约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析

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发布时间：2021-09-05

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约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析
吴波，乔长江
(华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广州510640)
摘要：利用SAFIR程序，开展了约束混凝土柱的升降温全过程轴力分析。考察了轴向／44-动约束
刚度比、截面边长、荷载比、荷载偏心率、配筋率、升温时间等参数对IsO834标准升降温过程作用下
约束混凝土柱的轴力的影响规律，并与单调升温时的相应规律进行了比较。通过对2880种工况的
计算分析，建议给出了该类构件轴力变化系数的实用计算方法。研究结果表明：对于轴向／转动约
束混凝土柱，无论单调升温还是先升温后降温，轴力变化系数总体都呈现出先逐渐增大而后有所减
小或基本保持稳定，最后以较大速率持续降低的趋势，主要区别在于后期单调升温对应的降低速率
一般比先升温后降温时更大；对于先升温后降温的轴向／转动约束混凝土柱，转动约束刚度比、柱长
和混凝土保护层厚度对轴力变化系数影响较小，而轴向约束刚度比、荷载偏心率和配筋率越大或荷
载比和截面边长越小，轴力变化系数的峰值就越大。
关键词：钢筋混凝土；约束柱；轴力；升温段；降温段
中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：1674—4764(2010)02—0053-07
Axial Force in Restrained RC Columns during Heating
and Cooling Phases
WU Bo，QIAO Ohang-jian
(State Key Laboratory of Subtropical Building Science，South China Unioersity of Technology，Guangzhou 510640)
Abstract：Using the computer program of SAFIR，the influences of some parameters(i．e．，axial／rotationa1
restraint ratio，sectional dimension，load ratio， load eccentricity ratio，reinforcement ratio， and heating
time，ete．)were analyzed on axial forces in restrained concrete colum ns exposed to IS0834 standard fire
with cooling phase， compared with those in the standard fire without cooling phase． Based on the
sim ulation results of 2880 cases，a practica1 calculation method for axial force in colum n was proposed． It
was shown that：(a)for axially—and—rotationally restrained columns in fire with or without cooling phase，
the enhancem ent coefficient of axial force increased gradually first， and then reduced gently or kept
constant， and finally decreased quickly． However， in the late stage， the enhancem ent coefficient
corresponding to fire without cooling phase dropped more significant than that with cooling phase；and(b)
the influences of the rotational restraint ratio。colum n length and thickness of concrete cover on the
enhancement coefficient of axiaI force in axially—and—rotationally restrained columns were limited sub ected
to fire with cooling phase，while the peak value of the enhancem ent coefficient increased with the inerease
of the axial restraint ratio，load eccentricity ratio and reinforcement ratio or with the decrease of the load
ratio and sectional dimension．
Key words：reinforced concrete；restrained column；axial force；heating phase；cooling phase
收稿日期：2009—12—12
基金项目：国家自然科学基金重点项目(50738005)；国家科技支撑计划子课题(2006BAJ03A03—12)；亚热带建筑科学国
家重点实验室重点研究项目(2008ZA10)
作者简介：吴波(1968一)，男，博士，研究员，主要从事结构抗灾研究，(E-mail)bowu@scut．edu．cn。
乔长江(联系人)，男，博士，主要从事结构抗火研究，(E～mail)qiaocivi!@gmail．com。
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54 土木建筑与环境工程第32卷
以往人们评估结构的抗火性能大多都只是针对
单独构件进行，忽略了结构的连续性以及相邻构件
之间的相互约束作用。实际火灾调查与明火试验表
明，结构中构件的火灾行为与单独构件相比存在较
明显的差别。为此，不少研究人员通过从原结构中
取出一个子结构或者对构件端部施加约束的方法近
似考虑火灾中相邻构件之间的相互约束效应。例
如，Ali和O’Connor对1O根高1．8 1TI的钢柱进行
了耐火试验 ]，结果表明转动约束增加对附加轴力
影响相对较小，而荷载比对附加轴力影响较大。
Valente和Neves考察了轴向和转动约束对钢柱临
界温度的影响¨2]，分析表明轴向约束降低了钢柱的
临界温度，转动约束却提高了钢柱的I临界温度。
Huang等进行了4根具有不同轴向约束刚度比的型
钢混凝土柱的耐火试验_3]，发现轴向约束的存在显
著降低了试件的耐火性能。All等开展了93根缩尺
高强／普通混凝土约束柱的耐火试验，考察了轴向约
束刚度比、荷载比和升温速率对柱耐火性能的影
响l4]，并基于有限差分法提出了高温下约束混凝土
柱的轴向力计算方法 ]，但该方法没有涉及降温阶
段，同时忽略了钢筋的作用。
值得指出的是，目前有关约束构件的研究大多
只是针对升温阶段开展的，而实际火灾却只在有限
时问内升温，随后就会由于可燃物消耗殆尽而降温。
随着研究的深入，积极探索升降温全过程约束构件
的火灾行为与耐火性能无疑更为合理。
Bailey等和E1～Rimawi等对钢材降温阶段的
应变恢复进行了理论研究f6。]，考察了简支钢梁和端
部固定钢梁在降温阶段的力学响应。李国强和郭士
雄对约束钢梁的降温段行为进行了理论研究和参数
分析[8 ]，并进行了2根约束钢梁的火灾升降温试
验口。Ellingwood和Lin对混凝土外伸梁进行了
升降温全过程的耐火试验_1 ，Cai等和Bratina等则
分别采用广义梁柱单元和基于应变的平面梁单元对
文献[11]所提试验进行了数值分析口。。Iu等考
察了Cardington八层组合钢框架升降温全过程的
结构性能[1 。Bailey等和Liew等考察了各跨同时
升降温和火灾水平蔓延(注：蔓延时结构不同部位可
能分别出现升温和降温)对平面多层多跨钢框架的
影响引。吴波等针对具有轴向约束的l2根钢筋
混凝土异形柱、4根普通混凝土方形柱、4根高强混
凝土方形柱，进行了升降温全过程明火试验 ]，研
究表明具有不同轴压比和不同轴向约束刚度比的同
类试件，在降温阶段虽然变形和轴力存在差别，但却
呈现出相似的变化趋势。Garlock和Quiel考察了
火灾竖向蔓延对高层钢框架外围柱的影响。
从上述分析可以看出，虽然国内外学者对结构
升降温全过程的火灾行为已开展了少量研究，但主
要针对钢框架、组合钢框架和约束钢构件，有关混凝
土框架和约束混凝土构件的全过程抗火研究很少。
有鉴于此，该文以约束混凝土方形柱作为研究对象，
着重探讨该类构件升降温全过程的轴力变化情况以
及主要参数的影响规律，建议给出轴力变化系数的
实用计算方法。
l 程序验证
该文采用比利时Liege大学开发的抗火分析软
件SAFIR进行数值计算。考虑文献El'z]的轴向约束
混凝土柱RCN21和RCN22，明火试验时柱四面受
火，并对其施加定常轴向约束。升温过程中炉内温
度遵循ISO834标准升温曲线，升温过程持续约110
min，随后自然降温。图1所示为两试件附加轴力计
算结果与实测结果的比较。从图1可以看出，计算
曲线与实测曲线总体吻合较好