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摘要：本文利用ABAQUS进行截面尺寸为120×300×480mm的不等肢L形型钢混凝土异形柱的温度场分析，定量的分析模拟了两面受火条件下，不同受火时间对截面温度场的影响，并模拟出合理的结果，为火灾后的力学性能分析打下基础。
关键字：型钢混凝土；异形柱；火灾；抗火性能
中图分类号：TU37文献标识码： A
1 基本理论
火灾下，型钢混凝土异形柱通过辐射和对流这两种方式接受周围热空气的热量，而异形柱构件内部传热方式主要是热传导。
型钢混凝土柱热传导方程由热力学第一定律得：(1)
式中：△E—系统内能的增量；Q—加入系统的热量；W—对系统做的功 ；
对于火灾作用下的钢管混凝土结构构件，W=0，因而：(2)
式中：—热流密度；—单位时间内单位体积热源生成的热量；—质量密度；—比热；T—温度；t—时间；— 结构的空间坐标，i=1,2,3。
2 前处理及分析
2.1温度-时间曲线
根据我国《建筑防火设计规范》的规定，升温过程中的温度-时间曲线采用ISO834标准升温曲线，其表达式为：(6)
式中：—环境初始温度，℃；t—火灾持续时间，min。
2.2材料的热工性能
(1)密度：混凝土密度取，钢材密度取。
(2)混凝土导热系数和钢材导热系数分别为1：
(7)
(3)混凝土的比热2和钢材的比热3分别为：
(8)
2.3模型建立及计算
在ABAQUS中通过Standard模块对温度场进行分析，异形柱截面尺寸均采用120×300×480mm（肢厚×肢长×肢高），柱高取为3m。采用桁架式的配钢方式，试件内配6.3 槽钢、L63×8和L30×3角钢，钢材级别为Q235，配钢率为3.54%。在槽钢与角钢之间设置连接腹杆，腹杆采用HRB400直径12mm钢筋。输入混凝土、型钢和钢筋的热工参数并定义升温曲线。升温前柱初始温度设为20℃，然后进行装配，定义分析步和接触。将钢骨架与混凝土的约束关系设为嵌固，定义受火面、不受火面和绝热面，设定模型预温度场，划分网格。
相比于混凝土的升温，内部型钢的升温幅度较小，损伤程度较轻，外部混凝土对内部钢骨架起到了明顯的保护作用。
3 截面损伤评估
3.1截面温度场
为了综合分析不同受火时间对型钢混凝土异形柱抗火性能的影响，计算了异形柱在两面受火条件下30min、60min、90min、120min、150min和180min受火时间的截面温度场见图1。
(a)受火30min(b)受火60min(c)受火90min
(e)受火150min(f)受火180min (d)受火120min
图1不同受火时间截面温度场分布
由此发现，随着受火时间的延长，构件暴露在火灾条件下的时间越长，其外表面温度越接近于环境温度；不同受火时间温度的上升幅度不同，前90min升温幅度较快，而后升温速度逐渐放缓；两面受火条件下，温度由受火面向异形柱内部传递，温度曲线与异形柱形状相似，各条曲线呈层状分布。
3.2损伤评价
受火后混凝土构件的损伤随受火温不同有很大差异。混凝土的抗压强度在400℃以内变化不大；温度达到400℃～500℃，抗压强度将损失20%～30%，视为中度损伤；经历500℃高温作用后，混凝土强度损失较为严重，为严重损伤区域；当温度超过900℃以后，抗压强度不到常温下的1/10。火灾后混凝土构件的评估，大致可以500℃等温线为损伤判定界限4-7。
不同受火时间截面的损伤程度情况见表1。
表1 不同受火时间异形柱损伤
随着受火时间的延长，损伤区域不断向柱中扩展，损伤面积不断增大。两面受火下，受火时间为30min、60min、90min、120min、150min和180min时，损伤面积比率分别为8.2%、14.4%、26.2%、27.2%、37.7%、和43.3%，受火3小时后，异形柱损伤面积已超过40%，损伤严重。
4 结论
本文利用有限元软件ABAQUS对不等肢L形型钢混凝土异形柱截面温度场进行了计算分析。得出了以下结论：
(1)相比于混凝土的升温，内部型钢的升温幅度较小，最高温度在300℃以下，损伤程度较轻，外部混凝土对内部钢骨架起到了明显的保护作用。
(2)不同受火时间，温度的上升幅度不同，前90min升温幅度较快，而后升温速度逐渐放缓，最后30min升温幅值只在25℃左右。
(3)两面受火条件下，温度由受火面向异形柱内部传递，温度曲线与异形柱形状相似，各条曲线呈层状分布，在两柱肢的分布图形是基本是一致的。
(4)随着受火时间的延长，损伤区域不断向柱中扩展，损伤区域图形在两柱肢的分布形状基本一致，在柱肢连接处沿两柱肢呈弧形分布。
参考文献
[1] 韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M]. 北京：北京科学出版社，2004
[2] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京：清华大学出版社，2003
[3] 李国强.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999
[4] 吴波.火灾后钢筋混凝土结构的力学性能. [M].北京：科学出版社,2003
[5] 李国强，韩林海等.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计. [M].北京：中国建筑工业出版社,2006
[6] Wu B, Xu Y Y. Nonlinear Finite Element Analysis of Transient Thermal Field for RC Special-shaped Columns in Fire [J]. Proceedings of the Ninth International Symposium on Structural Engineering for Young Experts, 2006, 1/2: 987−993
[7] CEN.ENV1994-1-2.Eurocode4：Design of Composite Steel and Concrete Structures,Apr.1994
关键字：型钢混凝土；异形柱；火灾；抗火性能
中图分类号：TU37文献标识码： A
1 基本理论
火灾下，型钢混凝土异形柱通过辐射和对流这两种方式接受周围热空气的热量，而异形柱构件内部传热方式主要是热传导。
型钢混凝土柱热传导方程由热力学第一定律得：(1)
式中：△E—系统内能的增量；Q—加入系统的热量；W—对系统做的功 ；
对于火灾作用下的钢管混凝土结构构件，W=0，因而：(2)
式中：—热流密度；—单位时间内单位体积热源生成的热量；—质量密度；—比热；T—温度；t—时间；— 结构的空间坐标，i=1,2,3。
2 前处理及分析
2.1温度-时间曲线
根据我国《建筑防火设计规范》的规定，升温过程中的温度-时间曲线采用ISO834标准升温曲线，其表达式为：(6)
式中：—环境初始温度，℃；t—火灾持续时间，min。
2.2材料的热工性能
(1)密度：混凝土密度取，钢材密度取。
(2)混凝土导热系数和钢材导热系数分别为1：
(7)
(3)混凝土的比热2和钢材的比热3分别为：
(8)
2.3模型建立及计算
在ABAQUS中通过Standard模块对温度场进行分析，异形柱截面尺寸均采用120×300×480mm（肢厚×肢长×肢高），柱高取为3m。采用桁架式的配钢方式，试件内配6.3 槽钢、L63×8和L30×3角钢，钢材级别为Q235，配钢率为3.54%。在槽钢与角钢之间设置连接腹杆，腹杆采用HRB400直径12mm钢筋。输入混凝土、型钢和钢筋的热工参数并定义升温曲线。升温前柱初始温度设为20℃，然后进行装配，定义分析步和接触。将钢骨架与混凝土的约束关系设为嵌固，定义受火面、不受火面和绝热面，设定模型预温度场，划分网格。
相比于混凝土的升温，内部型钢的升温幅度较小，损伤程度较轻，外部混凝土对内部钢骨架起到了明顯的保护作用。
3 截面损伤评估
3.1截面温度场
为了综合分析不同受火时间对型钢混凝土异形柱抗火性能的影响，计算了异形柱在两面受火条件下30min、60min、90min、120min、150min和180min受火时间的截面温度场见图1。
(a)受火30min(b)受火60min(c)受火90min
(e)受火150min(f)受火180min (d)受火120min
图1不同受火时间截面温度场分布
由此发现，随着受火时间的延长，构件暴露在火灾条件下的时间越长，其外表面温度越接近于环境温度；不同受火时间温度的上升幅度不同，前90min升温幅度较快，而后升温速度逐渐放缓；两面受火条件下，温度由受火面向异形柱内部传递，温度曲线与异形柱形状相似，各条曲线呈层状分布。
3.2损伤评价
受火后混凝土构件的损伤随受火温不同有很大差异。混凝土的抗压强度在400℃以内变化不大；温度达到400℃～500℃，抗压强度将损失20%～30%，视为中度损伤；经历500℃高温作用后，混凝土强度损失较为严重，为严重损伤区域；当温度超过900℃以后，抗压强度不到常温下的1/10。火灾后混凝土构件的评估，大致可以500℃等温线为损伤判定界限4-7。
不同受火时间截面的损伤程度情况见表1。
表1 不同受火时间异形柱损伤
随着受火时间的延长，损伤区域不断向柱中扩展，损伤面积不断增大。两面受火下，受火时间为30min、60min、90min、120min、150min和180min时，损伤面积比率分别为8.2%、14.4%、26.2%、27.2%、37.7%、和43.3%，受火3小时后，异形柱损伤面积已超过40%，损伤严重。
4 结论
本文利用有限元软件ABAQUS对不等肢L形型钢混凝土异形柱截面温度场进行了计算分析。得出了以下结论：
(1)相比于混凝土的升温，内部型钢的升温幅度较小，最高温度在300℃以下，损伤程度较轻，外部混凝土对内部钢骨架起到了明显的保护作用。
(2)不同受火时间，温度的上升幅度不同，前90min升温幅度较快，而后升温速度逐渐放缓，最后30min升温幅值只在25℃左右。
(3)两面受火条件下，温度由受火面向异形柱内部传递，温度曲线与异形柱形状相似，各条曲线呈层状分布，在两柱肢的分布图形是基本是一致的。
(4)随着受火时间的延长，损伤区域不断向柱中扩展，损伤区域图形在两柱肢的分布形状基本一致，在柱肢连接处沿两柱肢呈弧形分布。
参考文献
[1] 韩林海.钢管混凝土结构-理论与实践[M]. 北京：北京科学出版社，2004
[2] 过镇海，时旭东.钢筋混凝土的高温性能及其计算[M].北京：清华大学出版社，2003
[3] 李国强.钢结构抗火计算与设计[M].北京：中国建筑工业出版社，1999
[4] 吴波.火灾后钢筋混凝土结构的力学性能. [M].北京：科学出版社,2003
[5] 李国强，韩林海等.钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计. [M].北京：中国建筑工业出版社,2006
[6] Wu B, Xu Y Y. Nonlinear Finite Element Analysis of Transient Thermal Field for RC Special-shaped Columns in Fire [J]. Proceedings of the Ninth International Symposium on Structural Engineering for Young Experts, 2006, 1/2: 987−993
[7] CEN.ENV1994-1-2.Eurocode4：Design of Composite Steel and Concrete Structures,Apr.1994