火灾下复式钢管混凝土柱温度场研究.pdf

建筑防火设计Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8火灾下复式钢管混凝土柱温度场研究张琳1,左帅2,王卫华2（1.福州市消防救援支队，福建 福州 350001；2.华侨大学 土木工程学院，福建 厦门 361021）摘要：为了研究外方内圆复式钢管混凝土柱火灾升降温全过程的温度场变化，采用 ABAQUS 有限元软件建立了复式钢管混凝土柱的升降温火灾全过程温度场模型。结果表明：内配圆钢管可以降低火灾发生后内部混凝土的温度，提高钢管混凝土柱的耐火性能，内置钢管的最高温度远低于外钢管；喷涂防火涂料和增加截面尺寸均会大幅降低核心区混凝土的历史最高温度，但不影响外钢管的历史最高温度。关键词：复式钢管混凝土；耐火性能；有限元分析；温度场中图分类号：X913.4；TU398.9 文献标志码：A 文章编号：1009-0029（2023）08-1084-06高层建筑多处于城市中心，且楼层较高，尤其是超高层建筑发生火灾后，火灾蔓延途径多、扩散速率快，导致救援和灭火难度大，火灾往往很难及时扑灭。“911”事件的最终调查报告指出1，火灾的持续蔓延是导致世贸大楼倒塌的真正原因，不仅是由于飞机撞击。火灾时，缺少防护的钢结构作为主体结构的超高层建筑，短时间内就可能发生整体坍塌。钢管混凝土结构因抗火能力优于钢结构，自质量比混凝土结构轻，在高层、超高层建筑中的应用越来越广泛。杨有福等2认为钢管混凝土柱的耐火性能优于钢柱，在利用钢管混凝土结构进行抗火设计时，只需要适量的防火保护。NEUENSCHWANDER M 等3对内配实心钢柱的复合圆钢管混凝土柱进行了火灾下的有限元分析，发现夹层内的混凝土具有良好的吸热作用，可以有效减缓核心区钢柱的升温速率。吴波等4进行了内置高强角钢的方钢管再生混凝土柱耐火性能试验，发现在总用钢量基本不变的情况下，通过适当减薄钢管并在管内设置高强角钢且二者之间预留一定距离，可使方钢管再生块体混凝土柱的耐火极限提高 200%以上。毛文婧等5对内配型钢的钢管混凝土柱进行火灾全过程有限元分析，发现升温时间对剩余承载力的影响较大，升温时间越长，剩余承载力越低。刘发起6进行了足尺圆钢管约束钢筋混凝土柱在火灾下和火灾后的力学性能试验，发现核心混凝土出现升温滞后现象，且越靠近截面核心，升温滞后现象越严重。王卫华等7通过有限元方法，对外方内圆复式钢管混凝土柱进行火灾下力学性能分析，发现内配圆钢管的复式钢管混凝土柱耐火性能比普通钢管混凝土柱提高 2倍以上，复式钢管混凝土柱即使不进行防火保护，也具有较好的耐火性能。与传统普通方钢管混凝土柱相比，外方内圆复式钢管混凝土柱截面的耐火性能显著提升。现有研究对复式钢管混凝土柱抗火能力的分析尚不够深入，考虑火灾升降温全过程的相关研究成果较少。承重结构在遭受火灾时的倒塌破坏不仅发生在火灾下，也可能出现在火场降温阶段（由于核心混凝土和内置钢管的温度场滞后现象，承重构件内部仍处于升温阶段），这对消防员的救援安全极其不利。本文深入研究复式钢管混凝土截面在火灾升降温全过程作用下的温度场滞后效应，建立了外方内圆复式钢管混凝土截面经历升降温受火全过程的温度场模型，考虑火灾升降温全过程，分析复式钢管混凝土柱截面瞬态温度场和温度场滞后效应的变化规律以及历史最高温度分布，并对各截面处的历史最高温度进行参数分析，为全面开展火灾下耐火性能分析和灾后力学性能评估提供依据。1有限元模型简介1.1材料热工参数传热分析需要确定钢材和混凝土材料的热工参数，包括密度、导热系数、比热容等。本文采用 LIE T T 等8提出的混凝土和钢材的热工参数。防火涂料主要有膨胀型防火涂料和非膨胀型防火涂料两种，本文选用非膨胀（厚涂）型防火涂料，采用韩林海9给出的热工参数。1.2有限元建模方法采用 ABAQUS 软件建立考虑升降温全过程作用下的温度场模型，升温曲线采用 ISO-834 标准升温曲线，模拟火灾全过程环境温度变化。Stefan-Boltzmann常数为5.67 10-8 W/(m2K4)，混凝土采用八节点三维实体热分析单元 DC3D8，钢管和防火涂料采用四节点二维壳体热分析单元 DS4，钢管与混凝土之间、防火涂料与钢管之间的接触关系均采用绑定接触，所有网格均采用结构化网格划分，对流换算系数取25 W/(m2K)，辐射系数取0.5。初始环境温度设为 30。外方内圆复式钢管混凝土柱温度场模型的网格划分如图 1所示，受火边界条件如图 2所示，截面形状如图 3所示。2有限元模型验证2.1普通方钢管混凝土柱温度场验证对文献 10 进行的带保护层的普通方钢管混凝土柱火灾试验进行温度场验证，本文选择文献 10 中的试件S-2、S-3 进行对比验证，限于篇幅，只选取试件 S-2 的模拟-试验对比曲线，见图 4。可以看出，温度-受火时间变化曲线的数值分析结果与试验数据吻合良好，说明本文有限元分析模型能够真实反映方钢管混凝土柱火灾下截面的温度变化。2.2复式钢管混凝土柱温度场试验验证叶文杰11进行了圆套圆复式钢管混凝土柱火灾试验，本文选择文献中的试件 T7-Y690-a20、T7-Y690-a40进行有限元建模。限于篇幅，只选取试件 T7-Y690-a20的模拟-试验对比曲线，见图 5。可以看出，不管是外钢管还是内钢管，计算温度与实测温度均吻合较好，可见本文热工参数的选取和有限元建模方法合理，可以应用于复式钢管混凝土柱的温度场研究。3考虑升降温受火全过程的温度场分析对典型截面的外方内圆复式钢管混凝土柱进行受火全过程截面温度场分析。采用带降温段的 ISO-834 标准升温曲线进行受火全过程升降温分析，升温时间为 2 h，受火面为 4 面受火，顶部、底部不受火。典型截面的详细参数为：外部方钢管的截面尺寸 DBTL=800 mm800 mm10 mm3 600 mm，内部圆钢管的截面尺寸 dtL=500 mm10 mm3 600 mm，混凝土强度为 C40（fcu=40 MPa），钢材强度为 Q355（fy=355 MPa）。图 6为典型试件升降温受火全过程的温度场分布云图。图 6（a）、（b）为升温阶段截面温度场云图。可以看出，升温阶段外钢管表面温度逐渐升高，最高温度可达到1 027，夹层混凝土温度呈梯度变化，靠近外钢管处的混凝土温度较高，靠近内钢管处的混凝土温度较低，圆钢管内部混凝土温度分布较为均匀，与受火前相比无明显变化。图 6（c）（e）为降温阶段截面温度场云图。可以看出，环境温度逐渐降至室温时，外钢管表面温度逐渐降低，夹层混凝土温度逐步向内钢管传递，靠近外钢管处的混凝土温度逐渐降低，靠近内钢管处的混凝土温度逐渐升高，圆钢管内部混凝土温度逐渐升高，且沿截面半径呈现出梯度变化，越靠近截面核心的混凝土，温度越低。图 6（f）（i）为火灾后阶段截面温度场分布云图。可以看出，环境温度降为室温 9 h 后，外钢管温度从 83 缓慢下降到 37，夹层混凝土温度仍继续向内钢管传递，但传递速率逐渐放缓，降温 15 h后，圆钢管内部混凝土温度梯度发生逆转，变为越靠近截面核心的混凝土温度越高，达到 153 左右。图 7 为 典 型 试 件 截 面 各 处 温 度 随 受 火 时 间 变 化曲线。混凝土内钢管外钢管图 1复式钢管混凝土柱温度场有限元模型Fig.1Finite element model of CS-CFST热辐射对流对流热辐射图 2复式钢管混凝土柱温度场模型的热边界条件Fig.2Thermal boundary of CS-CFST temperature field model混凝土内钢管外钢管图 3复式钢管混凝土柱截面Fig.3Section of CS-CFST时间/min0 20 40 60 80 100 120 140温度/50040030020010002号测点2号测点1号测点1号测点试验有限元图 4试件 S-2温度场对比Fig.4Comparison of temperature field of specimen S-2时间/min0 10 20 30 40 50 60 70 80温度/1 00080060040020003号测点3号测点1号测点1号测点试验有限元图 5试件 T7-Y690-a20温度场对比Fig.5Comparison of temperature field of specimen T7-Y690-a201084消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期面的温度变化。2.2复式钢管混凝土柱温度场试验验证叶文杰11进行了圆套圆复式钢管混凝土柱火灾试验，本文选择文献中的试件 T7-Y690-a20、T7-Y690-a40进行有限元建模。限于篇幅，只选取试件 T7-Y690-a20的模拟-试验对比曲线，见图 5。可以看出，不管是外钢管还是内钢管，计算温度与实测温度均吻合较好，可见本文热工参数的选取和有限元建模方法合理，可以应用于复式钢管混凝土柱的温度场研究。3考虑升降温受火全过程的温度场分析对典型截面的外方内圆复式钢管混凝土柱进行受火全过程截面温度场分析。采用带降温段的 ISO-834 标准升温曲线进行受火全过程升降温分析，升温时间为 2 h，受火面为 4 面受火，顶部、底部不受火。典型截面的详细参数为：外部方钢管的截面尺寸 DBTL=800 mm800 mm10 mm3 600 mm，内部圆钢管的截面尺寸 dtL=500 mm10 mm3 600 mm，混凝土强度为 C40（fcu=40 MPa），钢材强度为 Q355（fy=355 MPa）。图 6为典型试件升降温受火全过程的温度场分布云图。图 6（a）、（b）为升温阶段截面温度场云图。可以看出，升温阶段外钢管表面温度逐渐升高，最高温度可达到1 027，夹层混凝土温度呈梯度变化，靠近外钢管处的混凝土温度较高，靠近内钢管处的混凝土温度较低，圆钢管内部混凝土温度分布较为均匀，与受火前相比无明显变化。图 6（c）（e）为降温阶段截面温度场云图。可以看出，环境温度逐渐降至室温时，外钢管表面温度逐渐降低，夹层混凝土温度逐步向内钢管传递，靠近外钢管处的混凝土温度逐渐降低，靠近内钢管处的混凝土温度逐渐升高，圆钢管内部混凝土温度逐渐升高，且沿截面半径呈现出梯度变化，越靠近截面核心的混凝土，温度越低。图 6（f）（i）为火灾后阶段截面温度场分布云图。可以看出，环境温度降为室温 9 h 后，外钢管温度从 83 缓慢下降到 37，夹层混凝土温度仍继续向内钢管传递，但传递速率逐渐放缓，降温 15 h后，圆钢管内部混凝土温度梯度发生逆转，变为越靠近截面核心的混凝土温度越高，达到 153 左右。图 7 为 典 型 试 件 截 面 各 处 温 度 随 受 火 时 间 变 化曲线。混凝土内钢管外钢管图 1复式钢管混凝土柱温度场有限元模型Fig.1Finite element model of CS-CFST热辐射对流对流热辐射图 2复式钢管混凝土柱温度场模型的热边界条件Fig.2Thermal boundary of CS-CFST temperature field model混凝土内钢管外钢管图 3复式钢管混凝土柱截面Fig.3Section of CS-CFST时间/min0 20 40 60 80 100 120 140温度/50040030020010002号测点2号测点1号测点1号测点试验有限元图 4试件 S-2温度场对比Fig.4Comparison of temperature field of specimen S-2时间/min0 10 20 30 40 50 60 70 80温度/1 00080060040020003号测点3号测点1号测点1号测点试验有限元图 5试件 T7-Y690-a20温度场对比Fig.5Comparison of temperature field of specimen T7-Y690-a201085Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8可以看出，内部混凝土、内钢管和外钢管在受火后都出现先升温后降温现象，外钢管升温速率和降温速率均远远超过内部混凝土和内钢管，且沿截面方向，越靠近外钢管表面的混凝土，其升温和降温速率均越快。内部混凝土和内钢管均出现升温滞后现象，即火灾停止后，截面内部的温度仍继续升高，内钢管的历史最高温度出现在火灾停止 5 h 后，且越靠近截面核心区，其升温滞后效应越严重，到达历史最高温度的时间越久。其中 1/8截面处混凝土、1/4 截面处混凝土、截面核心混凝土分别在停火3.0、8.0、13.8 h 后达到最高温度，核心区混凝土的升温滞后时间约为 1/8 截面处混凝土、1/4 截面处混凝土的 4.6倍和 1.7倍。停火时，内钢管的温度为 52，降温 5.5 h后达到历史最高温度 200，约为停火时温度的 4倍。4参数分析建立 2根普通方钢管混凝土柱和 13根外方内圆复式钢管混凝土柱模型，并进行升降温全过程的温度场分析，研究参数变化对钢管混凝土柱截面温度的影响，详细参数见表 1，其中所有试件外钢管壁厚均为 10 mm，试件高3 600 mm。CF 为方钢管混凝土柱；CS 为外方内圆复式钢管混凝土柱；CS-6、CS-7、CS-8 柱喷涂的防火涂料厚度分别为 5、10、15 mm，其余试件均未喷涂防火涂料。为研究截面温度场变化梯度，对外部方钢管截面尺寸 为 DB=800 mm800 mm 的 试 件 设 置 了 d=100、200、400 mm 三处测点，分别对应 1/8 截面、1/4 截面、1/2截面；外部方钢管截面尺寸为 DB=400 mm400 mm的试件设置了d=50、100、200 mm三处测点，分别对应1/8截面、1/4截面、1/2截面。其中 d为截面内部测点距外钢管表面（受火面）的距离，如图 8所示。4.1圆钢管直径分析图 9为不同圆钢管直径的温度变化。可以看出，内部圆钢管直径变化对外钢管表面温度无显著影响，4组试件外钢管处的温度-受火时间曲线基本重合，但圆钢管直径变化对内钢管表面温度的影响较大。圆钢管直径越大，温度/+8.402e+02+7.716e+02+7.031e+02+6.346e+02+5.660e+02+4.975e+02+4.290e+02+3.604e+02+2.919e+02+2.233e+02+1.548e+02+8.628e+01+1.774e+01+1.027e+03+9.428e+02+8.589e+02+7.750e+02+6.911e+02+5.232e+02+4.393e+02+3.554e+02+2.715e+02+1.876e+02+1.036e+02+1.973e+01温度/+8.443e+02+7.757e+02+7.071e+02+6.385e+02+5.700e+02+5.014e+02+4.328e+02+3.643e+02+2.957e+02+2.271e+02+1.586e+02+8.998e+01+2.141e+01温度/（a）升温 1 h（b）升温 2 h（c）降温 1 h+6.392e+02+5.882e+02+5.371e+02+4.861e+02+4.351e+02+3.840e+02+3.330e+02+2.819e+02+2.309e+02+1.798e+02+1.288e+02+7.774e+01+2.670e+01温度/+4.418e+02+4.080e+02+3.742e+02+3.404e+02+3.066e+02+2.728e+02+2.391e+02+2.053e+02+1.715e+02+1.377e+02+1.039e+02+7.015e+01+3.636e+01温度/+2.613e+02+2.465e+02+2.317e+02+2.169e+02+2.020e+02+1.872e+02+1.724e+02+1.575e+02+1.427e+02+1.279e+02+1.130e+02+9.821e+01+8.338e+01温度/（d）降温 2 h（e）降温 4 h（f）降温 6 h+1.911e+02+1.801e+02+1.691e+02+1.582e+02+1.472e+02+1.362e+02+1.253e+02+1.143e+02+1.033e+02+9.236e+01+8.139e+01+7.042e+01+5.946e+01温度/+1.593e+02+1.497e+02+1.402e+02+1.307e+02+1.211e+02+1.116e+02+1.021e+02+9.255e+01+8.302e+01+7.350e+01+6.397e+01+5.444e+01+4.491e+01温度/+1.533e+02+1.437e+02+1.341e+02+1.244e+02+1.148e+02+1.052e+02+9.554e+01+8.590e+01+7.627e+01+6.664e+01+5.700e+01+4.737e+01+3.774e+01温度/（g）降温 9 h（h）降温 12 h（i）降温 15 h图 6典型试件受火全过程截面温度场云图Fig.6Temperature field nephogram of the section of a typical specimen under fire时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/1 1001 0009008007006005004003002001000外钢管内钢管1/8截面1/4截面截面核心图 7典型试件截面各处温度-受火时间曲线Fig.7Temperature-time curves of typical specimen sections其表面越靠近受火面，圆钢管的升温、降温速率加快，且到达历史最高温度的时间越短，历史最高温度也越高。主要因为圆钢管截面越大，其与受火面的距离越近，与夹层的混凝土接触越多，传热面也相应越大。表 1试件参数设置Table 1Parameters of tested specimens图 10 为不同圆钢管直径的截面不同位置温度变化。可以看出，内部圆钢管直径发生变化后，距外钢管 400 mm 截面处的温度无明显变化，但距外钢管 100 mm 和200 mm 的测点温度出现明显差异，圆钢管直径越大，温度测点历史最高温度越低，到达历史最高温度的时间越久，升温滞后效应越明显。各截面处，内配圆钢管的复式钢管混凝土试件温度均比无内配圆钢管的普通方钢管混凝土试件低，降温幅度最多达 16.34%。内部圆钢管既可以吸收外部混凝土传递的热量，又由于钢和混凝土的材性不同，导致热量传递时发生折减。故内配圆钢管可以降低火灾发生后钢管内部混凝土的温度，可以提高钢管混凝土柱的抗火能力。4.2圆钢管壁厚分析由图 11 可知，内部圆钢管壁厚变化对外钢管表面的温度几乎无影响，随圆钢管壁厚增加，内钢管表面历史最高温度缓慢降低。由图 12可知，内部圆钢管壁厚增加，核心混凝土的历史最高温度均有所降低，且距外钢管表面越远，降低的幅度越大。因此，圆钢管壁厚增加导致火灾后内部混凝土温度和内置圆钢管的温度降低，但降低幅值不大。4.3防火涂料厚度分析由图 13 可知，喷涂防火涂料可以明显降低火灾发生后外钢管和内钢管的温度。随防火涂料厚度增加，外钢管和内钢管的历史最高温度下降，防火涂料越厚，下降的幅度越大。喷涂过防火涂料的试件，钢管表面到达历史最高温度的时刻滞后。由图 14 可知，随防火涂料喷涂厚度增加，各截面处历史最高温度不断降低。喷涂 5 mm 厚的防火涂料，外钢管最高温度由 1 000 降到 550，距外钢管 100 mm 处混凝土的历史最高温度不超过 230，距外钢管 200 mm 处混凝土的历史最高温度不超过 150，截面形心处混凝土的历史最高温度不超过 140。喷涂防火涂料可显著降低试件各截面的历史最高温度，且防火涂料越厚，降低的幅度越大。测点距外钢管距离图 8温度测点的位置Fig.8Location of measuring points时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/1 1001 0009008007006005004003002001000外钢管内钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmCF-1 无内配圆钢管CS-3 圆钢管直径 600 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-1 圆钢管直径 400 mm图 9不同圆钢管直径下钢管表面温度-时间曲线Fig.9Surface temperature-time curve of steel tube with different diameters时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/300250200150100500CF-1 无内配圆钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmCF-1 无内配圆钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmCF-1 无内配圆钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmd=100 mmd=200 mmd=400 mm图 10不同圆钢管直径下截面各测点处温度-时间曲线Fig.10Temperature-time curve at each measuring point under different diameters of circular steel tube1086消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期其表面越靠近受火面，圆钢管的升温、降温速率加快，且到达历史最高温度的时间越短，历史最高温度也越高。主要因为圆钢管截面越大，其与受火面的距离越近，与夹层的混凝土接触越多，传热面也相应越大。表 1试件参数设置Table 1Parameters of tested specimens试件编号CF-1CF-2CS-1CS-2CS-3CS-4CS-5 CS-6 CS-7 CS-8 CS-9CS-10CS-11CS-12CS-13方钢管边长/mm800400800800800800800800800800400800800800800圆钢管直径/mm-400500600500500500500500200500500500500圆钢管壁厚/mm-1010105151010101010101010受火时长/min12012012012012012012012012012012080100150180图 10 为不同圆钢管直径的截面不同位置温度变化。可以看出，内部圆钢管直径发生变化后，距外钢管 400 mm 截面处的温度无明显变化，但距外钢管 100 mm 和200 mm 的测点温度出现明显差异，圆钢管直径越大，温度测点历史最高温度越低，到达历史最高温度的时间越久，升温滞后效应越明显。各截面处，内配圆钢管的复式钢管混凝土试件温度均比无内配圆钢管的普通方钢管混凝土试件低，降温幅度最多达 16.34%。内部圆钢管既可以吸收外部混凝土传递的热量，又由于钢和混凝土的材性不同，导致热量传递时发生折减。故内配圆钢管可以降低火灾发生后钢管内部混凝土的温度，可以提高钢管混凝土柱的抗火能力。4.2圆钢管壁厚分析由图 11 可知，内部圆钢管壁厚变化对外钢管表面的温度几乎无影响，随圆钢管壁厚增加，内钢管表面历史最高温度缓慢降低。由图 12可知，内部圆钢管壁厚增加，核心混凝土的历史最高温度均有所降低，且距外钢管表面越远，降低的幅度越大。因此，圆钢管壁厚增加导致火灾后内部混凝土温度和内置圆钢管的温度降低，但降低幅值不大。4.3防火涂料厚度分析由图 13 可知，喷涂防火涂料可以明显降低火灾发生后外钢管和内钢管的温度。随防火涂料厚度增加，外钢管和内钢管的历史最高温度下降，防火涂料越厚，下降的幅度越大。喷涂过防火涂料的试件，钢管表面到达历史最高温度的时刻滞后。由图 14 可知，随防火涂料喷涂厚度增加，各截面处历史最高温度不断降低。喷涂 5 mm 厚的防火涂料，外钢管最高温度由 1 000 降到 550，距外钢管 100 mm 处混凝土的历史最高温度不超过 230，距外钢管 200 mm 处混凝土的历史最高温度不超过 150，截面形心处混凝土的历史最高温度不超过 140。喷涂防火涂料可显著降低试件各截面的历史最高温度，且防火涂料越厚，降低的幅度越大。测点距外钢管距离图 8温度测点的位置Fig.8Location of measuring points时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/1 1001 0009008007006005004003002001000外钢管内钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmCF-1 无内配圆钢管CS-3 圆钢管直径 600 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-1 圆钢管直径 400 mm图 9不同圆钢管直径下钢管表面温度-时间曲线Fig.9Surface temperature-time curve of steel tube with different diameters时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/300250200150100500CF-1 无内配圆钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmCF-1 无内配圆钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmCF-1 无内配圆钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmd=100 mmd=200 mmd=400 mm图 10不同圆钢管直径下截面各测点处温度-时间曲线Fig.10Temperature-time curve at each measuring point under different diameters of circular steel tube1087Fire Science and Technology,August 2023,Vol.42,No.8时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/1 1001 0009008007006005004003002001000外钢管内钢管CS-1 圆钢管直径 400 mmCS-2 圆钢管直径 500 mmCS-3 圆钢管直径 600 mmCF-1 无内配圆钢管CS-4 圆钢管壁厚 5 mmCS-2 圆钢管壁厚 10 mmCS-5 圆钢管壁厚 15 mm图 11不同圆钢管壁厚下钢管壁的温度-时间曲线Fig.11Surface temperature-time curve of steel tube with different wall thickness时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/300250200150100500d=100 mmd=200 mmd=400 mmCF-1 无内配圆钢管CS-4 圆钢管壁厚 5 mmCS-2 圆钢管壁厚 10 mmCS-5 圆钢管壁厚 15 mmCF-1 无内配圆钢管CS-4 圆钢管壁厚 5 mmCS-2 圆钢管壁厚 10 mmCS-5 圆钢管壁厚 15 mmCF-1 无内配圆钢管CS-4 圆钢管壁厚 5 mmCS-2 圆钢管壁厚 10 mmCS-5 圆钢管壁厚 15 mm图 12不同圆钢管壁厚下截面各测点处温度-时间曲线Fig.12Temperature-time curve at each measuring point under different wall thickness of round steel pipe时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22温度/1 1001 0009008007006005004003002001000外钢管内钢管CS-2 无防火涂料CS-6 防火涂料 5 mmCS-7 防火涂料 10 mmCS-8 防火涂料 15 mmCS-2 无防火涂料CS-6 防火涂料 5 mmCS-7 防火涂料 10 mmCS-8 防火涂料 15 mm图 13不同防火涂料厚度下钢管壁的温度-时间曲线Fig.13Surface temperature-time curve of steel tube with different fireproof coating thicknesses时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/300250200150100500CS-2 无防火涂料CS-6 防火涂料 5 mmCS-7 防火涂料 10 mmCS-8 防火涂料 15 mmCS-2 无防火涂料CS-6 防火涂料 5 mmCS-7 防火涂料 10 mmCS-8 防火涂料 15 mmCS-2 无防火涂料CS-6 防火涂料 5 mmCS-7 防火涂料 10 mmCS-8 防火涂料 15 mmd=100 mmd=200 mmd=400 mm图 14不同防火涂料厚度下截面各测点处温度-时间曲线Fig.14Temperature-time curve at each measuring point under different fireproof coating thicknesses4.4截面尺寸分析由图 15 可知，改变截面大小不影响外钢管处的温度变化，但对内钢管处的温度变化影响较大，当截面尺寸扩大一倍后，内钢管处的历史最高温度几乎降低一半，且升温、降温时的速率都有所减缓。由图 16可知，改变截面大小对核心区混凝土的温度影响更大，当截面尺寸由 400 mm 增加到 800 mm，截面核心处混凝土历史最高温度由389 降低到 166。配置圆钢管后，复式钢管混凝土试件核心混凝土历史最高温度由 389 降低到 368。5结 论本文对复式钢管混凝土柱内部截面的温度进行分析，为考虑升降温火灾全过程的耐火性能分析和火灾后的力学性能评估提供依据，通过上述分析，得到如下结论。（1）火灾后，复式钢管混凝土柱核心区混凝土的升温滞后时间分别为 1/8 截面处混凝土、1/4 截面处混凝土的4.6 倍和 1.7 倍。停火后，内部圆钢管的历史最高温度可达停火时温度的 4倍左右，内部混凝土和内钢管均出现不同程度的升温滞后现象，越靠近截面核心的位置，升温滞后越严重。（2）内配圆钢管可以降低火灾全过程内部核心混凝土的温度，对钢管混凝土柱的耐火性能有明显提高作用。（3）增加圆钢管直径和厚度可降低火灾发生后内部时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/1 1001 0009008007006005004003002001000外钢管内钢管CF-1 800800 无内置圆钢管CF-2 400400 无内置圆钢管CS-2 800800 内置圆钢管CS-9 400400 内置圆钢管图 15不同截面尺寸的钢管壁温度-时间曲线Fig.15Surface temperature-time curve of steel pipe under different sections时间/h0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24温度/450400350300250200150100500CF-1 800800 无内置圆钢管CF-2 400400 无内置圆钢管CS-2 800800 内置圆钢管CS-9 400400 内置圆钢管图 16不同截面尺寸的截面中心处温度-时间曲线Fig.16Temperature-time curve at the center of section under different sections1088消防科学与技术2023年 8 月第 42 卷第 8 期混凝土各截面处的历史最高温度。（4）喷涂防火涂料、增大截面尺寸可显著降低内钢管和内部混凝土的历史最高温度。截面尺寸由 400 mm 增加到 800 mm，截面中心混凝土的历史最高温度可降低一半以上。（5）内置圆钢管后，试件核心混凝土的历史最高温度由 389 降低到 368。参考文献：1 SHYAM-SUNDER S,GANN R G,GROSSHANDLER W L,et al.Final report on the collapse of the world trade center towersR.National Construction Safety Team Act Reports(NIST NCSTAR),2005.2 杨有福,韩林海.矩形钢管混凝土柱的耐火性能和抗火设计方法J.建筑结构学报,2004,(1):25-35.3 NEUENSCHWANDER M,KNOBLOCH M,FONTANA M.Modeling thermomechanical behavior of concretefilled steel tube columns with solid steel core subjected to fireJ.Engineering Structures,2017,136:180-193.4 吴波,傅翼飞.内置高强角钢的方钢管再生块体混凝土柱轴压及耐火性能试验研究J.建筑结构学报,2020,41(5):85-95.5 毛文婧,王文达,王景玄.三面受火的内配型钢方钢管混凝土柱火灾全过程分析J.工程力学,2016,33(S1):143-149.6 刘发起.火灾下与火灾后圆钢管约束钢筋混凝土柱力学性能研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2014.7 王卫华,张伟,白杨,等.高温下内配圆管的方钢管混凝土柱轴压力学性能J.工程力学,2018,35(3):141-150.8 LIE T T,DENHAM E M A.Factors affecting the fire resistance of circular hollow steel columns filled with bar reinforced concreteR.NRC-CNRC International Report No.651,1993.9 韩林海.钢管混凝土结构:理论与实践(第三版)M.北京:科学出版社,2016.10 韩林海,徐蕾.带保护层方钢管混凝土柱耐火极限的试验研究J.土木工程学报,2000,(6):63-69.11 叶文杰.内置高强钢管的圆钢管混凝土柱的轴压及耐火性能研究D.广州:华南理工大学,2020.Study on the temperature field of compound concrete-filled steel tube column under fireZhang Lin1,Zuo Shuai2,Wang Weihua2(1.Fuzhou Fire and Rescue Division,Fujian Fuzhou 350001,China;2.College of Civil Engineering,Huaqiao University,Fujian Xiamen 361021,China)Abstract:In order to study the temperature field variation of compound concrete-filled steel tube column during the whole process of fire rise and fall,the whole temperature field model o