火灾全过程中空夹层高强钢管混凝土柱耐火极限研究.pdf

摘要

中空夹层钢管混凝土柱是一种创新结构，其结构特点在于采用中空钢管内部

填充混凝土的设计。与常规钢管混凝土柱相比，该种柱型具有重量轻、强度高、承

载能力强等优点。高强钢一般指屈服强度超过460MPa的钢材，简称HSS。相较于

传统钢材，高强钢材具有更高的强度和更好的韧性，能够更好地应对各种应力情况。

通过优化结构设计，可以进一步优化材料的使用，从而降低结构自重并提高结构性

能，这都使得高强钢逐渐在建筑领域被不断应用。近年来，频繁发生的火灾事件持

续增多，所导致的财产损失与人员伤亡的严重程度亦不可忽视。其中一些事故的原

因是建筑中使用的中空夹层钢管混凝土柱在火灾下或降温段失去了承载能力，导

致建筑物倒塌。目前国内外对中空夹层钢管混凝土的耐火性能研究主要集中在普

通钢材，且大多没有考虑降温段的影响。因此，对采用高强度钢材中空夹层钢管混

凝土柱的耐火性能进行火灾全过程分析，已变得极为关键。

本文通过试验与有限元分析相结合的方式，对火灾全过程影响下的中空夹层

高强钢管混凝土柱的耐火性能极限进行了研究，特别是分析了升温与降温过程在

持续载荷作用下对该结构耐火极限的影响，具体工作如下：

（1）本次耐火极限试验共制作了6个中空夹层高强钢管混凝土柱试件，其中

3个试件在升温段破坏，耐火极限受升温段的影响；另外3个试件破坏发生在升降

温临界时间之后，试件经历了完整的升降温，耐火极限受到了升温、降温对耐火极

限的共同影响。

（2）通过对国内外文献的调查研究，首先明确了混凝土和钢材的热工性质及

其在温度变化过程中的本构关系模型。继而，利用ABAQUS构建了试件在火灾全

过程温度场的数值模型，最后将本文试验数据以及已有试验数据与温度场模拟结

果相比较，验证温度场模型的精确性，并在此基础上构建了耐火极限的有限元模型。

（3）通过应用场变量子程序，实现了钢材与混凝土在常温、升温及降温三个

不同阶段自动切换相应的本构模型，同时考虑了高温蠕变的影响。随后建立了火灾

I

全过程中空夹层高强钢管混凝土柱耐火极限的模型，并将其与本文的试验数据及

现有文献中的数据进行了对比分析，以验证模型的准确性。

（4）确保模型精确无误后，对火灾全过程中空夹层高强钢管混凝土柱的耐火

极限进行建模与计算分析。以外钢管强度、空心率、核心混凝土抗压强度、外钢管

壁厚、升降温临界时间和外钢管屈服强度为变量，研究这些参数对中空夹层高强钢

管混凝土柱耐火性能的影响规律。

关键词：中空夹层高强钢管混凝土柱，火灾全过程，有限元分析，温度场，耐火极

限

II

ResearchonFireResistanceLimitofHigh-StrengthConcrete

FilledDoubleSkinSteelTubularColumnsThroughoutFire

Abstract

Hollowsandwichedconcrete-filledsteeltubecolumnisaninnovativestructure,

whosestructuralcharacteristicslieinthedesignofhollowsteeltubefilledwithconcrete.

Comparedwithconventionalconcrete-filledsteeltubes,thiskindofcolumnhasthe

advantagesoflightweight,highstrength,strongbearingcapacityandsoon.Highstrength

steelgenerallyreferstosteelwithyieldstrengthexceeding460MPa,abbreviatedasHSS.

Comparedwithtraditionalsteel,highstrengthsteelhashigherstrengthandbetter

tough