王曉初, 楊玉琪, 劉 曉, 回彥川, 崔洧瑄, 袁立灝, 朱 俊, 侯東序

(沈陽大學 建筑工程學院, 遼寧 沈陽 110044)

高強鋼管混凝土柱是在高強鋼管(鋼材屈服強度大于460 MPa)中填入高強混凝土(混凝土強度等級為C60及以上)形成的組合構件。對組合柱施加軸向壓力時,鋼管對混凝土起約束作用,延緩混凝土的縱向開裂,從而提高混凝土的抗壓強度,同時由于混凝土的作用可延緩鋼管出現(xiàn)局部屈曲。高強鋼管混凝土柱在高層及超高層建筑中使用可以減輕結構自重,增強耐火性能,經(jīng)歷火災后的高強鋼管混凝土柱依然具有比較好的承載力。

目前,已有學者對高強鋼管混凝土進行了研究:韓林海[1]通過研究矩形鋼管混凝土柱在火災后的力學性能和剩余承載力,確定了構件在高溫作用后的應力-應變模型,同時簡化了火災后圓鋼管和方鋼管混凝土構件承載力的計算方法;劉曉等[2]利用有限元建立高強CFDST柱的計算模型,剖析了不同受火時間、外鋼管屈服強度和混凝土抗壓強度等因素對火災后高強CFDST柱受軸壓時的影響規(guī)律,結果表明外鋼管屈服強度對火災后高強CFDST柱的極限承載力影響較大;林曉康[3]利用ABAQUS建立火災后普通鋼管混凝土構件的數(shù)值模型,并對其載荷-變形關系曲線分析,深入了解構件在火災后的受力特性;Xiong等[4]為了擴大設計規(guī)范應用范圍,研究使用了高強和超高強材料的鋼管混凝土在環(huán)境溫度下的性能,對56組鋼管混凝土短柱軸向性能進行試驗,將試驗結果與各國規(guī)范預測結果相對比,提出設計建議;Tao等[5]為評估火災后結構的損傷,通過廣泛收集文獻測試數(shù)據(jù),建立可用于加熱和冷卻后鋼結構和鋼筋的應力應變模型;王彥博等[6]對13組高強圓鋼管混凝土短柱進行軸壓試驗,分析了鋼管強度、混凝土強度及徑厚比對構件軸壓性能的影響,并將高強圓鋼管混凝土短柱試驗結果與現(xiàn)有試驗數(shù)據(jù)對比,修正了其受壓截面承載力計算公式;劉曉等[7]利用ABAQUS建立火災后圓套圓CFDST柱模型,剖析了火災后CFDST柱軸壓工作機理并對其典型的承載力-位移曲線進行分析;劉曉等[8]考慮火災受火時間、偏心距和空心率等因素,建立火災后方截面CFDST柱數(shù)值模型,分析構件載荷-跨中撓度關系曲線,揭示方截面CFDST偏壓工作機理;幸坤濤等[9]采用數(shù)值分析方法對高強鋼管混凝土核心短柱受軸壓時的載荷-變形關系曲線進行分析,簡化了高強鋼管混凝土核心柱軸壓短柱承載力計算公式;王曉初等[10]使用ABAQUS有限元軟件對高強方鋼管混凝土短柱在高溫后的軸壓機制進行研究,發(fā)現(xiàn)構件在經(jīng)歷高溫后各部件材料性能損失嚴重,構件極限承載力隨所經(jīng)歷溫度的升高而降低,構件承載力主要由高強鋼材承擔;王燦燦等[11]對6個圓形高強中空夾層鋼管混凝土構件進行試驗研究,利用ABAQUS分析了空心率、混凝土強度及內(nèi)外鋼管徑厚比對該構件軸壓性能的影響規(guī)律,并提出圓形高強中空夾層鋼管混凝土構件軸壓承載力和剛度的計算公式。

目前研究多集中在普通鋼材、高強鋼材在常溫或高溫條件下的力學性能,對在火災后高強鋼管混凝土的力學性能研究較少,本文利用ABAQUS有限元軟件,創(chuàng)建火災后高強鋼管混凝土軸壓模型,將有限元模型數(shù)據(jù)與文獻試驗數(shù)據(jù)對比驗證,并對火災后高強鋼管混凝土進行參數(shù)化分析。

1 有限元模型

1.1 混凝土和鋼材的本構模型

采用文獻[3]提出的火災后混凝土本構模型?；馂暮蟾邚婁摬牟捎梦墨I[1]提出的雙折線模型,數(shù)學表達式為

式中:θ為鋼材最高溫度;fy為鋼材屈服強度;fy(θ)為火災后鋼材屈服強度。

1.2 熱工參數(shù)

本文選用文獻[12]提出的熱工參數(shù):綜合輻射系數(shù)即發(fā)射率取0.56;膜層散熱系數(shù)取25 W·(m2·K)-1;混凝土容重ρc取2 400 kg·m-3;鋼材容重ρs取7 850 kg·m-3。

1.3 建立模型

組合構件由鋼管、核心混凝土和上下蓋板3部分組成,組合構件邊界條件如圖1所示。

圖1 組合結構邊界條件

1) 建立溫度場模型。鋼管選用四結點傳熱四邊形殼單元(DS4),核心混凝土和上下蓋板采用八結點線性傳熱六面體單元(DC3D8);鋼管與混凝土采用綁定(Tie)接觸方式,可防止鋼管與混凝土之間出現(xiàn)相對滑動或分離現(xiàn)象,也保障兩者之間的熱接觸能力。

2) 建立力場模型。核心混凝土與蓋板采用八結點線性六面體單元(C3D8R),鋼管采用四結點曲面薄殼或厚殼單元(SR4);鋼管內(nèi)表面與核心混凝土之間、上下蓋板與核心混凝土之間的接觸類型均為表面與表面接觸;鋼管內(nèi)表面與核心混凝土之間在切向上摩擦系數(shù)為0.6,法向上為硬摩擦;上下蓋板與核心混凝土之間的切向行為和法向行為分別為無摩擦和硬摩擦。

各部件裝配后,構件采用全局種子布種方式劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格劃分精度為0.02,構件劃分網(wǎng)格結果如圖2所示。由于位移加載相較于力加載更加精確,本文選用位移加載,構件負載方式如圖3所示,將柱底端蓋板完全錨固,在柱底端X、Y、Z方向上限制柱底端的位移和轉(zhuǎn)角,柱頂端施加位移載荷。

圖2 構件網(wǎng)格劃分

圖3 構件負載方式

1.4 模型驗證

為驗證本文采用本構模型及建模方法是否合理準確,將文獻[13]、文獻[4]及文獻[6]中試件承載力試驗數(shù)據(jù)與本文有限元承載力模擬數(shù)據(jù)進行對比驗證,試件模型參數(shù)見表1。

表1 各文獻中試件具體參數(shù)

利用表1中數(shù)據(jù)計算可得承載力的有限元模擬值與承載力的試驗值之比的平均值和標準差分別為0.995 0和0.080 6。 承載力(FN)-位移(Δ)曲線如圖4、 圖5和圖6所示, 由圖可見有限元模擬值曲線與文獻試驗值曲線趨勢大致相同, 說明本文所采用的本構模型和建模方法是合理的。 因此可利用ABAQUS有限元軟件對火災后高強鋼管混凝土柱受軸壓時進行參數(shù)化分析。

圖4 本文與文獻[13]的承載力位移曲線對比

圖5 本文與文獻[4]的承載力位移曲線對比

圖6 本文與文獻[6]的承載力位移曲線對比

2 有限元分析

有限元模擬中,選用圓截面高強鋼管混凝土柱模型,模型上下端均采用300 mm×300 mm的方形蓋板,構件中鋼管長度均為600 mm,鋼管直徑均為200 mm,鋼管壁厚均為3 mm。以受火時間t,鋼材屈服強度fy,混凝土強度等級fcu為主要參數(shù),建立10組高強鋼管混凝土柱軸壓模型構件,構件具體參數(shù)見表2。分析主要參數(shù)變化得出承載力-位移曲線以及對構件極限承載力產(chǎn)生的影響,同時與普通鋼材進行對比。

表2 模擬構件參數(shù)

2.1 溫度場分析

圖7為構件在不同受火時間的核心混凝土溫度場分布狀況,取核心混凝土中截面1/4處作為研究對象。分析圖7可知,核心混凝土在不同受火時間的內(nèi)外溫度差變化情況:隨著受火時間增加,核心混凝土中截面1/4處的溫度場以圓形波紋狀從中間向外擴散,構件外邊緣溫度也逐漸增大;在受火時間60 min時混凝土的內(nèi)部和表面存在較大溫差,超過60 min后溫差逐漸降低。

圖7 不同受火時間構件中截面1/4處溫度場分布

2.2 主要參數(shù)分析

2.2.1 鋼管屈服強度

表2中的構件CC-10、CC-9、CC-6、CC-5、CC-4,受火時間均為90 min,對應鋼材屈服強度分別為Q235、Q345、Q460、Q590、Q690,根據(jù)有限元模擬得到的數(shù)據(jù)繪制構件在軸向負載下不同鋼管屈服強度的承載力-位移曲線如圖8所示。分析圖8可知構件的極限承載力逐漸提高:鋼材屈服強度為Q690構件的極限承載力比鋼材屈服強度為Q590構件的極限承載力提升了10.27%;鋼材屈服強度為Q590構件的極限承載力比鋼材屈服強度為Q460構件的極限承載力提升了16.75%;鋼材屈服強度為Q460構件的極限承載力比鋼材屈服強度為Q345構件的極限承載力提升了14.57%;鋼材屈服強度為Q345構件的極限承載力比鋼材屈服強度為Q235構件的極限承載力提升了19.45%。5組構件在達到極限承載力后均呈現(xiàn)下降趨勢,從曲線下降幅度來看,鋼材屈服強度為Q460、Q590、Q690構件的極限承載力的下降趨勢比鋼材屈服強度為Q235、Q345的更平緩。以CC-4構件的承載力-位移曲線為例,位移每增加2 mm選取一個點,取A、B、C、D、E五個點,B點承載力比A點增加253.11 kN,提升了15%;C點承載力比B點增加37.22 kN,提升了2%;D點承載力比C點減少22.56 kN,降低了1.1%;E點承載力比D點減少38.48 kN,降低了2%;構件承載力自C點以后下降3.7%,但降幅不大。因此,提升構件鋼材屈服強度,極限承載力均增大,承載力在達到頂峰后,曲線下降平緩,說明使用高強鋼材構件的極限承載力優(yōu)于使用普通鋼材,且構件在火災后的延性較好。

圖8 不同鋼材強度承載力位移曲線

2.2.2 受火時間

表2中的CC-1、CC-2、CC-3、CC-4構件的鋼管強度和混凝土強度均相同,對應受火時間分別為30、60、90、120 min,根據(jù)有限元模擬得到的數(shù)據(jù)繪制構件經(jīng)歷不同受火時間后的承載力-位移曲線如圖9所示。分析圖9可知構件極限承載力逐步降低:受火時間從30 min到60 min時,構件極限承載力從2 716.62 kN下降到2 246.26 kN,下降了17.31%;受火時間從60 min到90 min時,構件極限承載力從2 246.26 kN下降到2 001.24 kN,下降了10.91%;受火時間從90 min到120 min時,構件極限承載力從2 001.24 kN下降到1 833.28 kN,下降了8.39%。以CC-3構件的承載力-位移曲線為例,位移每增加2 mm選取一點,取A、B、C、D、E五點,B點承載力比A點增加293.28 kN,提升了17.6%;C點承載力比B點增加45.49 kN,提升了2.3%;D點承載力比C點減少44.67 kN,降低了2.2%;E點承載力比D點減少21.83 kN,降低了1.1%;構件承載力上升至C點以后,承載力下降4.5%,自C點后曲線逐漸平緩。在構件均達到極限承載力后,受火時間30 min時,從B″至E″承載力下降了11.6%,受火時間60 min時,從B′至E′承載力下降了6.8%,曲線均出現(xiàn)明顯下降;受火時間90 min時,構件承載力到達頂峰后曲線下降趨勢變緩;受火時間120 min時,在達到構件極限承載力后,曲線無下降趨勢?？偟膩碚f,隨著受火時間增加,構件極限承載力呈明顯下降到逐漸變緩趨勢。這表明經(jīng)歷火災后混凝土體積膨脹,產(chǎn)生很大的內(nèi)應力,導致混凝土結構的破壞,水泥石產(chǎn)生較大收縮而骨料卻膨脹,這種差異造成混凝土的破壞[14],此種破壞無法恢復,從而導致構件承載能力下降;而承載力無明顯下降趨勢則由于高強鋼材在經(jīng)歷火災,溫度下降冷卻后,鋼材的材料性能可以大部分恢復,在火災后構件展現(xiàn)出較好的延性。

圖9 不同受火時間的承載力位移曲線

2.2.3 混凝土強度

表2中的CC-8,CC-3,CC-7構件的受火時間和鋼管強度均相同,對應混凝土強度分別為C60、C70、C80,根據(jù)有限元模擬得到的數(shù)據(jù)繪制構件在軸向負載下不同混凝土強度時的承載力-位移曲線(圖10)。比較圖10中的曲線可知:構件極限承載力提升較小,混凝土強度等級從C60提升至C70,構件極限承載力提升5.42%;混凝土強度等級從C70提升至C80,構件極限承載力提升6.75%。隨混凝土強度等級的提升,構件極限承載力均略有提升,但在到達極限承載力后曲線漸漸下降。以CC-8構件的承載力-位移曲線為例,取A、B、C、D、E五點進行比較,B點承載力比A點增加249.92 kN,提升了14.9%;C點承載力比B點增加76.25 kN,提升了4%;D點承載力比C點減少67.92 kN,降低了3.4%;E點承載力比D點減少16.65 kN,降低了0.9%;隨位移的增加構件承載力緩慢增加,在C點后構件承載力下降3.2%。由于混凝土是一種熱惰性材料,傳熱較慢,根據(jù)溫度場分析可知混凝土表層與內(nèi)部存在較大溫差,與傳熱快的材料相比,經(jīng)歷火災后混凝土材料性能損傷程度較小,混凝土強度等級提升對構件承載力的提升較小。

圖10 不同混凝土強度的承載力位移曲線

3 典型曲線分析

圖11為構件在受火時間為60、90、120 min的載荷-縱向應變曲線。分析圖11可知:受火時間60 min時,鋼管和核心混凝土分別占總承載力的29.61%和70.39%,受火時間90 min時,混凝土分別占總承載力的35.01%和64.99%,受火時間120 min時,鋼管和核心混凝土分別占總承載力的37.46%和62.54%。隨著受火時間增加,鋼管所占總承載力的比例逐漸提升,混凝土所占總承載力的比例出現(xiàn)小幅度下降,但主要承擔載荷的仍為混凝土。鋼管和核心對火災后高強鋼管混凝土柱的軸壓受力性能進行軸壓工作機理分析,選取CC-8構件作為算例,其載荷-縱向應變曲線為圖11(b)所示,O、A、B、C四點繪制對應的應力分布情況如圖12所示。分析圖11(b)與圖12:O點對應構件施加軸力的起點、A點為彈性階段結束點、B點為構件極限承載力點、C點對應構件縱向應變?yōu)?.02;OA段為彈性工作階段,此時的OA段呈線性關系,由于混凝土的泊松比小于鋼管,鋼管與混凝土單獨受力,混凝土未被壓碎,鋼管處于未變形狀態(tài)但鋼管兩端出現(xiàn)些許應力集中現(xiàn)象;AB段為彈塑性階段,隨著軸力的增加混凝土加速膨脹,混凝土兩端出現(xiàn)裂縫,鋼管為混凝土提供約束作用;在B點以后,構件承載力開始下降,構件兩端混凝土被壓碎后逐漸退出工作,鋼管對混凝土的約束降低,同時鋼管中部開始出現(xiàn)應力集中。

圖11 典型載荷-縱向應變曲線

圖12 O、A、B、C點應力分布

4 結 論

1) 隨著鋼材屈服強度的提高,構件極限承載力增大,高強鋼材極限承載力明顯大于普通鋼材;隨著受火時間的增加,構件承載力減小,構件在達到極限承載力后曲線變得逐漸平緩,說明使用高強鋼材的構件在受火后展現(xiàn)出較好延性;增加混凝土強度等級對構件極限承載力提升較小。

2) 受火時間為60、90、120 min時,構件中的混凝土承擔主要載荷。