劉 曉, 劉思穎, 王 兵

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

中空夾層鋼管混凝土柱(CFDST)是把內(nèi)外鋼管同心放置,在兩層鋼管中間填充混凝土而形成的新型組合結構。CFDST結構不僅具有承載力高和延性好等優(yōu)點,還具有更輕的自重、更大的抗彎剛度、良好的耐火性能等特點[1-4]。在各種災害中,火災發(fā)生最為頻繁且危害性極強,所以提高建筑結構的抗火性能,確定合理的防火構造措施,改善建筑在火災下和火災后的工作性能,對人類安全、社會安定以及環(huán)境保護有重要意義。

目前對于CFDST抗火性能的研究主要集中在耐火極限和火災后軸壓力學性能方面,而關于火災后CFDST偏壓構件力學性能的研究較少。楊友福等[5]對火災下CFDST的機械性能進行了試驗,分析了CFDST火災下殘留負荷系數(shù)和影響部件耐火極限的各種因素;Lu等[6]進行火災下自密實CFDST構件試驗,證明了空心率對火災下的耐火極限有顯著影響,明確了鋼管與混凝土之間的相互約束力能有效提高極限溫度;以火災受火時間為主要變量,余鑫等[7]研究認為火災后構件的承載力顯著下降,構件空心率在相同條件下,火災后的剩余承載力最高的是方套圓截面的CFDST構件;Lu等[8]在之前試驗的基礎上,研究的關于火災后自密實CFDST構件的理論表明,通過增加外鋼管的厚度可以有效降低構件所經(jīng)歷的最高溫度;劉曉等[9]利用有限元軟件模擬分析高溫后CFDST的軸壓性能,研究空心率、溫度和構件名義含鋼率對構件火災后剩余承載力影響的結果表明,隨著構件空心率的增加、溫度的上升及名義含鋼率的減小,構件在火災后剩余承載力逐漸下降。

在現(xiàn)代化建筑工程中,CFDST構件屬于偏心受壓構件,被廣泛應用于高層建筑和橋墩等,但目前火災后CFDST偏壓力學性能研究較少。本文采用合理的本構關系模型,利用ABAQUS有限元軟件,構建正確的火災后CFDST偏心受壓模型,分析不同變量對CFDST承載力的影響,深入研究方截面CFDST構件偏壓工作機理。

1 有限元模型

1.1 材料的本構關系

考慮溫度變化對混凝土的影響,核心混凝土選用林曉康[10]的本構關系(σ-ε)模型。高溫后鋼材內(nèi)部結構發(fā)生變化,但冷卻后其強度又有很大程度的恢復,高溫后采用韓林海[11]提出的火災后鋼材本構關系(σ-ε)模型,具體表達式為

式中:fy為鋼材的屈服強度;fy(θmax)為高溫自然冷卻后鋼材的屈服強度;θmax為歷史所遭受的最高溫度。

1.2 模型建立

首先對方截面CFDST構件進行熱力學分析,建立方截面CFDST的溫度場分布,然后再加入力場進行力學分析。鋼管在熱分析中采用4節(jié)點殼單元DS4,在力學分析中采用8節(jié)點實體單元C3D8R;混凝土和蓋板在熱分析中采用實體單元DC3D8,在力學分析中采用殼單元S4。

設置熱分析的邊界條件時,忽略鋼管和混凝土間的接觸阻擋熱量,只考慮柱與外部環(huán)境的熱輻射和熱對流,即認為熱量可以完全傳遞。在力學分析中,設置蓋板和混凝土之間采用硬接觸傳遞力,內(nèi)外鋼管和蓋板之間采用“shell to solid”約束方式,內(nèi)外鋼管與混凝土之間的界面模型采用法線方向的硬接觸和切線方向的庫倫摩擦接觸,其中火災后界面間的摩擦系數(shù)取0.25[12],在接觸設置中遵循剛度大的面為主面,剛度較小的面為從面。網(wǎng)格的劃分采用網(wǎng)格試驗的方法選擇合理的網(wǎng)格密度。邊界條件定義為上端板加載線U1=U2=0,在Z方向上施加位移,下端板加載線U1=U2=U3=0,具體加載方式如圖1所示。

圖1 火災后偏心受壓CFDST構件的邊界條件Fig.1 Boundary conditions of eccentrically compressed CFDST after fire

1.3 模型驗證

采用上述建模方法對文獻[13-15]中的各偏壓構件進行模擬,各文獻構件的具體參數(shù)見表1。有限元模擬結果與試驗結果的對比如表2所示,表中Nue、Nc分別為試驗值和有限元模擬值,對數(shù)據(jù)處理計算得到有限元模擬的偏壓極限承載力與各試驗構件偏壓極限承載力比值的標準差為0.061,說明本文所建立模型是正確的。

表1 試驗構件參數(shù)Table 1 Parameters of test members

表2 有限元計算承載力與文獻試驗承載力對比Table 2 The comparison of bearing capacity between model results and literature test results

2 參數(shù)分析

使用ABAQUS有限元軟件,基于正確的本構關系模型,將受火時間t(分別為0、60、120 min)、偏心距e(分別為15、30、45 mm)、空心率χ(分別為0、0.32、0.42、0.64)作為主要參數(shù),共建立了18組方截面CFDST偏壓模型構件,構件具體參數(shù)見表3。通過對比分析不同變量的構件得出各變量對火災后方截面CFDST偏壓構件載荷(N)-跨中撓度(um)關系曲線的影響規(guī)律。

表3 有限元模型構件參數(shù)Table 3 Parameter list of finite element specimen

續(xù)表3

2.1 受火時間t

圖2為偏心受壓構件(偏心距e為15、30、45 mm)在不同受火時間時的N-um關系曲線,圖2(a)中t=0、t=60和t=120 min所用的構件分別為psc15-3-60-0、psc15-3-60-60和psc15-3-60-120,圖2(b)中t=0、t=60和t=120 min所用的構件分別為psc30-3-60-0、psc30-3-60-60和psc30-3-60-120,圖2(c)中t=0、t=60和t=120 min所用的構件分別為psc45-3-60-0、psc45-3-60-60和psc45-3-60-120。由圖2可知:相同偏心距下,構件受火時間增加,其偏壓極限承載力均減小;構件達到極限承載力后,曲線下降趨勢變緩,尤其在受火時間為60和120 min時,曲線不再有下降趨勢,因此方截面CFDST構件在火災后期也能表現(xiàn)出良好的延性。

(a) e=15mm(b) e=30mm(c) e=45mm

不同偏心距下構件的受火時間對承載力的影響對比情況如圖3所示,由圖3可知:受火時間60 min的構件承載力比受火時間0 min的極限承載力平均降低了31.61%;受火時間120 min的構件極限承載力比受火時間0 min的極限承載力平均降低了39.57%;受火時間120 min的構件極限承載力僅比受火時間60 min的極限承載力降低8.96%。構件極限承載力在受火時間不大于60 min時下降的幅度較大,受火時間60 min后下降的幅度較小。因為受火時間不超過60 min的情況下,方截面CFDST中的核心混凝土隨受火時間的推移會產(chǎn)生溫度裂紋,造成無法恢復的機械損失,所以隨著受火時間的增加,承載力降低幅度會越來越大;受火時間超過60 min后,核心混凝土明顯喪失了承載能力,此時鋼材恢復了一部分力學性能,內(nèi)外鋼管開始分擔載荷。因此,當受火時間超過60 min后,方截面CFDST承載力下降幅度逐漸減慢。

圖3 不同偏心距下構件的受火時間對承載力的影響Fig.3 Influence of fire time on bearing capacity under different eccentricity

2.2 偏心距e

不同受火時間下的構件在偏心距不同時的N-um曲線如圖4所示。由圖4(a)可知:常溫狀態(tài)下,偏心距為45 mm的構件比偏心距為30 mm構件的極限承載力降低8.22%;偏心距為30 mm的構件比偏心距為15 mm構件的極限承載力降低19.35%。由圖4(b)可知:受火時間為60 min時,偏心距為45 mm 的構件比偏心距為30 mm構件的極限承載力降低2.60%;偏心距為30 mm的構件極限承載力比偏心距為15 mm構件的極限承載力降低17.27%。由圖4(c)可知: 受火時間為120 min時,偏心距為45 mm的構件比偏心距為30 mm構件的極限承載力降低3.37%;偏心距為30 mm的構件比偏心距為15 mm構件的極限承載力降低16.03%。由此可以看出,隨著受火時間的增加,方截面CFDST偏壓構件的極限承載力下降幅度并不大。

(a) t=0min(b) t=60min(c) t=120min

方截面CFDST偏壓構件達到極限承載力后,隨著偏心距的增加,N-um曲線變得平緩,表明其延性逐漸提高。這是因為在加載過程中,主要載荷由鋼管承受,鋼材的延性比混凝土好,并且構件偏心距越大,中和軸侵入內(nèi)鋼管距離就越大[15],所以方截面CFDST構件表現(xiàn)出良好的延性。

2.3 空心率χ

圖5是不同受火時間的構件在不同空心率下的N-um關系曲線,圖5(a)中χ=0、χ=0.32、χ=0.42和χ=0.64所用的構件分別為psc15-0-60-0、psc15-3-60-0、psc15-4-60-0和psc15-6-60-0,圖5(b)中χ=0、χ=0.32、χ=0.42和χ=0.64所用的構件分別為psc15-0-60-60、psc15-3-60-60、psc15-4-60-60和psc15-6-60-60,圖5(c)中χ=0、χ=0.32、χ=0.42和χ=0.64所用的構件分別為psc15-0-60-120、psc15-3-60-120、psc15-4-60-120和psc15-6-60-120。圖6是不同偏心距構件的空心率對承載力的影響柱狀圖?？傮w上,隨著構件空心率的增加,方截面CFDST構件承載力降低,其N-um關系曲線的下降段逐漸變緩,后期也未下降。這是因為隨著空心率的增加,斷面實際含鋼率增加,鋼材代替混凝土承擔的負荷也逐漸增加。與混凝土相比,鋼材具有更好的延展性,所以構件N-um關系曲線后期的下降段變得松弛,延展性變好。即隨著空心率的有效增加,方截面CFDST構件延性相應增大。

(a) t=0min(b) t=60min(c) t=120min

3 典型曲線分析

為了對火災后方截面CFDST構件偏壓工作機理進行分析,選取受火時間t=60 min、偏心距e=45 mm的方截面CFDST構件,對其典型載荷(N)-應變(ε)曲線進行分析。

圖7為受火時間60 min時方截面CFDST偏心受壓構件典型N-ε曲線。為了便于討論,在曲線上取4個特征點,分別為點O、點A、點B、點C。點O為構件施加載荷的起點,點A為構件彈性階段的終點,點B為構件達到極限承載力時對應的點,點C為構件縱向應變達到2×10-4的點。由圖7可知整個方截面CFDST構件、混凝土、內(nèi)鋼管和外鋼管隨著應變的增加,各自承擔載荷的變化情況。整體上看,受火時間t=60 min時方截面CFDST構件主要是由混凝土承擔載荷,混凝土和外鋼管分別占總承載力的44.96%和37.48%,占比最少的是內(nèi)鋼管,它所承擔的載荷僅僅占17.56%。

圖7 典型方截面CFDST偏心受壓構件N-ε曲線(t=60 min)Fig.7 Typical N-ε curve of square CFDST eccentric compression member(t=60 min)

圖8為各特征點處的跨中截面混凝土縱向應力分布,圖9為內(nèi)、外鋼管各特征點處應力分布。結合圖8和圖9得出:在點O時,構件中的混凝土和內(nèi)外鋼管的應力均為0,OA階段是彈性階段,基本是一條直線。構件承受偏載后,整個截面的壓縮混凝土逐漸產(chǎn)生拉伸應力,最初的拉伸應力出現(xiàn)在外鋼管附近,應力從遠離偏心載荷的一側逐漸增加到偏心載荷一側,點A應力分布如圖8(a)所示,此時,內(nèi)外鋼管處于彈性階段,最大壓應力出現(xiàn)在壓區(qū)外緣,該階段混凝土和內(nèi)、外鋼管獨立工作;AB階段屬于彈塑性階段,在這個階段,混凝土開始開裂,拉伸面積逐漸增大,其特征是遠側拉伸,近側壓縮,中和軸移動進入內(nèi)鋼管,內(nèi)鋼管開始承擔一部分力,然后承載力增加直到達到最大值,點B應力分布如圖8(b)所示;在點C時,壓區(qū)的混凝土被壓碎,混凝土受拉區(qū)出現(xiàn)了很多條貫通的裂縫,然后逐漸退出工作,拉區(qū)混凝土的最大拉伸應力減少,內(nèi)鋼管也和混凝土脫離,內(nèi)部鋼管逐漸從全截面受壓變?yōu)槭芾?遠離偏心載荷,內(nèi)鋼管負擔主要的拉伸應力,承載力明顯下降,點C應力分布如圖8(c)所示。

(a) 點A(b) 點B(c) 點C

(a) 點A外鋼管(b) 點A內(nèi)鋼管(c) 點B外鋼管(d) 點B內(nèi)鋼管(e) 點C外鋼管(f) 點C內(nèi)鋼管

4 結 論

1) 隨著火災受火時間的增加,構件達到偏壓極限承載力后,載荷-撓度曲線的下降段逐漸變緩,說明火災后方截面CFDST在后期表現(xiàn)出良好的延性;隨著偏心距的增加,CFDST的承載力有小幅度下降;隨著空心率的增加,方截面CFDST曲線下降段逐漸減慢,甚至不出現(xiàn)下降段,即方截面CFDST的延性隨著空心率的增加而增加。

2) 當受火時間t=60 min時,方截面CFDST構件主要是由混凝土承擔載荷,混凝土、外鋼管及內(nèi)鋼管的承載力分別占總承載力的44.96%、37.48%和17.56%。