组合结构全寿命周期性能：火灾后内配型钢钢管混凝土柱中型钢-混凝土界面性能研究

文摘科学 2024-10-13 22:48 甘肃

引用格式：

Wang WD, Ma W, Ji SH, Shi YL. Investigation on post-fire bond behavior between section steel and concrete in SRCFST columns. Structures, 2024, 69: 107384.

Highlights:

1. The pushout tests on 22 post-fire SRCFST specimens were designed and conducted.

2. The bond behavior of section steel-concrete interface of SRCFST specimens was investigated.

3. A simplified bond strength-slip model of the section steel-concrete interface was proposed.

4. The FEA model on the bond behavior of post-fire SRCFST members was developed.

论文信息：

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.istruc.2024.107384

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DOI: 10.1016/j.istruc.2024.107384

一、研究背景

内配型钢钢管混凝土(Steel-reinforced concrete-filled steel tube，SRCFST)是在钢管混凝土(CFST)中配置型钢而形成的新型组合构件，其延性和耐火性能较CFST构件显著提升。在组合构件中，钢-混凝土的粘结性能影响着各部件间的协同作用，其是组合构件发挥优异力学性能的基础。火灾是最普遍、最严重的自然灾害之一，火灾损伤会导致钢-混凝土界面性能发生变化，进而影响组合构件的受力性能，研究组合构件中钢-混凝土之间的粘结性能十分必要，但目前关于火灾后SRCFST构件中型钢-混凝土界面性能的研究尚无报道。为此，本文完成了22个火灾后SRCFST试件的静力推出试验，并建立了型钢-混凝土界面全过程的简化粘结强度-滑移关系模型。

二、试验结果

共设计了22个SRCFST试件进行推出试验，包括4个常温试件及18个火灾后试件。试验参数包括：受火时间(t0：0min、30min、60min及90min)；型钢尺寸(h：80mm和160mm)；界面长度(L：300mm、450mm和600mm)，以及加载方式(单调加载和分级加载)。试验测量内容包括试件的破坏形态、温度-时间曲线、以及全程荷载-滑移(P-S)曲线。试件截面示意如图1，试验分两个阶段，包括火灾试验和静态推出试验，火灾和推出试验装置分别如图2和图3所示。

图1 试件的截面示意及几何尺寸

图2 火灾试验装置

图3 推出试验装置

火灾试验结果表明：火灾作用后钢管表面形成红棕色氧化物，随着受火时间的增加，钢管表面的氧化层发生脱落(如图4)。火灾后试件的混凝土表面出现不同程度的裂缝，裂缝基本沿着靠近钢管的外围区域呈环向分布，其随着受火时间的增加逐渐增多。此外，内部混凝土存在明显的升温滞后，受火30min、60min和90min后，核心混凝土(测点3)经历的最高温度分别约达到253°C、423°C和589°C，钢管表面(测点4)经历的最高温度分别约达到598°C、773°C和959°C(如图5)。

图4 火灾后钢管与混凝土表面的破坏

图5 试件的温度-时间曲线

推出试验结果表明：SRCFST-1类试件在推出过程中混凝土裂缝较SRCFST-2类试件更多，裂缝主要出现在型钢翼缘端部，随着受火时间的增加，推出试验造成的混凝土裂缝数量减少，在试件的自由端，型钢表面有明显的混凝土划痕(如图6和7)。不同于型钢混凝土柱推出试验中混凝土的破坏，得益于外钢管良好的约束作用，所有SRCFST试件的混凝土在推出试验后仅产生细微的裂缝。型钢-混凝土界面处的混凝土表面产生明显划痕，随着受火时间的增加，混凝土划痕逐渐减少，表面裂缝逐渐增多(如图8)。

图6 加载端混凝土的破坏

图7 试件的自由端破坏对比

图8 界面处型钢与混凝土的破坏

从自由端的荷载-滑移(P-S)全过程曲线可见(如图9)，对比试件的试验曲线吻合较好，常温下与高温后试件的荷载-滑移曲线形态相似，曲线可分为三个阶段：初始阶段(OA)、粘结破坏阶段(AB)和残余阶段(BC)。分析不同影响参数可见(如图10)：随着受火时间的增加，试件的粘结强度呈现出先上升再降低的趋势；随着腹板高度的增加，试件的粘结强度逐渐降低；随着界面长度的增加，特征粘结强度逐渐增大；加载方式对型钢-混凝土界面粘结性能的影响不明显。

图9 试件自由端的荷载-位移曲线

图10 不同参数对粘结性能的影响

三、理论模型

通过典型的P-S曲线模型，以升温时间、界面长度以及型钢尺寸为主要参数，分析得到各因素对初始粘结强度、极限粘结强度以及各自对应的滑移值的相互关系，并建立了火灾后SRCFST构件中型钢-混凝土界面的粘结强度-滑移曲线模型，如图11。

图11 P-S and τ-S曲线模型

基于建立的理论模型，采用ABAQUS有限元软件中的非线性弹簧单元和热-力顺序耦合方法建立了火灾后SRCFST柱中型钢-混凝土界面性能分析的数值模型(如图12)，并基于该模型分析了火灾后SRCFST试件(SRCFST-1-60a)中型钢-混凝土界面的应力分布和变化规律(如图13和14)。

图12 有限元分析模型

图13 特征点对应时刻各部件应力分布

图14 特征点对应时刻应力沿长度方向的分布规律

四、结论

Conclusions

与常温下SRCFST构件相比，火灾后构件中型钢-混凝土界面仍表现出良好的粘结性能，试件的荷载-滑移曲线可分为初始阶段、粘结破坏阶段和残余阶段。

随着受火时间从30min增加到60min和90min，试件的平均极限粘结强度分别降低48.3%和69.5%；当型钢腹板高度与翼缘板宽度之比从1.0升至2.0时，极限粘结强度降低40%。

当界面长度从300mm增加到600mm时，初始和极限粘结强度分别增加136.7%和91.4%；加载方式对型钢-混凝土界面粘结强度的影响不明显。

提出了火灾后SRCFST构件中型钢-混凝土界面的全过程粘结强度-滑移模型，建立了火灾后构件中型钢-混凝土界面粘结行为的有限元分析模型，预测与试验结果吻合较好。

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作者简介

马伟：男，甘肃人，硕士。主要从事钢与混凝土组合结构静力性能研究。

2021.09-2024.06，兰州理工大学结构工程专业，硕士研究生（导师：王文达教授）

纪孙航：男，陕西人，博士研究生。主要从事钢管混凝土组合结构抗火及抗冲击研究。

2018.09-2020.08，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，硕士研究生（导师：史艳莉教授）

2020.09-，兰州理工大学土木工程学院结构工程专业，博士研究生（导师：王文达教授）

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组合结构全寿命周期性能

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Part.6

中空夹层钢管混凝土结构

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Part.7

纤维模型与子程序开发等

[1].Tao Zhong*, Katwal Utsab, Uy Brian, Wang Wen-Da. Simplified nonlinear simulation of rectangular concrete-filled steel tubular columns. ASCE Journal of Structural Engineering, 2021, 147(6): 04021061.

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[4].王文达*，魏国强．基于纤维模型的型钢混凝土组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2015，35(6):30-35.

[5].王文达*，王景玄，周小燕．基于纤维模型的钢管混凝土组合框架连续倒塌非线性动力分析．工程力学，2014，31(9): 142-151.

[6].王文达*，杨全全，李华伟．基于分层壳单元与纤维梁单元组合剪力墙滞回性能分析．振动与冲击，2014, 33(16):142-149.

[7].李华伟，王文达*．ABAQUS二次开发在钢管混凝土结构有限元分析中的应用．建筑结构学报，2013，34(s1):353-358.

Part.8

装配式钢筋混凝土结构

[1].Yuan YJ, An AH, Wang WD, Shi YL, He ZH. Experimental research on the seismic and repair performance of steel beam-column joint with replaceable bio-inspired hinge. Journal of Constructional Steel Research, 2024, 223: 109032.

[2].Yuan Yu-Jie, Wang Wen-Da*, Huang Hua. Deformation mechanism of steel artificial controllable plastic hinge in prefabricate frame. Journal of Constructional Steel Reserarch, 2023, 201: 107735.

Part.9

新型高性能结构材料

[1].Gao Fang-Fang, Tian Wei, Wang Wen-Da*. Residual impact resistance behavior of concrete containing carbon nanotubes after exposure to high temperatures. Construction and Building Materials, 2023, 366: 130183.

Part.10

新型吸能结构

[1].Zheng Long, Li Fu-Qi, Wang Wen-Da*, Shi Yan-Li*. Bionic corrugated sandwich cylindrical tubes subjected to transverse impact. Structures, 2024, 64: 106599.

[2].Zheng Long, Li Fu-Qi, Wang Wen-Da*. A honeycomb panel-based protective device for steel parking structure against transverse impact. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 211: 108203.

Part.11

风电工程结构

[1].Fan Jia-Hao, Wang Wen-Da, Shi Yan-Li, Zheng Long. Low-cycle fatigue behaviour of concrete-filled double skin steel tubular (CFDST) members for wind turbine towers. Thin-Walled Structures, 2024, 205: 112384.

[2].Shi Yan-Li, Ren Jia-Xing, Fan Jia-Hao, Wang Wen-Da, Wang Hai-Cui*. Bonding-slip behaviour of steel-concrete interfaces in CFDST members with PBL ribs. Engineering Structures, 2024, 314: 118384.

[3].Duan Li-Xin, Wang Wen-Da*, Zheng Long, Shi Yan-Li. Dynamic response analysis of monopile CFDST wind turbine tower system under wind-wave-seismic coupling action. Thin-Walled Structures, 2024, 202: 112089.

编辑：郑龙

审核：王文达

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王文达课题组

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兰州理工大学土木工程学院王文达课题组

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王文达课题组

兰州理工大学土木工程学院王文达教授课题组公众号，主要进行钢与混凝土组合结构混合结构、钢结构及结构抗火研究、工程技术咨询等。