高温下钢管混凝土柱的大轴变形行为

《Fire Safety Journal》：Large axial deformation behavior of concrete-filled steel tubular column under high temperature

　　

摘要

本研究通过试验、分析和数值方法，探讨了钢管混凝土（CFST）柱在高温作用下的较大轴向变形承载力行为。在试验中，采用伺服作动器对钢管混凝土柱在较大轴向变形下的承载力进行了精确测量。试验结果表明，钢管混凝土柱在较大变形下的承载力随温度升高而显著降低。此外，本文还建立了分析和数值模型，以评估钢管混凝土柱在较大轴向变形和高温条件下的承载力。理论分析中考虑了钢管的热膨胀效应和约束效应。进一步开展了数值分析，研究了火灾作用下钢管混凝土柱在较大轴向变形下的承载力。参数分析表明，随着火灾暴露时间的增加、截面宽度的减小以及长细比的增大，承载力逐渐降低。最后，提出了一种基于等效温度的简化分析方法，用于快速评估火灾条件下较大轴向变形下的承载力，其相对误差在15%以内。研究结果强调了在火灾作用下钢管混凝土柱所在建筑结构的连续倒塌分析中考虑较大轴向变形下承载力行为的重要性。

引言

钢管混凝土（CFST）结构因其优异的力学性能、施工便利性和经济优势，已广泛应用于高层建筑和大跨度建筑中[1]、[2]。然而，在火灾作用下，由于高温的影响，钢材和混凝土的力学性能显著退化，可能导致钢管混凝土柱的破坏，严重时甚至引发整个结构的连续倒塌。现有的连续倒塌理论[3]、[4]、[5]通常采用"移除柱"法，该方法忽略了火灾条件下柱体在发生较大变形时的承载力。该方法被认为偏于保守，尤其是在火灾场景中，钢管混凝土柱可能仍保留有相当大的承载力。因此，定量研究火灾条件下钢管混凝土柱在较大变形下的承载力至关重要。

目前关于钢管混凝土柱火灾行为的研究主要集中在极限承载力和耐火极限方面。这两个参数都是在特定恒定外荷载作用下评估火灾条件下钢管混凝土柱性能的基本指标，为防火设计提供了有价值的指导。这些参数可通过试验[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、数值模拟[11]、[12]、[13]、[14]和解析方法[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]确定，大量研究已对这些方面建立了成熟的认识。然而，很少有研究涉及火灾导致较大变形下钢管混凝土柱的承载力问题。尽管现有试验已证明较大变形下存在承载力，但所测得的力通常由千斤顶获得。在力的退化阶段，千斤顶测得的力不准确，因为它受到液压系统中设定压力的影响，而非反映真实的承载力。因此，亟需开发新的方法来评估火灾条件下较大变形下钢管混凝土柱的承载力。此外，关于评估钢管混凝土柱在较大变形条件下承载力的理论计算方法，目前的研究仍有待进一步深入。

在实际建筑结构中，由于周围结构构件提供的轴向约束作用，施加于柱上的外荷载很少是恒定的[21]、[22]、[23]、[24]。当柱体在超过极限承载力后发生收缩时，这种约束作用尤为显著。在这种情况下，轴向约束会重新分配外荷载，从而降低柱体直接承受的荷载。尽管在较大轴向变形下承载力有所降低，但如果柱体的残余承载力足够大，柱体仍可能达到新的平衡状态[25]。已有研究表明，评估钢管混凝土柱在此类条件下的承载力具有重要意义。例如，Qi等人[26]研究了较大轴向变形下钢管混凝土柱的承载行为，发现当轴向变形达到柱高的1/25时，柱体仍保留了57%的承载力。这一发现强调了考虑钢管混凝土柱在较大轴向变形下承载力的必要性。这种行为被称为撑杆效应。

与冲击或爆炸场景相比，钢管混凝土柱在火灾场景下更容易表现出撑杆效应。首先，由于混凝土温度的逐渐升高，火灾中柱体的变形相对缓慢，这使得结构内部力有足够的时间内重新达到平衡，从而有效地表现撑杆效应。其次，混凝土的低导热性导致截面存在显著的温度梯度，核心混凝土的温度远低于外层温度[27]。这种温差保留了核心混凝土的强度，使其能够承受相当一部分荷载。上述因素共同表明，在结构倒塌分析中，不能忽视钢管混凝土柱在火灾条件下较大轴向变形下的行为。尽管该问题具有重要意义，但相关研究仍然有限。

本研究开展了一系列试验，研究了钢管混凝土柱在较大轴向变形和高温条件下的承载力。同时，建立了一种分析方法，以量化这些条件下的承载力。此外，还进行了经试验验证的数值模拟，研究了钢管混凝土柱在较大轴向变形下的火灾行为，重点关注了截面温度分布的不均匀性。基于上述结果，提出了一种简化分析方法，用于预测考虑这些复杂条件下钢管混凝土柱的火灾行为。这些结果为深入理解钢管混凝土柱在较大轴向变形下的火灾行为提供了依据，为钢管混凝土结构的实际工程设计和消防安全评估提供了有价值的参考。

章节摘要

试验方案

为研究高温条件下钢管混凝土柱在较大轴向变形下的承载力，开展了一系列稳态高温试验。试件柱两端采用铰接支座支撑。首先，将柱体整个截面均匀加热至目标温度，在此阶段允许其自由热膨胀。两根尺寸相同的钢管混凝土柱的目标温度分别设定为400°C和600°C。

分析方法

为定量分析高温条件下钢管混凝土柱在较大轴向变形下的承载力，提出了一种分析方法。采用一个长度为H、截面宽度为B的方形钢管混凝土柱作为理论模型。钢管壁厚为t_s。温度T下混凝土的抗压强度记为f_c,T。类似地，温度T下钢管的屈服强度和极限强度分别表示为f_sy,T和f

数值分析

在火灾条件下，由于混凝土的低导热性，钢管混凝土柱的截面温度分布是不均匀的。在这种条件下通过试验评估承载力较为困难，因为加载过程需要时间，而温度场在不断演化。此外，针对非均匀温度场的解析方法本质上较为复杂。在此背景下，数值分析成为一种重要的补充手段。本

火灾行为简化分析方法

尽管数值分析能够确定较大轴向变形下钢管混凝土柱的火灾行为，但该方法耗时较长（尤其是对于尺寸较大的柱体），且容易出现收敛问题，难以获得准确结果。第3节提出的分析方法更为可行，但在考虑截面温度分布不均匀性方面仍存在挑战。因此，本章引入了一种简化方法，用于评估

结论

本文对钢管混凝土柱在火灾高温作用下较大轴向变形下的行为进行了试验研究。在试验过程中，采用伺服作动器精确测试了较大轴向变形下的承载力。此外，还开发了分析和数值方法，以评估高温条件下较大轴向变形下的承载力，特别是针对标准火灾条件作用的钢管混凝土柱。

作者贡献声明

朱少军：指导、基金获取。娄国标：指导、构思。李国强：写作–审阅与编辑、指导、构思。齐红辉：写作–初稿、软件、方法论、调查研究

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划提供的资金支持，项目编号：2022YFC3801900。

齐红辉|李国强|娄国标|朱少军

美国马里兰大学帕克分校消防工程系，马里兰州科利奇帕克，邮编20742，美国