某钢管混凝土柱结构受火仿真研究

张承业

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安　710065)



某钢管混凝土柱结构受火仿真研究

张承业

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065)

摘要：为复核某水电站主厂房新型钢-混凝土组合结构受火性能，通过ADINA仿真分析软件计算对该结构进行了分析研究，结果以实际指标表明随温度升高逐渐恶化，结构承载力逐渐下降，此研究为耐火设计提供了依据。关键词：ADINA；仿真分析；钢管混凝土组合柱;受火性能

近年来,钢-混凝土组合结构具有轻质、高强、施工便利等性能，在工业厂房领域得到越来越广泛的应用。钢-混凝土组合结构有裸露的受力钢构件，因而该结构和钢结构一样，耐火设计是重要环节。目前耐火设计主要依赖经验，缺乏量化的分析方法。本研究以大型有限元程序ADINA作为分析工具对某水电站厂房钢管混凝土排架结构的受火情况进行计算分析，研究了矩形钢管混凝土柱随外界温度发生变化时温度场和温度应力的变化规律和受火性能，为耐火设计提供了量化依据。

1计算案例简介

本水电站仿真计算选取厂房2号主机间作为计算单元,长度为19.4 m，跨度为24.1 m。

初拟钢管混凝土柱等间距布置，吊车梁简支于柱上，柱体外侧由钢板焊接而成，内填C40F200W4(一级配)混凝土, 排架柱上、下柱体截面尺寸分别为1.1 m×1.1 m、1.8 m×1.4 m，长边、短边钢板厚度分别为16 mm、22 mm。2号机组段厂房整体三维有限元网格见图1。

图1　2号机组段厂房整体三维有限元网格图

2结构分析

本研究采用ADINA中TMC热机耦合模块进行瞬态热分析，仿真计算中排架柱以及环境初始温度定为20 ℃，分析了随着外界温度变化，排架柱温度场、应力及位移的变化情况。

2.1排架柱温度场分析

图2　典型截面图

排架柱受火3 h后，取单柱分析，选取3个截面,典型截面位置见图2：下柱柱底面向上30 cm处的横截面(截面1)，上柱柱底面向下30 cm处的横截面(截面2)，上柱柱底向上30 cm处的横截面(截面3)。

选取截面3中关键点如图3，1点位于外包钢管处，2点位于距1点100 mm处，3点位于距1点200 mm处，相应关键点温升曲线如图4，截面1、截面2、截面3的温度场如图5。

图3截面3关键点示意图

结果表明整个受火过程中，钢管温升幅度较大，初期0.5 h左右的受火过程中钢管温升迅速，此后较为平缓。受火3 h后，钢管表面温度达到最高温度1 100 ℃，接近钢的熔点，钢板开始融化。混凝土由于导热系数小、比热大，温升曲线明显落后于外包钢管，越是靠近内部的混凝土，温升幅度越小。靠近钢管的混凝土温升幅度较远离钢管的混凝土温升幅度为大，混凝土由表及里200 mm范围内，温度变化剧烈，梯度较大[1-2]。

图4　截面3不同关键点温升曲线图

由图5(a)、(b)中可以看出，由于排架柱四周定义了相同的受火边界条件，受火边界对称，因此截面1、截面3温度分布呈单轴对称，温度最低区域位于截面中心，靠近外包钢管区域混凝土温度较高，内外温差较大。混凝土的低导热性能是导致截面内外较大温差的主要原因，截面尺寸也会影响混凝土温升，截面尺寸越大，混凝土吸热越多，温升越小。截面2位于上柱柱底附近，截面较大，除四周受火外，还直接受到下柱柱顶受火面传来的热量，因此呈现如图5(c)所示温度分布特征，但温度变化规律基本一致，混凝土由表及里，温升逐渐下降，且下降较快，温差较大[3-4]。

2.2排架柱应力分析

仿真计算模拟了受火0.3、0.5、1、1.5、3 h后排架柱关键点的应力，应力关键点位置如图6。由于排架柱由钢管和混凝土2种材料组成，因此，应力分析将分别介绍钢管和混凝土的应力规律。

计算结果显示：

(1) 外围混凝土X向应力基本为压应力，受火1.5 h左右下柱底面长边中点出现最大压应力，最大压应力5.23 MPa左右，下柱底面压应力较上柱底面为大，混凝土压应力随受火时间初期逐渐增大后期有所减小，后期主要是材料在高温下性质恶化所致。内部混凝土X向应力为拉应力，受火1.5 h左右上柱底面中心处出现最大拉应力，最大拉应力0.93 MPa左右。外包钢管上柱底面X向应力以拉应力为主，受火0.5 h左右上柱底面角点出现最大拉应力，最大拉应力42.13 MPa左右，下柱底面X向应力以压应力为主，受火0.5 h左右下柱底面长边中点出现最大压应力，最大压应力56.45 MPa左右。

(2) 外围混凝土Y向应力基本为压应力，受火1.5 h左右下柱底面短边中点出现最大压应力，最大压应力为5.33 MPa左右，混凝土压应力随受火时间初期逐渐增大后期有所减小。内部混凝土Y向应力为拉应力，受火3 h左右上柱底面中心处出现最大拉应力，最大拉应力为0.51 MPa左右。外包钢管Y向应力上柱底面以受拉为主、下柱底面以受压为主，受火3 h左右上柱底面角点出现最大拉应力，最大拉应力为39.85 MPa左右，受火3 h左右下柱底面短边中点出现最大压应力，最大压应力为39.22 MPa 左右。

(3) 外围混凝土Z向应力基本为压应力，受火1 h左右下柱底面长边中点出现最大压应力，最大压应力为4.97 MPa左右，混凝土压应力随受火时间初期逐渐增大后期有所减小。内部混凝土Z向应力为拉应力，受火3 h左右上柱底面中心处出现最大拉应力，最大拉应力为2.09 MPa左右。受火0.5 h左右下柱底面角点出现外包钢管Z向最大压应力，最大压应力为43.28 MPa左右。

图5　典型截面温度场图　　单位：℃

图6　　　　排架柱应力关键　　　点位置图

计算结果表明，火灾作用下，外围混凝土承受压应力，但未达到混凝土抗压极限强度，内部混凝土承受拉应力，受火1.5 h左右超过混凝土抗拉极限强度。外包钢管下柱底面主要承受压应力，上柱底面主要承受拉应力，尽管钢管应力不大，但是由于温度较高，接近钢的熔点，材料性质恶化，钢管将发生软化，逐渐失去承载能力，此时排架柱将主要由内部的混凝土柱来承载[5]。

2.3排架柱位移分析

仿真计算了受火0.3、0.5、1、1.5、3 h后排架柱关键点的位移，关键点位置如图7。

图7　受火3 h后排架柱X、Y、Z位移Ux图

计算结果表明，火灾作用下，排架柱受火灾作用和偏心荷载作用X向位移较大，受火1.5 h左右上柱柱顶X向产生最大位移131.48 mm ，Z向受火膨胀产生位移相对较小，受火3 h左右上柱柱顶产生Z向最大位移29.88 mm ，Y向受火3 h左右上柱柱顶出现最大位移23.85 mm。另外，比较1号柱、2号柱与3号柱相应点的位移可以看出，连系梁和斜支撑对排架柱X及Y向变形有一定的限制作用[6-7]。

3结语

受火性能研究表明，初期0.5 h左右的受火过程中钢管温升迅速，受火3 h后，钢管温度达到1 100 ℃左右，接近钢的熔点。管内混凝土由表及里200 mm范围内，温度变化剧烈，梯度较大。内部混凝土承受拉应力，受火1.5 h左右超过混凝土抗拉极限强度。外包钢管受火0.5 h左右应力达到最大值。由于温度较高，钢管将发生软化，逐渐失去承载能力。鉴于火灾作用下钢管和混凝土材料性能随温度升高逐渐恶化，承载力逐渐下降。建议在钢管混凝土排架柱设计中考虑采取适当地防火设计，在外表面涂防火涂料。具体设计中采用了该建议，实效良好。

参考文献:

[1]徐政.洪家渡水电站厂房矩形薄壁钢管混凝土组合柱试验研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2005.

[2]李晓东，靳乐，孙慧，陈锦波.钢管混凝土柱抗火性能的试验研究[J].实验力学，2013(03)：103-107.

[3]覃丽钠，李明卫.矩形钢管混凝土柱在水电站厂房中的应用[J].贵州水力发电,2011,25(06):12-16.[4]孙粤琳,张燎军,冉懋鸽.洪家渡水电站厂房矩形钢混柱接触分析研究[J].三峡大学学报(自然科学版)，2004(06)：497-500.[5]李晓东,唐伟,靳乐,高立堂.火灾下圆钢管混凝土柱轴心受压承载力的简化计算研究[J].建筑科学，2015(05)：68-71.

[6]孙粤琳，张燎军，冉懋鸽.矩形钢管混凝土柱温度场及温度应力的有限元分析[J].水利水电科技进展，2005(05)：37-40.

[7]周烨.钢管混凝土柱在水电站厂房结构中的应用[D].长沙：长沙理工大学，2013.

Simulation Study on Fire Resistance of A Steel Pipe Concrete Column

ZHANG Chengye

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065,China)

Abstract:To recheck the fire resistance performance of newly-applied steel-concrete composite structure of powerhouse of a hydropower station, the structure is analyzed and studied by application of ADINA simulation analysis software. The study shows that it degrades with temperature rising, the bearing capacity of the structure decreases gradually. This study provides design of fire resistance with basis.Key words:ADINA; simulation analysis; steel pipe-concrete composite column; fire-resistant performance

文章编号：1006—2610(2016)03—0034—03

收稿日期：2015-12-11

作者简介：张承业(1982- )，男，安徽省安庆市人，工程师，主要从事水电站水工设计工作.

中图分类号：TU398.9

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.009