陳博文，王高雄，包延紅

(青海大學(xué)土木工程學(xué)院,青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

隨著現(xiàn)代建筑科技的不斷進步，建筑結(jié)構(gòu)不斷向高層、大跨方向發(fā)展，各種新興的建筑材料和構(gòu)件廣泛運用于工程建設(shè)。鋼與混凝土的組合結(jié)構(gòu)由于結(jié)合了兩種材料的優(yōu)點而備受工程界青睞。鋼管混凝土疊合柱是一種以鋼管混凝土為核心，在鋼管周圍綁扎鋼筋并疊澆混凝土而成的組合構(gòu)件[1]，具有良好的抗震性能和耐火性能，是一類具有廣闊應(yīng)用前景的新型組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件。由于高溫條件下混凝土和鋼材的材料性能會發(fā)生退化，建筑火災(zāi)會導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損壞，造成社會經(jīng)濟損失，也極大威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。在逐步推廣應(yīng)用鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)的同時，其在火災(zāi)升溫、降溫的全過程中所表現(xiàn)出的力學(xué)性能受到廣泛重視，逐漸成為相關(guān)學(xué)者研究的重點課題。

目前，已有部分學(xué)者對鋼管混凝土疊合柱結(jié)構(gòu)的耐火性能開展了研究，劉東坡[2]采用有限元法進行火災(zāi)下鋼管混凝土疊合柱軸壓性能的研究得出，在受火作用下，混凝土強度和截面尺寸對疊合柱極限承載力的影響較顯著；項凱等[3]研究結(jié)果表明，火災(zāi)荷載比、截面邊長和長細比是影響軸心受壓方形截面鋼管混凝土疊合柱耐火性能的主要因素；徐蕾等[4]研究鋼管混凝土疊合柱試件的耐火極限試驗時發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)下疊合柱的破壞主要是由于外部混凝土的強度損失所引起的內(nèi)力重分配，使得剩余截面不足以承擔(dān)外荷載所致；侯舒蘭等[5]進行了火災(zāi)升溫、降溫共同作用下鋼管混凝土疊合柱的數(shù)值研究，結(jié)果表明環(huán)境溫度下降時，疊合柱截面存在明顯的溫度滯后現(xiàn)象，截面內(nèi)部各點的最高溫度往往出現(xiàn)在火災(zāi)降溫段，且此階段內(nèi)試件發(fā)生了整體失穩(wěn)破壞；項凱等[6]采用數(shù)值方法研究火災(zāi)下外部混凝土的爆裂對鋼管混凝土疊合柱耐火極限的影響時發(fā)現(xiàn)，疊合柱的耐火極限隨混凝土爆裂面積比、爆裂深度等的增大而降低；鞏玉發(fā)等[7]對鋼管混凝土疊合柱受火升溫狀態(tài)下的溫度場進行了數(shù)值研究，結(jié)果表明升溫階段中受火面的不同使疊合柱內(nèi)溫度梯度有所差異。綜上所述，現(xiàn)有的相關(guān)研究主要是通過將耐火試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對疊合柱的耐火極限進行評估，且主要側(cè)重于火災(zāi)升溫段的耐火性能，對于其在經(jīng)歷火災(zāi)全過程后的各類性能研究相對較少；在截面形式上，采用傳統(tǒng)的圓套圓形、方套圓形疊合柱構(gòu)件居多，對于矩形截面的鋼管混凝土疊合柱各類性能的研究甚少。

為了深入研究矩形截面鋼管混凝土疊合柱在火災(zāi)升溫、降溫全過程下的熱學(xué)性能，本文采用有限元法建立其在標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線[8]作用下的溫度場模型，分析標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫、降溫作用過程中矩形截面鋼管混凝土疊合柱的溫度場分布及火災(zāi)后所經(jīng)歷的歷史最高溫度分布情況，以期為此類構(gòu)件的抗火分析提供參考。

1 溫度場有限元模型

1.1 鋼材和混凝土的熱工參數(shù)

在火災(zāi)作用下，鋼材和混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等熱工參數(shù)通常不是常數(shù)，而是與溫度相關(guān)的函數(shù)。Lie[9]通過研究給出了高溫下鋼材的熱工模型和混凝土的熱工模型， Kodur 等[10]給出了高溫下混凝土的熱工模型?；谇叭说挠嬎愫湍M情況，本文采用加拿大學(xué)者Lie[9]提出的熱工模型來計算材料的熱工參數(shù)。鑒于混凝土內(nèi)的水分蒸發(fā)在一定程度上對構(gòu)件截面溫度場的分布產(chǎn)生影響，該熱工模型假定混凝土中所含水分的質(zhì)量百分比為5%，且所含的水分在100 ℃時完全蒸發(fā)，并對混凝土的比熱和容重進行了相應(yīng)的修正[11]。

1.2 溫度場有限元模型的建立

建立溫度場有限元模型時，使用八節(jié)點三維實體單元(DC3D8)建立鋼管和混凝土部件，而縱向鋼筋和箍筋采用二節(jié)點桿單元(DC1D2)建立。假設(shè)鋼材與混凝土之間完全傳熱，忽略接觸熱阻，熱量在構(gòu)件表面通過熱對流和熱輻射的方式進行傳遞，在內(nèi)部通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞。參考韓林海[12]中的取值，選取受火區(qū)域的綜合輻射系數(shù)ε為0.5，熱對流系數(shù)α=25 W/(m2·℃)。按照國際標(biāo)準(zhǔn)升溫、降溫曲線[8]進行高溫作用。

2 溫度場有限元模型的驗證

為圓形鋼管混凝土疊合柱邊長，Ds為鋼管外徑，ts為鋼管厚度。

為了對上述溫度場模型的正確性進行驗證，收集了相關(guān)的溫度場試驗數(shù)據(jù)。采用徐蕾等[13]完成的4個鋼管混凝土疊合柱試件的溫度場試驗數(shù)據(jù)進行數(shù)值模擬，試驗中火災(zāi)曲線按照國際標(biāo)準(zhǔn)曲線[8]中的升溫段進行升溫。試件的基本參數(shù)見表1，所有試件的受火高度H均為3 000 mm，其中SZ1-1、SZ1-2為方形截面試件;CZ2-1、CZ2-2為圓形截面試件。本試驗對各試件不同測點的溫度場進行模擬，并與試驗測得的數(shù)據(jù)進行對比，對比結(jié)果如圖1，其中虛線表示試驗的實測值，實線表示有限元計算值。由圖1可知，有限元計算結(jié)果和試驗結(jié)果總體上吻合程度較高。

表1 試件基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of samples

3 火災(zāi)全過程下矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場分析

3.1 試件設(shè)計

3.2 火災(zāi)升溫階段試件溫度場分析

圖2所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在國際標(biāo)準(zhǔn)升溫作用[8]下不同時刻截面的溫度場分布情況，其中NT11為節(jié)點溫度，總升溫時間為180 min。由圖2可見，矩形截面鋼管混凝土疊合柱在均勻受火的情況下，其截面溫度場表現(xiàn)出雙軸對稱的分布方式，溫度均呈現(xiàn)出內(nèi)低外高的變化趨勢。隨受火時間的增加，柱的熱量不斷累積，其最大溫差從60 min時的906 ℃增加到180 min時的1 074 ℃，高溫區(qū)的面積不斷增大，低溫區(qū)面積不斷減小，這說明熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)持續(xù)傳導(dǎo)。

圖2 升溫階段不同時刻下矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場分布Fig.2 Temperature field distribution of ST-RC columns at different times in heating stage

圖3、圖4分別給出了在火災(zāi)升溫過程中，矩形截面鋼管混凝土疊合柱截面上各特征點的布置情況和各特征點的溫度—時間關(guān)系曲線。在火災(zāi)發(fā)生初期，表面混凝土(測點1和測點2)的溫度迅速升高，在16 min 之前達到了混凝土的劣化溫度Tc(500 ℃)，而此時內(nèi)部各測點的溫度仍均保持在20 ℃左右。隨著升溫時間的增加，熱量從混凝土表面向內(nèi)部傳遞，到升溫結(jié)束時刻，外圍混凝土的保護作用使內(nèi)部鋼管與核心混凝土均未達到其材料的劣化溫度。此外，短軸上3、5、7測點的溫度分別高于長軸上同比例位置4、6、8測點的溫度，這是由于長軸、短軸方向外部鋼筋混凝土厚度的不同使得沿兩個方向傳進內(nèi)部的熱量有所不同，火災(zāi)沿長軸方向作用時對構(gòu)件內(nèi)部的溫度影響更小。

3.3 火災(zāi)降溫階段試件截面溫度場分析

圖5所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在火災(zāi)降溫過程中不同時刻截面上的溫度場分布云圖，其中NT11為節(jié)點溫度。在180 min時試件達到升溫階段的最高溫度，降溫階段開始后，熱量逐漸從材料的高溫區(qū)向周圍空氣及材料低溫區(qū)轉(zhuǎn)移。300 min時截面最高溫度出現(xiàn)在外圍混凝土表面的4個角部位置，其溫度約為749 ℃。隨著降溫時間的推進，混凝土最高溫度區(qū)不斷向內(nèi)部遷移，在440 min時，混凝土最高溫度出現(xiàn)在距外圍混凝土表面深度約92.5 mm處的4個角部位置。通過分析可以看出，混凝土的溫度變化存在滯后現(xiàn)象，與外圍混凝土表面之間距離越大的區(qū)域，升溫滯后時間也越長。在降溫的最終時刻(1 800 min),外圍混凝土的外表面溫度已降至接近室溫(25 ℃)；核心區(qū)域混凝土由于存在降溫滯后現(xiàn)象，其最終溫度只降到118 ℃。此時刻截面溫度場分布為內(nèi)高外低形式，這與升溫結(jié)束時刻(180 min)的溫度場分布方式相反。

圖5 降溫階段不同時刻下矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場分布Fig.5 Temperature field distribution of ST-RC columns at different times in cooling phase

3.4 火災(zāi)全過程中截面各測點的溫度場分析

圖6所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在經(jīng)歷火災(zāi)升溫、降溫全過程中截面上各測點的溫度變化情況，其中B′時刻為空氣溫度達到升溫階段最高時刻(180 min)，C′時刻為空氣溫度降至室溫時刻(440 min)。由圖6a可知，每個測點的溫度變化均表現(xiàn)出不同程度的滯后現(xiàn)象，外圍混凝土外表面(測點1和測點2)區(qū)域在180 min左右最先開始降溫，在1 800 min時溫度降至室溫，而B′時刻其他測點的溫度仍處于上升階段。由圖6b可知，核心區(qū)域混凝土(測點9)在760 min左右時達到其經(jīng)歷的最高溫度，約244 ℃，與混凝土外表面開始降溫的B′時刻(測點9溫度為27 ℃)相比，此時刻核心混凝土的溫度提升了近8倍；隨即進入降溫階段，在降溫階段最終時刻該區(qū)域溫度仍有118 ℃。另外，長軸方向上各測點的升降溫臨界時刻相較于短軸方向上同比例位置各測點出現(xiàn)得更晚，外圍混凝土表面區(qū)域和核心混凝土區(qū)域的混凝土升溫、降溫臨界時間相差約580 min，這說明隨受火表面距離的增大，會使降溫時刻愈發(fā)滯后，內(nèi)部材料容易在降溫階段發(fā)生劣化。

圖6 火災(zāi)全過程下試件截面各測點溫度—時間關(guān)系曲線Fig.6 Temperature—time relation curve of each measuring point of sample section in the whole process of fire

3.5 火災(zāi)后的溫度場分析

圖7所示為矩形截面鋼管混凝土疊合柱在升溫結(jié)束時刻(180 min)的溫度與其經(jīng)歷的歷史最高溫度(火災(zāi)后)的對比，其中黑色虛線表示混凝土劣化溫度(500 ℃)等溫線的位置。由圖7a可知，在180 min 時外圍混凝土表面已經(jīng)達到了其歷史最高溫度1 101 ℃，截面的溫度梯度較大，最大溫差為1 074 ℃；進入降溫階段后，截面內(nèi)的溫度仍然在升高，試件內(nèi)部熱量的持續(xù)傳遞增大了混凝土的過火面積。由圖7b可知，在歷史最高溫度狀態(tài)下，距受火面距離越遠的區(qū)域經(jīng)歷的歷史最高溫度越小，截面的最大溫差為857 ℃，截面內(nèi)溫度梯度較升溫結(jié)束時刻逐漸減小，且總體溫度有所提高。歷史最高溫度狀態(tài)下500 ℃的等溫線與截面長、短邊方向受火面的垂直距離分別為61.7 mm、55.3 mm，與升溫結(jié)束時刻的49.36 mm、48.75 mm相比，分別提高了25%、13.4%；500 ℃以上的區(qū)域面積較升溫結(jié)束時刻增大了16.6%，說明此時發(fā)生混凝土材料劣化的面積更廣泛，若用歷史最高溫狀態(tài)的溫度場進行火災(zāi)全過程中疊合柱結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)性能的計算會更加安全。

圖7 升溫結(jié)束時刻與歷史最高溫度的溫度場分布對比Fig.7 Comparison of temperature field distribution between heating end time and maximum temperature in history

4 結(jié)論

本文研究了矩形截面鋼管混凝土疊合柱在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升降溫全過程下的溫度場分布情況?；诒疚乃M行的研究，可以初步總結(jié)得到以下結(jié)論：

(1)采用數(shù)值方法建立矩形截面鋼管混凝土疊合柱溫度場的有限元分析模型，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好，該模型能夠準(zhǔn)確分析矩形截面鋼管混凝土疊合柱在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)全過程下的熱學(xué)行為。

(2)矩形截面鋼管混凝土疊合柱在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫階段呈現(xiàn)出雙軸對稱的溫度場分布，但長軸與短軸上外圍混凝土厚度的不同使其內(nèi)部溫度場分布有所差異，外圍混凝土厚度較大的方向上內(nèi)部測點的溫度相對較低。

(3)在火災(zāi)作用的全過程中，混凝土的溫度變化存在滯后現(xiàn)象，距試件受火表面距離越大的區(qū)域升溫、降溫的臨界時刻出現(xiàn)得更晚。

(4)在降溫的最終時刻，外圍混凝土表面已降至室溫，而核心混凝土溫度仍然較高，此時截面溫度場分布為內(nèi)高外低形式，與升溫結(jié)束時刻的溫度場分布方式相反。

(5)與升溫結(jié)束時刻相比，火災(zāi)后(歷史最高溫度)的溫度場中混凝土材料達到劣化溫度的區(qū)域更加廣泛，若用歷史最高溫狀態(tài)的溫度場進行火災(zāi)全過程中疊合柱結(jié)構(gòu)相關(guān)力學(xué)性能的計算會更加安全。