摘要：型鋼混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)用日益廣泛，關(guān)于其常溫下的力學性能研究較多，而有關(guān)型鋼混凝土結(jié)構(gòu)抗火性能方面的研究較少。在火災(zāi)作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度場，鋼材和混凝土在高溫下材料力學性能惡化。型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下和常溫下的承載力和變形有很大不同。在對比分析各學者提出的材料高溫力學性能的基礎(chǔ)上，選取合適的力學性能參數(shù)，利用ABAQUS建模，模擬型鋼混凝土柱在火災(zāi)下的受力情況。

關(guān)鍵詞：火災(zāi)型鋼混凝土柱高溫力學性能數(shù)值模擬

ResearchontheFireResistancePerformanceofSteelReinforcedConcreteColumns

ZHANGQingwen

JiaxingVocationalandTechnicalCollege，JiaxingCity，ZhejiangProvince，314036China

Abstract：Theapplicationofsteel-reinforcedconcretestructuresisbecomingincreasinglywidespread.Therehasbeenmanyresearchontheirmechanicalpropertiesatnormaltemperatures，butfewstudiesontheirfireresistance.Undertheactionoffire，atemperaturefielddevelopsinsidethestructure，andthemechanicalpropertiesofsteelandconcretedeteriorateathightemperatures.Thebearingcapacityanddeformationofsteel-reinforcedconcretestructuresaresignificantlydifferentunderfireandatroomtemperature.Basedonthecomparativeanalysisofthehigh-temperaturemechanical&nbIaQFWUjbCDFV3Sa9TK194g==sp;propertiesofmaterialsproposedbyvariousscholars，thispaperselectsappropriatemechanicalpropertyparametersandusesABAQUStosimulatethemechanicalbehaviorsofsteel-reinforcedconcretecolumnsunderfire.

KeyWords：Fire;Steel-reinforcedconcretecolumn;High-temperaturemechanicalproperties;Numericalsimulation

隨著建筑物高度的增加，使用電器的增多，建筑火災(zāi)已經(jīng)成為危害人民生命財產(chǎn)安全和城市公眾安全的主要災(zāi)害之一。高樓建筑火災(zāi)情況復雜，人員疏散困難，火災(zāi)撲滅難度較大。2018年“8·25”哈爾濱酒店火災(zāi)事故大火持續(xù)燃燒3.5h[1]；2021年大連市凱旋國際大廈發(fā)生火災(zāi)，大火持續(xù)燃燒7h[2]?；馂?zāi)作用下，建筑材料承載力下降，力學性能不斷惡化，可能造成建筑物局部損壞甚至整體倒塌[3]。過火后，建筑物的力學性能需要進一步評估以確定加固方案。型鋼混凝土是由型鋼、鋼筋和混凝土組成協(xié)同工作的一種結(jié)構(gòu)形式，具有良好的承載力和抗震性能，剛度大，經(jīng)濟效益較好，得到了越來越廣泛的應(yīng)用[4]。本文對鋼材和混凝土的火災(zāi)力學性能進行了分析，建立了鋼筋混凝土柱的溫度場模型[5]。在此基礎(chǔ)上，進一步模擬分析型鋼混凝土軸壓柱在高溫作用下的力學性能。

1鋼材和混凝土高溫力學性能

發(fā)生火災(zāi)時，在熱對流、熱幅射和熱傳導等物理作用下，建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度場?；炷梁弯摬碾S著溫度的變化，力學性能也發(fā)生改變。確定混凝土和鋼材的高溫力學性能對研究型鋼混凝土柱在火災(zāi)下的承載力、變形情況和抗震性能等力學表現(xiàn)至關(guān)重要。

1.1鋼材的高溫力學性能

1.1.1鋼材屈服強度

鋼材的屈服強度隨溫度升高而下降，溫度升到500℃左右時鋼材屈服強度下降到常溫時的一半。通常用屈服強度降低系數(shù)來表示屈服強度隨溫度的變化情況。屈服強度降低系數(shù)指的是高溫下鋼材的屈服強度與常溫下鋼材的屈服強度的比值。根據(jù)歐洲規(guī)范EC3與EC4、澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)標準AS4100、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECCS給出的計算公式，繪制鋼材的屈服強度降低系數(shù)曲線圖如圖1所示。

1.1.2鋼材彈性模量

鋼材的彈性模量隨溫度升高而下降，溫度超過500℃左右時，鋼材彈性模量急劇下降，大約在800℃時降為0。彈性模量降低系數(shù)指的是高溫下鋼材初始彈性模量與常溫下鋼材的彈性模量的比值。根據(jù)歐洲規(guī)范EC3與EC4、澳大利亞鋼結(jié)構(gòu)標準AS4100、歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會ECCS給出的計算公式，繪制鋼材的彈性模量降低系數(shù)曲線圖如圖2所示。

1.1.3鋼材應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致分為分段直線型和光滑曲線型兩類。其中，光滑曲線模型更加接近真實的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。本文根據(jù)LIE[6]提出的高溫下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變表達式，繪制不同溫度下鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

1.2混凝土的高溫力學性能

1.2.1混凝土抗壓強度

混凝土主要用來抵抗壓力，抗拉強度較小。在高溫下，混凝土的抗壓強度隨溫度升高而下降，溫度升到900℃以上時，混凝土幾乎喪失了抗壓能力。通常用混凝土抗壓強度降低系數(shù)來表示混凝土的抗壓強度隨溫度的變化情況?；炷量箟簭姸冉档拖禂?shù)指的是高溫下混凝土的抗壓強度與常溫下混凝土抗壓強度的比值。根據(jù)EC3與EC4，以及LIETT等人[6]、過鎮(zhèn)海等人[7]給出的計算公式，繪制混凝土的抗壓強度降低系數(shù)曲線圖如圖4所示。

1.2.2混凝土彈性模量

混凝土的彈性模量比抗壓強度受溫度影響更大，溫度在200～300℃之間時，彈性模量降低一半。根據(jù)過鎮(zhèn)海等人[7]、陸洲導[8]、鈕宏等人[9]、李引擎等人[10]給出的計算公式，繪制混凝土的彈性模量降低系數(shù)曲線圖如圖5所示。

1.2.3混凝土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著溫度升高呈現(xiàn)扁平化趨勢，高溫下混凝土的峰值應(yīng)力減小，應(yīng)變增大。本文根據(jù)LIE[6]提出的高溫下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變表達式，繪制不同溫度下混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。

2火災(zāi)下型鋼混凝土軸壓柱力學模型

利用大型有限元軟件ABAQUS建模，混凝土采用實體單元，型鋼采用殼單元，鋼筋采用桿單元。賦予材料熱工性能參數(shù)，考慮熱對流、熱幅射和熱傳導的作用，計算型鋼混凝土柱在ISO-834標準升溫曲線下的溫度場。然后，把溫度場導入型鋼混凝土軸壓柱的力學模型中，模擬火災(zāi)中型鋼混凝土軸壓柱的受力情況。火災(zāi)下，柱子外圍升溫較快，內(nèi)部升溫慢，內(nèi)力發(fā)生重分布。

3結(jié)論

基于本文的研究成果，可以得到以下結(jié)論：（1）火災(zāi)作用下鋼材和混凝土的力學性能均有不同程度的劣化?；馂?zāi)時間越長，溫度越高，材料的強度下降越明顯。（2）大型有限元軟件ABAQUS可用來模擬高溫下型鋼混凝土柱的受力過程?；馂?zāi)中型鋼混凝土柱內(nèi)力發(fā)生重分布，柱子承載力大幅下降。

參考文獻：

[1] 郭姝婷.哈爾濱“8·25”重大火災(zāi)事故調(diào)查報告公布[EB/OL].（2019-02-01）[2024-04-13].https：//m.huanqiu.com/article/9CaKrnKhENF.

[2] 張瑩.大連“門”形高樓大火系電動平衡車充電引發(fā)，大廈住戶已獲3個月房屋安置金[EB/OL].（2021-09-13）[2024-04-13].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1710757561095643841&wfr=spider&for=pc.

[3] 衛(wèi)璇.鋼管混凝土異形柱及其框架結(jié)構(gòu)耐火性能研究[D].重慶：重慶大學，2022.

[4] 鞏賢港.火災(zāi)下型鋼混凝土T形柱的耐火性能分析[D].濟南：山東建筑大學，2022.

[5] 章晴雯.火災(zāi)下鋼筋混凝土柱溫度場有限元模擬分析[J].科技與創(chuàng)新，2023（19）：80-82，85.

[6] LIETT.Factorsaffectingthefireresistanceofcircularhollowsteelcolumnsfilledwithbar-reinforcedconcrete[R].NRC-CNRCInternalReport，1993.

[7] 過鎮(zhèn)海，李衛(wèi).混凝土耐熱力學性能的試驗研究總結(jié)[R].北京：清華大學土木工程系，1991.

[8] 陸洲導.鋼筋混凝土梁對火災(zāi)反應(yīng)的研究[D].上海：同濟大學，1989.

[9] 鈕宏，馬云風，姚亞雄.輕骨料混凝土構(gòu)件抗火性能的研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，1996，7：29-33.

[10] 李引擎，馬道貞，徐堅.建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計計算和構(gòu)造處理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1991.