火灾荷载比对约束PEC柱（绕弱轴）抗火性能影响研究

高宇，毛小勇

（苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏　苏州　215011）

火灾荷载比对约束PEC柱（绕弱轴）抗火性能影响研究

高宇，毛小勇

（苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011）

应用有限元软件ABAQUS建立了包含部分楼板、梁、柱的约束PEC柱子结构温度场和力学分析模型，应用约束PEC柱的抗火试验数据验证了模型的合理性。采用上述子结构模型分析了火灾荷载比对约束PEC轴压柱和偏压柱的受力性能及耐火极限的影响规律。结果表明:随着火灾荷载比的增大，约束PEC轴压柱和偏压柱的轴向变形峰值和轴力系数峰值均减小。在相同的火灾荷载比下，约束PEC偏压柱的轴力变化系数峰值比轴压柱大，并且受火灾荷载比的影响也大；约束PEC偏压柱的轴向位移峰值比轴压柱大，但受火灾荷载比的影响却比轴压柱小。火灾荷载比是影响约束PEC柱耐火极限的重要参数，约束PEC偏压柱的耐火极限相对于轴压柱有所提高，受火灾荷载比的影响比轴压柱略大。

约束PEC柱；子结构；受火性能；耐火极限；荷载比

H型钢部分包裹混凝土柱（Partially Encased Concrete Columns，PEC），是在H型钢两翼缘之间填充混凝土而形成的一种新型组合柱。这种柱翼缘相对较薄，节省模板，施工便捷，具有比钢柱更高的承载能力和延性，其抗火性能也要优于无防火保护的型钢柱。此外，这种新型组合柱不仅可以直接应用于新建的多高层结构，还可以用于已有钢结构柱的加固与改造，具有良好的应用前景。然而，由于型钢翼缘外露，在火灾中极易发生屈曲，进而引起混凝土的压碎，导致柱强度和刚度急剧下降，因此PEC柱的耐火性能受到国内外学者的关注。

目前，国外学者对火灾下PEC柱的抗火性能已经开展了一些试验研究和理论分析工作。Wainman等进行了无约束PEC柱耐火极限试验研究，为欧洲规范中PEC柱的抗火设计提供了依据［1］。Correia和Rodrigues等开展了同时具有轴向约束和弯曲约束的PEC柱的抗火性能试验研究［2-3］，结果表明，当荷载比较小时，约束刚度的增大会使柱的耐火极限降低；但是当荷载比较大时并没有出现这种现象。此外，德国规范和欧洲规范以图表的形式给出了PEC柱抗火设计内容，图表中对不同耐火极限要求下构件的最大翼缘宽厚比、最小截面尺寸、配筋要求等做了具体规定。总体上看，目前对PEC柱抗火性能研究以无约束、单个构件的耐火性能和设计为主，对约束条件下PEC柱的抗火性能也有了一定研究；但受模型的限制，考虑的约束条件与实际情况还有一些差异。

为了更加真实地反映框架结构中PEC柱在实际约束和边界条件下的抗火性能，采用子结构方法建立了包含部分楼板、梁、柱的约束PEC子结构的有限元模型，可以全面考虑柱端轴向约束和弯曲约束效应，更加精确地模拟柱端连续性条件。采用此模型重点分析了火灾荷载比对约束PEC柱的耐火极限及受力性能的影响。

1　约束PEC柱子结构有限元模型简介

1.1子结构的确定

研究对象为图1所示的约束PEC柱子结构，由柱和与其相连的梁及楼板组成，其它层的轴向约束效应采用柱顶弹簧代替，不考虑远端梁、柱的弯曲约束影响。采用ISO834标准升温曲线，受火区域PEC柱为四面受火，考虑局部火灾的情况，与柱上端相连的梁板下部受火，与柱下端相连的梁板上部受火。一般框架的耐火等级为二级，梁的耐火极限为1.5 h，根据《高层民用建筑设计防火规范》，钢梁防火保护选用厚涂型钢结构防火涂料，保护层厚度20mm［4-5］。

图1　约束PEC柱子结构选取

1.2材料热工参数及高温本构关系

钢材和混凝土的热工参数及高温本构关系采用欧洲规范EC3和EC4建议的模型［6-7］。混凝土高温下的抗拉应力-应变采用文献［8］中给出的简化模型。

钢梁防火涂料的热工参数——密度:500 kg/m3；比热容:1 200 J/kg·℃；导热系数:0.09W/m·K。

1.3有限元模型及网格划分

应用ABAQUS软件中的顺序热-力耦合功能进行PEC柱子结构模型的火灾性能分析，即首先进行构件温度场计算，然后将温度场的计算结果引入后续的结构分析模型中。

子结构的有限元模型如图2所示。温度场分析时，受火钢梁、涂料、型钢和混凝土采用DC3D8，钢筋采用DC1D2。高温力学性能分析时，采用与温度场分析相同的网格划分，受火钢梁、涂料、型钢和混凝土采用C3D8R，钢筋采用T3D2。采用弹簧来模拟轴向约束，其变形方向为轴向方向。弹簧的虚拟端节点受三方向位移约束，其刚度大小在弹簧属性里定义。模型基本参数和截面尺寸见表1。

图2　约束PEC柱子结构有限元模型

表1　模型尺寸

1.4有限元模型的验证

采用文献［9］中约束PEC柱抗火试验数据对上述模型进行验证，试件参数见表2。试件PEC-1为轴心加载，试件PEC-2除了承受轴力外，还施加有端部弯矩。试件均为四面受火，并受到轴向约束。试件底部固结，上部铰接。

表2　试件参数

图3为模拟结果和试验结果的对比情况。从图3可见，温度场的模拟结果与试验结果吻合良好。轴向位移模拟曲线和试验曲线大致形状基本一致，轴向变形回归到初始值对应的时刻与试验值基本相同，但是轴向位移峰值高于试验值。主要是由于试验过程中混凝土发生了爆裂，截面尺寸变小，吸热能力变差，相同受火条件下截面温度越高，构件承载能力下降越快。而由于爆裂发生的随机性和不确定性很大，很难对其在理论上进行定量分析，本文的有限元分析中并未考虑混凝土爆裂的影响。

图3　模拟计算与试验结果比较

2　火灾荷载比对约束PEC柱耐火极限影响

利用上述模型，对基于子结构的约束PEC柱在轴心力作用下和在偏心率e=0.2的偏心荷载作用下的轴力变形特点及耐火极限进行分析，比较火灾荷载比的影响情况。

共采用了3种上部楼层数m（对应一定的轴向约束刚度），4种火灾荷载比μ。楼层数对应的约束刚度算法参照文献［10］，即用公式k=（m+1）·12EI/L3来计算约束刚度k。火灾荷载比μ=P0/Pu，其中P0为常温下柱的轴力，Pu为常温下柱的极限承载力，具体参数见表3。文中的轴力变化系数定义为P（t）/P0，其中P（t）为升温过程中PEC柱中轴力，P0为柱初始轴力。

表3　火灾荷载比参数表

2.1火灾荷载比对轴力变化系数的影响

图4（a）为轴心力作用下不同火灾荷载比下轴力变化曲线，图5（a）为e=0.2的偏心荷载作用下不同火灾荷载比下轴力变化曲线。由图可见，在相同的上部楼层数下（即柱子所受到上部楼层提供的轴向约束刚度相同），约束PEC轴压柱和偏压柱的轴力变化系数都随着升温时间的增加出现先增大后减小的趋势，随着荷载比的增大，柱轴力变化系数峰值明显降低。

图6（a）为轴压和偏压两种情况下火灾荷载比对轴力变化系数峰值影响程度的对比。在相同的火灾荷载比下，偏心荷载作用下子结构的轴力比峰值比轴力作用下的大，并且从图中线段的斜率来判断其受火灾荷载比的影响也比轴力作用下的大。

2.2火灾荷载比对轴向位移的影响

图4（b）为轴力作用下不同火灾荷载比下轴向位移变化曲线，图5（b）为e=0.2的偏心荷载作用下不同火灾荷载比下轴向位移变化曲线。由图可见，在相同的上部楼层数下，随着升温时间的增加，两种不同形式的荷载作用下轴向位移均出现先增大后减小的趋势，随着荷载比的增加，柱最大膨胀变形逐渐减小，达到最大轴向膨胀变形的时间也逐渐缩短。这是由于火灾荷载比越大，柱高温下的瞬态热应变和应力应变就越显著，可以抵消一部分柱自由膨胀变形。

图6（b）为轴压和偏压这两种情况下火灾荷载比对轴向位移峰值影响程度的对比曲线。由图可见:在相同的火灾荷载比下，偏心荷载作用下子结构的轴向位移峰值比轴力作用下的大，但是从图中线段的斜率来判断，其受火灾荷载比的影响却比轴力作用下的要小。

3　火灾荷载比对耐火极限的影响分析

目前关于高温下约束柱的耐火极限还没有统一的标准，不少学者以约束柱轴力恢复至初始轴力的时间为其耐火极限，参照此原则定义约束PEC柱的耐火极限。在实际火灾中，随着温度的升高，受火构件强度减弱，承载能力降低，必然导致整体结构发生内力重分布，一定条件下，受火构件中的轴力可能低于其常温下的设计轴力。因此这种方法确定的耐火极限偏于保守。

图7（a）为轴力作用下耐火极限随火灾荷载比变化的曲线，图7（b）为e=0.2的偏心荷载作用下耐火极限跟随火灾荷载比变化的曲线。由图可知，在这两种情况下，火灾荷载比对柱耐火极限影响都很大，在保持其他参数一定时耐火极限随火灾荷载比的增大而迅速降低。这是因为火灾荷载比越大，钢材和混凝土的应力水平越高，柱极限承载力富余就越少，火灾下持续的时间就短。因此火灾荷载比是影响约束PEC柱耐火性能的重要参数，严格控制火灾荷载比是提高约束PEC轴压柱和偏压柱耐火极限的有效方法。

图4　荷载比对轴力变化系数和轴向位移的影响（轴心作用）

图5　荷载比对轴力变化系数和轴向位移的影响（偏心作用）

图6　荷载比对轴力比峰值和轴向位移峰值的影响

图7　荷载比对耐火极限的影响

表4　轴压和偏压下火灾荷载比对耐火极限影响程度对比

4　结论

（1）随着火灾荷载比的增大，约束PEC轴压柱和偏压柱的轴向变形峰值和轴力系数峰值均减小；（2）在相同的火灾荷载比下，约束PEC偏压柱的轴力变化系数峰值比轴压柱的大，并且受火灾荷载比的影响也大；（3）在相同的火灾荷载比下，约束PEC偏压柱的轴向位移峰值比轴压柱的大，但是其受火灾荷载比的影响却比轴压柱小；（4）火灾荷载比是影响约束PEC柱耐火性能的重要参数，严格控制火灾荷载比是提高约束PEC轴压柱和偏压柱耐火极限的有效方法；（5）约束PEC偏压柱的耐火极限相对于轴压柱有所提高，受火灾荷载比的影响比轴力作用下的子结构略大。

［1］WAINMAN D E，TOMLINSON L N.BS476:Part 21，Fire resistance tests-summary of data obtained during tests on web encased columns［R］. 1994.

［2］KORZEN M，RODRIGUES JPC，CORREIA A M.Composite columnsmade of partially encased steelsections subjected to fire.Structures in Fire［R］.Proceedings of the Sixth International Conference，2010:341-348.

［3］CORREIA A M，RODRIGUES JPC.Fire resistance of partially encased steel columnswith restained thermal elongation［J］.Journal of Constructional Steel Research，2011，67:593-601.

［4］行盼娟，毛小勇，郜秋鹏.基于子结构模型的约束PEC柱抗火性能［J］.消防科学与技术，2013，32（7）:707-711.

［5］毛小勇，满建政，金晓飞.约束PEC柱轴力变化规律及影响因素［J］.消防科学与技术，2012，31（5）:443-446.

［6］European Committee for Standardization.ENV1993-1-2 Eurocode 3，Design of Steel Structures［S］，1993.

［7］European Committee for Standardization.ENV1994-1-2 Eurocode 4，Design of Composite and Concrete Structures［S］，1994.

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Influence of load ratio on the fire performance of restrained PEC columns（around theweak axis）

GAO Yu，MAO Xiaoyong
（Jiangsu Key Laboratory of Structural Engineering，SUST，Suzhou 215011，China）

By using the ABAQUS program，a finite elementmodel was established to calculate the temperature field and the mechanical behavior of the sub-structures composed of partial floor-slab，beams and restrained PEC columns，which was verified by fire test data.The verified model was used to analyze the behavior of the sub-structure subjected to the axial load and eccentric load under the fire condition，including the influence of load ratio under the fire strength on the mechanical behavior and the fire resistance limit.The research results show that the axial displacement and the axial force enhancement coefficientof the sub-structure subjected to the axial load and eccentric load both decrease due to an increase of the load ratio under fire.Under the same load ratio，the axial force enhancement coefficient of the PEC eccentric compression column is larger than that of the PEC axial compression column，and the influence of the load ratio is also greater than that of the PEC axial compression column；the axial displacement of the PEC eccentric compression column is larger than thatof PEC axial compression column，but it is less affected by the fire load ratio.The load ratio under the fire is an important parameter affecting the fire resistance of PEC columns；the fire resistance limit of the PEC eccentric compression column is larger than that of the PEC axial compression column，and the influence of the load ratio is slightly larger than that of axial compression column.

restrained PEC column；sub-structure；fire performance；load ratio

TU398

A

1672-0679（2016）03-0023-05

2016-02-29

国家自然科学基金项目（51278321）；江苏省“六大高峰”人才项目（2012-JZ-004）；江苏省“333工程”中青年学术带头人项目（2011-III-2217）

高宇（1991-），女，江苏苏州人，硕士研究生。

通信联系人:毛小勇（1974-），男，教授，博士，主要从事组合结构抗火性能研究，E-mail:maoxiaoyong@yeah.net。

（责任编辑:秦中悦）