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T形截面型钢混凝土异形柱的包裹层耐火性能研究

范文

罗绵辉孟坤

摘要：装配式钢结构已成为我国建筑发展的形式之一，但防腐、耐火和造价仍是制约其发展的主要因素。外包混凝土T形截面异形柱是一种新型柱，它可以隐藏在墙体内，具有较好的力学性能、耐火性能和耐腐蚀性能。在火灾情况下，外包裹材料、外包裹形式和厚度是影响异形柱耐火性能的主要因素。为了清楚地分析柱的耐火性能，必须获得包裹材料和钢材内部的温度场。利用cfd软件ABAQUS 6.14对普通混凝土、再生混凝土和陶粒混凝土等3种包装材料的立柱进行了数值模拟，在标准火灾ISO-834温度-时间曲线下，研究不同包裹材料异形柱内部的温度分布和上升曲线，得到温度随着火时间的变化曲线和分布规律。研究结果为T形截面SRC异形柱外包防火层的优化设计提供了有价值的参考，也为异形柱的力学性能研究提供了温度条件。

Abstract： Prefabricated steel structure has become one of the forms of construction development in China， but anti-corrosion， fire resistance and cost are still the main factors restricting its development. Encased concrete T-shaped section special-shaped column is a new type of column， which can be hidden in the wall and has good mechanical properties， fire resistance and corrosion resistance. In case of fire， the outer packaging material， outer packaging form and thickness are the main factors affecting the fire resistance of the special-shaped column. In order to clearly analyze the fire resistance of the column， the temperature field inside the wrapping material and steel must be obtained. The cfd software ABAQUS 6.14 was used to numerically simulate the columns of three kinds of packaging materials such as ordinary concrete， recycled concrete and ceramsite concrete. Under the standard fire ISO-834 temperature-time curve， the temperature distribution and rise curve inside the special-shaped column of different wrapping materials was studied， and the temperature change curve and distribution law with the fire time were obtained. The research results provide a valuable reference for the optimal design of the T-section SRC special-shaped column outer fireproof layer， and also provide temperature conditions for the study of the mechanical properties of the special-shaped column.

关键词：型钢混凝土;异形柱;耐火;包裹材料

Key words： Steel Reinforced Concrete;special-shaped columns;fire resistance;wrapping materials

中图分类号：TU398? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文献标识码：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章编号：1006-4311（2020）22-0131-04

0? 引言

型钢混凝土异形柱是型钢混凝土（Steel Reinforced Concrete，简称SRC）和异形柱的结合体[1]，与普通矩形柱比较，它没有凸出柱楞，占用室内面积小，具备良好的应用前景。但发生火灾时受火表面积较大，在相同荷载作用下比其他混凝土柱更容易被破坏[2]。异形柱外包裹材料类型、外包裹形式和厚度是影响异形柱耐火性能的主要因素。近年来，以普通混凝土作为外包裹材料的异形柱耐火性能有较多研究，毛小勇等[3]建立T形截面SRC异形柱抗火分析有限元模型，应用标准升温下的试验数据对模型的温度场和耐火极限进行了验证。杨志新[4]设计了8根T形SRC异形柱，分别进行了抗火性能试验、数值模拟、截面特性分析研究和截面損伤评估。

再生混凝土是利用废弃混凝土块经破碎、清洗、分级后，部分或全部代替砂石等天然集料，再加入水泥、水等配制而成。再生混凝土较普通混凝土强度稍低，是一种新型环保建筑材料，再生混凝土作为包裹层，降低成本的同时可以实现建筑垃圾的资源化，节约能源。目前，关于再生混凝土柱耐火性能的研究处于起步阶段，董宏英，王攀峰[5]等设计了2个再生混凝土强度等级分别为C20和C30的全再生钢筋混凝土筒体模型，研究得出随再生混凝土强度的提高，筒体的耐火性能逐渐降低，耐火极限下降。张玉琢，吕学涛等[7]通过建立单面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱有限元模型，结合试验验证分析了截面温度场和应力场的变化规律[7]。为推广再生混凝土的广泛应用，研究其耐火性能具有重要的工程意义。

陶粒混凝土是指以陶粒代替石子作为骨料，与适量河砂、水泥等凝胶材料及水配制而成的混凝土。陶粒混凝土具备轻质、耐火性好、抗震性能强等众多优点[8]，目前國内对于陶粒混凝土的研究主要集中在生产工艺、物理特能等方面，而对其耐火性能却少有研究。周明，王新堂，王万祯[9]等通过对4组10根钢管陶粒混凝土短柱受火后性能的对比试验研究，发现以轻质材料陶粒为粗骨料制成的钢管混凝土短柱受火后仍然具有较高的承载力和良好的延性。

本文利用有限元软件ABAQUS 6.14建立了T形截面SRC异形柱四面受火有限元模型，分别以普通混凝土、再生混凝土、陶粒混凝土作为包裹材料，在标准火灾ISO-834温度-时间曲线下，研究了3种包裹材料异形柱内部的温度分布和上升曲线，得到异形柱内部温度随着火时间的变化曲线和分布规律。研究结果为T形截面SRC异形柱外包防火层的优化设计提供了有价值的参考，也为异形柱的力学性能研究提供了温度条件。

1? 异形柱温度场计算基本原理

火灾发生时，T形截面SRC异形柱四周被高温空气包围，异形柱外表面与高温空气进行对流换热与辐射换热，异形柱外表面温度升高后通过热传导将热量由外表面传至异形柱内部，使混凝土与钢材温度升高。高温空气与异形柱外表面传热过程方程如下：

式中：λ为异形柱内部材料导热系数W/m·℃;α为对流传热系数W/（m2·℃）;ε为综合辐射系数;σ为Stefan-Boltzmann常数;T为高温空气温度℃;Tw为异形柱外表面温度℃。

热量在异形柱内部传递过程的微分方程如下：

式中：k为异形柱内部材料导热系数W/m·℃;ρ为异形柱内部材料密度kg/m3;c为异形柱内部材料比热容kJ/kg·℃。

2? 异形柱模型介绍

2.1 T形截面SRC异形柱模型

模型为实腹式T形截面SRC异形柱，其截面结构如图1所示。T形截面SRC异形柱四面受火，分别以普通混凝土、再生混凝土与陶粒混凝土作为包裹材料，在标准火灾ISO-834升温条件下，研究火灾发生2小时内异形柱截面温度分布及各测温点温度随时间变化的规律。研究只针对异形柱温度场而不涉及异形柱受力分析，假设混凝土为各向同性材料，内部没有热源，且忽略异形柱受火开裂等问题。

标准火灾ISO-834升温曲线方程如下：

式中：T为火灾发生至t时刻的环境温度℃;t0为初始时刻的环境温度℃;t为火灾持续的时间min。

T形截面SRC异形柱截面上设置4个测温点，如图2所示。

2.2 有限元模型

T形截面SRC异形柱的包裹混凝土采用三维八结点线性传热六面体单元（DC3D8），型钢采用四结点传热四边形壳单元（DS4）。假设异形柱四面受火均匀且沿高度方向受热条件相同，因此对柱内部温度场的研究可简化为对异形柱截面的温度场研究。T形截面SRC异形柱有限元模型网格划分如图3所示。

假设火灾发生前环境初始温度1℃，异形柱内部温度分布均匀，初始温度为20℃。对流传热系数α=1500，综合辐射系数ε=0.5，Stefan-Boltzmann常数σ=5.6697×10-8，分析步时间长度7200，绝对零度-273.15。

3? 包裹材料热工参数

3.1 普通混凝土的热工参数

在高温条件下，普通混凝土的热传导率随温度升高先保持不变随后减小，比热容随温度升高而增大，单齐云[6]给出了普通混凝土的热传导率、密度与比热容等参数的取值方法，具体如下：

3.1.1 热传导率

普通混凝土热传导率λ与温度t的关系式为：

3.1.2 密度与比热容

普通混凝土密度 ρ=2300kg/m3，比热容为：

3.2 再生混凝土的热工参数

本文采用再生粗骨料及细骨料取代率均为100%的再生混凝土作为异形柱包裹材料，董宏英[5]给出了再生混凝土热传导率、比热容随温度变化的规律。

3.2.1 热传导率

再生粗骨料取代率为100%时，热传导率随温度升高而减小。

3.2.2 密度与比热容

密度取值2200kg/m3，比热容随温度升高而增大。

3.3 陶粒混凝土的热工参数

参考JGJ 51-90《轻集料混凝土技术规程》轻集料混凝土热物理系数表，对陶粒混凝土的热工参数取值如下，密度为1700kg/m3，热传导率为0.87W/（m·K），比热容为920 J/（kg·K）。

4? 模型结果分析

对以普通混凝土、再生混凝土、陶粒混凝土作为包裹材料的3根T形截面SRC异形柱，在标准火灾ISO-834升温条件下利用ABAQUS 6.14软件建模并进行计算，在火灾中受火2小时后3根异形柱截面温度分布如图4所示。

由图4可知，在四面受火2小时后，3根异形柱截面均表现出靠近外表面处温度较高，接近于周围高温空气温度，截面各处由外至内温度逐渐降低，3种包裹材料异形柱截面上温度分布规律基本相同，但具体温度值有差异。

3种根异形柱截面上4个测温点温度随火灾发生时间增加而升高，火灾发生2小时内测温点温度随时间变化曲线如图5所示。

由图5可看出，越靠近异形柱外表面的测温点（测温点1、2）温度越高，相反越靠近异形柱中心的测温点（测温点3、4）温度越低，每一测温点受火时间越长，则测温点温度越高，异形柱外层温升速率较大，而内层较小。

4个测温点在3种包裹材料中的温度-时间曲线如图6所示。

由图6可知，在受火前70分鐘，测温点1、2以普通混凝土和陶粒混凝土作包裹材料的温度-时间曲线几乎重叠，说明火灾初期这两种包裹材料对异形柱内部的耐火隔热保护性能相近，随受热时间延长，陶粒混凝土耐火隔热性能明显较普通混凝土差。观察受火2小时4个测温点温度曲线可看出以陶粒混凝土作为包裹材料时测温点温度最高，其次是普通混凝土，而以再生混凝土作为包裹材料时测温点温度最低，由此可得出发生火灾时，受火条件相同时再生混凝土包裹层耐火隔热性能最优，普通混凝土中等，而陶粒混凝土最差。

5? 总结

①T形截面SRC异形柱截面温度随受火时间增加而升高，靠近异形柱外表面处温升速率大且温度接近于周围高温空气温度，而接近异形柱中心处温升速率小，异形柱截面温度由外至内逐渐降低。②T形截面SRC异形柱的3种包裹材料在标准火灾ISO-834升温曲线下，受火条件相同时耐火隔热性能最优为再生混凝土，其次是普通混凝土，最差为陶粒混凝土。③本文研究以普通混凝土、再生混凝土、陶粒混凝土作为包裹材料的T形截面SRC异形柱内部温度分布及温升规律，研究结果为T形截面SRC异形柱外包防火层的优化设计提供有价值的参考，也为异形柱的力学性能研究提供了温度条件。

参考文献：

[1]吴耀鹏，张旭，李晓蕾.典型受火方式下型钢混凝土异形柱耐火极限研究[J].钢结构，2017（11）：117-122.

[2]祝德彪.型钢混凝土十字形柱耐火极限的试验研究[D].山东建筑大学，2016.

[3]周璇，毛小勇.T形截面型钢混凝土异形柱耐火极限研究[J].苏州科技学院学报（工程技术版），2013，26（1）：42-45.

[4]杨志新.T形型钢混凝土异形柱抗火性能的试验研究[D].青岛理工大学，2012.

[5]董宏英，王攀峰，曹万林，张建伟.再生混凝土强度对筒体耐火性能的影响[J].北京工业大学学报，2013，39（6）：869-874.

[6]单齐云.L形型钢混凝土异形柱抗火性能的试验研究[D].青岛理工大学，2011.

[7]张玉琢，吕学涛，刘发起，刘雨杰.单面受火的方钢管约束钢筋再生混凝土柱耐火极限[J].建筑结构学报，2018（S1）：175-182.

[8]毕建静，高震.陶粒混凝土研究[J].四川水泥，2019（1）：9.

[9]周明，王新堂，王万祯.钢管陶粒混凝土短柱火灾后承载力及力学性能的试验研究[J].工业建筑，2013，43（1）：99-103，111.

作者简介：罗绵辉（1983-），男，广东汕尾人，工程师，硕士研究生，研究方向为传热与节能、制冷与空调;孟坤（1996-），男，安徽宿州人，在读研究生，研究方向为装配式钢结构。

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