(廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院 廣東 湛江 524003)

引言

基于國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)混凝土和鋼材耐火性能的大量研究結(jié)果，筆者運(yùn)用有限元分析，對(duì)高溫下方鋼管混凝土耐火性能進(jìn)行研究，并對(duì)國(guó)外相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

一、高溫學(xué)鋼材和核心混凝土的熱力學(xué)性能

(一)鋼材的高溫力學(xué)性能和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

1.應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

描述高溫下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的模型有很多[1]，考慮到鋼管混凝土柱在耐火過程中鋼管受力比較復(fù)雜，尤其是偏壓情況，精確描述其受力狀態(tài)是很困難的。本文選用文獻(xiàn)[2]提出的多線段彈性模型，具體如下：

(1)

式中：εp=4x10-6fy；fy為常溫下鋼材的屈服強(qiáng)度。

2.熱膨脹系數(shù)αs

鋼的熱膨脹系數(shù)隨溫度的升高會(huì)發(fā)生變化，但變化幅度不大，文獻(xiàn)[3,4]建議的鋼的熱膨脹系數(shù)為：

(2)

(二)核心混凝土的高溫力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系模型

1.高溫下核心混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

描述混凝土在恒定高溫受壓下的應(yīng)力σc-應(yīng)變?chǔ)與模型時(shí)，根據(jù)對(duì)鋼管混凝土耐火極限試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)仍可采用常溫下的表達(dá)式[5]，只是某些參數(shù)，如fck，ε0和ξ等是隨溫度變化的，基本表達(dá)式下[6]：

y=2x-x2(x≤1)

(3a)

(3b)

fc(T)=fc/[1+1.986×(T-20)3.21×10-9]

εcc(T)=(1.03+3.6×10-4T+4.22-6T2)(1300+12.5fc)(με)

η=1.6+1.5/x

ξ=αfy(T)/fck

α=As/Ac

2.熱膨脹系數(shù)αc關(guān)系

受火時(shí)混凝土熱膨脹系數(shù)的變化比較復(fù)雜。本文采用加拿大學(xué)者T.T.Lie給出的公式[3,4]計(jì)算：

αc=(0.008T+6)×10-6[m/(m·℃)]

(4)

3.恒定壓應(yīng)力下混凝土的瞬態(tài)熱應(yīng)變

混凝土的瞬態(tài)熱應(yīng)變其值遠(yuǎn)大于短期高溫徐變和高溫下應(yīng)力產(chǎn)生的應(yīng)變，是混凝土高溫變形的主要部分。由于瞬態(tài)熱應(yīng)變假定為在混凝土施加荷載的同時(shí)即以完成，因此分析時(shí)可作為塑性應(yīng)變的一部分，添加到混凝土應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系中。

文獻(xiàn)[8]給出的混凝土的瞬態(tài)熱應(yīng)變：

(5)

二、試驗(yàn)驗(yàn)證

基于上述，對(duì)搜集到的方形鋼管混凝土柱耐火極限試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算。

文獻(xiàn)[4]介紹了加拿大學(xué)者T.T.Lie的耐火試驗(yàn)研究成果。試驗(yàn)時(shí)，爐膛升溫曲線按加拿大設(shè)計(jì)規(guī)程CAN-S1010中給定的選取，即

(6)

其中T-爐膛溫度(℃)

t-升溫時(shí)間，以小時(shí)計(jì)。

按照文獻(xiàn)中五組長(zhǎng)度均為3810mm、尺寸(Bs×Ts)不同的試件數(shù)據(jù)，采用相同的材料強(qiáng)度和軸壓荷載，將試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與本文計(jì)算結(jié)果、公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值非常接近，相差不大。

三、結(jié)語

本文利用數(shù)值分析方法計(jì)算了方鋼管混凝土軸心受壓柱的耐火極限，證明了理論分析的可靠性及在設(shè)計(jì)荷載作用下方鋼管混凝土柱遭受火災(zāi)時(shí)表現(xiàn)出良好的耐火性能，為實(shí)現(xiàn)局部火災(zāi)下方鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)抗火性能的分析創(chuàng)造了條件。