载力的有利约束,曲线1达到B点(拐点)后,随受火时间增加,轴向变形斜率又逐渐减小。而曲线2(n>0.4)超过A点后柱轴向变形曲线的下降斜率则急剧增大,进入破坏阶段,试件很快达到耐火极限。
图12 火灾下复合钢管混凝土柱关系曲线
Fig.12 Axial deformation vs fire exposure time curves of CS-CFST columns
研究结果表明:当 CS-CFST柱受火时,外部方钢管直接受火,温度迅速升高而导致强度劣化。由于圆钢管内置在混凝土中,受到外围混凝土的隔热作用,圆钢管截面温升缓慢。火灾下外钢管和外围混凝土因强度劣化而逐渐退出工作,轴向荷载向内部圆钢管混凝土转移,轴向荷载逐渐增大,若核心位置的 CFST具有足够承载力(比如采用高强混凝土),则轴向变形受火时间(t)关系曲线的可能会出现拐点,下降斜率变缓。可见,通过合理设计可能使得 CS-CFST柱较好延缓高温下的变形,降低单柱达到耐火极限后整体结构的连续垮塌,无需进行防火保护,也能够满足设计规范的防火要求(如图12中的曲线1)。
对不同参数下复合钢管混凝土柱的耐火性能进行分析,可初步得到如下结论:
(1) 由于圆钢管的有利约束,CS-CFST柱具有较好的耐火性能。与普通CFST柱相比,耐火极限可提高2倍以上。
(2) 火灾下,处于核心区的圆 CFST可承担大部分轴向荷载,圆CFST截面达到承载能力时,CSCFST柱的轴向变形加快,曲线斜率增加。若加强圆CFST部分的承载能力和变形性能,则可有效提高CS-CFST柱的耐火性能。
(3) CS-CFST柱的D/B比值宜在0.6~0.8左右,且内外钢管之间的混凝土层厚度不宜小于 60 mm。通过合理控制轴向荷载比和圆CFST设计,未进行防火保护的 CS-CFST柱亦可满足相应防火设计的耐火需求,达到耐火极限后,仍具有较高承载力。
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AXIAL PERFORMANCE OF SQUARE CONCRETE-FILLED STEEL TUBE(CFST) COLUMNS REINFORCED BY CIRCULAR STEEL TUBES AT ELEVATED TEMPERATURES
WANG Wei-hua1,2, ZHANG Wei1, BAI Yang1, TAN Qing-hua3
(1. College of Civil Engineering, Huaqiao University, Xiamen 361021, China;2. State Key Laboratory of Subtropical Building Science, Guangzhou 510640, China;3. Department of Civil Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410072, China)
Abstract:To investigate the mechanical performance of square concrete-filled steel tube (CFST) columns reinforced by circular steel tubes at elevated temperatures, a nonlinear finite element (FE) model of the composite column in fire was established. The model is on the basis of modification for the inner concrete stress-strain relationship of CFST columns at elevated temperatures. Comparison between the measured data and predicted results was carried out to verify the FE model. Based on the verified FE model, the fire resistance performance analysis of composite columns reinforced by circular steel tubes with different parameters was conducted,elaborating the rules of axial bearing capacity of the circular CFST section when the composite columns were exposed to fire. Typical deformation curves were analyzed in this paper. Research results show that: 1) the inner circular steel tube could remarkably enforce the fire resistance of composite CFST columns; 2) the fire resistance of the composite columns was two times higher than that of normal CFST columns; 3) the fire resistance increased with the diameter-width ratio ofD/Band then reduced; however, the fire resistance increased with the coefficient of confinement effect of circular steel tubes. It is concluded that subject to rational design, the bare CFST column reinforced by circular steel tubes are able to meet the national requirements on fire protection.
Key words:elevated temperature; concrete-filled steel tube columns; composite; finite element; mechanical performance
中图分类号:TU398+.9
文献标志码:A
doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2016.11.0884
文章编号:1000-4750(2018)03-0141-10
收稿日期:2016-11-16;修改日期:2017-04-05
基金项目:国家自然科学基金项目(51208217,51308539,51408238);国家重点实验室开放基金项目(2014KB26);福建省自然科学基金项目(2014J01195)
通讯作者:王卫华(1980―),男,河南沈丘人,副教授,博士,硕导,主要从事组合结构与工程抗火方面的研究(E-mail: whwang@hqu.edu.cn).
作者简介:张 伟(1991―),男,湖北仙桃人,硕士生,主要从事组合结构与工程抗火方面的研究(E-mail: zw412248071@163.com);白 杨(1991―),男,湖北石首人,硕士生,主要从事组合结构与工程抗震方面的研究(E-mail: 370473275@qq.com);谭清华(1982―),男,湖南长沙人,讲师,博士,主要从事组合结构抗火方面的研究(E-mail: tanqinghua@nudt.edu.cn).