標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下U型鋼-混凝土梁的耐火性能

高軒能, 朱皓明, 黃文歡

(華僑大學(xué)土木工程學(xué)院,福建泉州 362021)

U型鋼-混凝土組合梁由冷彎薄壁型鋼截面填充混凝土或鋼筋混凝土組成,可充分發(fā)揮薄壁型鋼和混凝土2種材料的優(yōu)點(diǎn),無需模板且易于澆灌混凝土,除具有外形整潔和施工快捷等優(yōu)點(diǎn)外,還具有降低樓層高度、承載力高、延性和抗震性能好等優(yōu)點(diǎn),是一種經(jīng)濟(jì)美觀、節(jié)能省材、符合低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨勢并有廣闊應(yīng)用前景的新型構(gòu)件[1-2]。填充混凝土或鋼筋混凝土不僅改善了U型鋼的局部屈曲性能,提高了其整體承載力,而且對其熱工性能參數(shù)和耐火性能有很大影響。顯然,現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)耐火和抗火設(shè)計(jì)理論均不適用于此類構(gòu)件。對于其在常溫下的靜力承載性能,國內(nèi)外學(xué)者已有部分研究[3-5],但對其在火災(zāi)高溫下的溫升特性及耐火性能的相關(guān)報(bào)道不多[6-9]。

火災(zāi)下U型鋼-混凝土組合梁的傳熱是在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下多介質(zhì)及復(fù)雜邊界條件下的非線性二維傳熱問題,構(gòu)件的耐火性能與防火保護(hù)、材料熱工性能和受火情況等條件有關(guān)。本文采用在空間上運(yùn)用有限單元與在時(shí)間上運(yùn)用有限差分法相結(jié)合的方法,應(yīng)用ANSYS熱分析程序,對薄壁 U型鋼-混凝土組合梁在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下的耐火性能進(jìn)行分析與計(jì)算。

1 熱分析模型的建立及驗(yàn)證

1.1 分析條件及假定

研究簡支U型鋼-混凝土組合梁在室內(nèi)火災(zāi)環(huán)境下的耐火性能,采用ISO-834標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線描述構(gòu)件的火災(zāi)環(huán)境[10],升溫段公式為：

其中,t為時(shí)間;θg為 t時(shí)刻的空氣溫度;θg(0)為初始空氣溫度。

標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下,U型鋼-混凝土組合梁視為連續(xù)、各向同性、無內(nèi)熱源的無限長梁,為二維溫度場問題,傳熱方式按對流換熱和輻射換熱考慮。

單位時(shí)間內(nèi),空氣向構(gòu)件對流傳遞的熱量為：

其中,αc為對流傳熱系數(shù);θb為構(gòu)件表面(或保護(hù)層)溫度。單位時(shí)間內(nèi),空氣向構(gòu)件輻射傳遞的凈熱量為：

其中,φ為形狀系數(shù);εr為綜合輻射系數(shù),εr=εfεm,εf、εm 分別與著火房間、構(gòu)件表面特性有關(guān);σ為Stefan-Boltzmann常數(shù),5.67×10-8W/(m2?K4)。

構(gòu)件內(nèi)部則主要以導(dǎo)熱方式傳遞熱量,截面的導(dǎo)熱微分方程為：

其中,ρ為介質(zhì)密度;c為介質(zhì)比熱容;λ為介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù);θ為截面(x,y)處在時(shí)刻t的溫度。

為便于分析計(jì)算,對構(gòu)件進(jìn)行熱分析時(shí)做如下假定：①構(gòu)件截面的溫度場與材料的應(yīng)力、應(yīng)變及開裂無關(guān),即不考慮混凝土開裂或表層脫落后的截面局部變化引起的溫度重分布;②構(gòu)件截面的溫度場是二維的,沿構(gòu)件的軸線不變;③忽略鋼材與混凝土之間接觸熱阻對組合梁構(gòu)件傳熱的影響;④忽略鋼筋體積對構(gòu)件截面溫度場的影響;⑤一般情況下,不考慮水分蒸發(fā)對溫度場的影響。

1.2 參數(shù)選取及熱邊界條件

根據(jù)研究對象特性,本文在熱分析中采用輻射傳熱與對流傳熱分開考慮,參考文獻(xiàn)[11]的邊界條件假定和邊界參數(shù)取值,熱分析參數(shù)的具體取值見表1所列。

表1 熱分析系數(shù)

在計(jì)算模型中,采用PLANE55單元?？紤]到U型鋼-混凝土組合梁截面的對稱性,取梁截面的1/2進(jìn)行分析。單元尺度大小取5 mm×5 mm左右,單元網(wǎng)格與熱邊界條件如圖1所示。

圖1 單元網(wǎng)格與熱邊界條件

1.3 熱分析模型的驗(yàn)證

型鋼-混凝土組合扁梁截面在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)作用下的溫度場結(jié)果[12],可以為本文計(jì)算模型提供驗(yàn)證依據(jù)。組合扁梁截面尺寸和溫度-時(shí)間曲線計(jì)算點(diǎn)如圖2所示,計(jì)算時(shí)考慮了邊界的對流和輻射換熱、含水率及界面熱阻的影響。文獻(xiàn)[12]采用有限差分法計(jì)算,本文采用ANSYS建模進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果的比較如圖3所示。

從圖3可見,本文熱分析模型的ANSYS計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[12]結(jié)果吻合很好,計(jì)算點(diǎn)1、2和3的溫度-時(shí)間歷程曲線幾乎完全吻合,表明本文所建立的傳熱模型合理,編制的計(jì)算程序適用于U型鋼-混凝土組合梁構(gòu)件的耐火性能分析。

圖2 文獻(xiàn)[12]組合梁截面及溫度場計(jì)算點(diǎn)

圖3 本文模型與文獻(xiàn)[12]計(jì)算結(jié)果的比較

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與討論

2.1 無防火保護(hù)組合梁的耐火特性計(jì)算

U型鋼梁寬b1=150 mm,翼緣寬b2=50 mm,混凝土板寬 b3=600 mm,混凝土板高h(yuǎn)1=80 mm,U型鋼梁高h(yuǎn)2=300 mm,鋼梁腹板及翼緣板厚d1=d2=3 mm,混凝土材料為硅質(zhì)混凝土,火災(zāi)環(huán)境溫度按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線變化,無防火保護(hù)層。按本文上述方法建模,單元網(wǎng)格及熱邊界條件如圖1所示,熱分析參數(shù)見表1所列。組合梁截面的ANSYS熱分析計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

從圖4a可以看出,對于無防火保護(hù)的U型鋼混凝土組合梁,在受火30 min時(shí),截面角部鋼板(耐火最不利點(diǎn))的溫度就可達(dá)到600℃以上,鋼梁截面開始喪失承載力,靠近鋼梁的內(nèi)部混凝土溫度也可達(dá)到600℃以上,表明組合梁基本已達(dá)到其耐火極限,喪失了繼續(xù)承載的能力。

圖4 無防火涂層組合梁截面的溫度場

2.2 有防火保護(hù)組合梁的耐火特性計(jì)算

有防火保護(hù)組合梁的 b1、b2、b3 、h1 、h2 同無防火保護(hù)組合參數(shù),混凝土材料與火災(zāi)環(huán)境溫度的變化同2.1,采用厚涂型防火涂料,dcover=6 mm,防火涂料的熱工性能為：λ=0.116 W/(m?K),c=1.047×103J/(kg?K),ρ=(400±20)kg/m3。編制ANSYS熱分析程序,計(jì)算了組合梁截面的溫度分布,如圖5所示。

圖5 有防火涂層組合梁截面的溫度場

從圖5可知,對于有厚涂型防火涂料保護(hù)的組合梁,在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下受火30 min時(shí),組合梁截面的溫度升高很小,鋼梁的溫度不到300℃,截面在正常溫度范圍內(nèi)工作;60 min時(shí)鋼梁和內(nèi)部混凝土進(jìn)入高溫工作階段,截面角部的溫度為250～450℃,組合梁的承載性能尚好;90 min時(shí)鋼梁和內(nèi)部混凝土進(jìn)入高溫工作階段,截面角部溫度為450～600℃,組合梁的承載性能開始進(jìn)入極限狀態(tài);120 min時(shí),曝火面保護(hù)層下的鋼板達(dá)到喪失其承載力的溫度,組合梁內(nèi)部混凝土的溫度為500～650℃,組合梁喪失了承載能力,表明防火涂層可有效阻擋高溫的傳遞,但耐火時(shí)間取決于防火涂層厚度(本文僅為6 mm)。

2.3 填充混凝土對組合梁鋼板升溫的影響

U型鋼-混凝土組合梁的內(nèi)填充混凝土對鋼板有吸熱作用,可改善組合梁的耐火特性。對該組合梁按不考慮填充混凝土吸熱和考慮混凝土吸熱2種情況在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)條件下的溫升特性進(jìn)行模擬,計(jì)算模型和邊界條件同前所述。構(gòu)件的截面形狀系數(shù)F/V＜10時(shí),鋼構(gòu)件溫度按截面溫度非均勻分布計(jì)算,F/V＞300時(shí),鋼構(gòu)件溫度按等于空氣溫度考慮[10]。為了便于比較分析填充混凝土對 U型鋼-混凝土梁耐火性能的影響,選取如圖6所示U型鋼截面不同位置處的鋼板溫度作為計(jì)算點(diǎn)。ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)條件下,不考慮填充混凝土吸熱和考慮混凝土吸熱2種情況下的組合梁鋼板計(jì)算點(diǎn)的溫度變化情況見表2所列(U型鋼截面鋼板厚度d1=d2=3 mm)。

圖6 U型鋼截面鋼板溫度計(jì)算點(diǎn)

表2 填充混凝土對U型鋼-混凝土梁耐火特性的影響

從表2可以看出,填充混凝土?xí)r,U型鋼各個計(jì)算點(diǎn)處鋼板的溫度均顯著比不填充混凝土?xí)r低,特別是在火災(zāi)升溫前期(受火前30 min內(nèi)),填充混凝土的存在對組合梁的耐火性能非常有利。無填充鋼梁在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下10 min即達(dá)到678.43℃,15 min可達(dá)到730℃,基本喪失承載能力。而對于填充了混凝土的U型鋼-混凝土組合梁,以最不利位置角點(diǎn)C來說,由于混凝土的吸熱作用,無防火保護(hù)的組合梁在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下受火10 min時(shí),鋼梁的溫度降低約50%,受火20 min時(shí)降低約23%,受火30 min時(shí)升溫到730.89℃,降低約13%,約有15 min的溫升延時(shí)。而整個型鋼截面的溫度變化是不均勻的,截面的其他位置溫度降低更多。由此表明,由于混凝土的吸熱效應(yīng),無防火保護(hù)的U型鋼-混凝土組合梁的耐火性能比一般鋼-混凝土組合梁好。

3 結(jié) 論

本文通過在空間上運(yùn)用有限單元與在時(shí)間上運(yùn)用有限差分法相結(jié)合的方法,應(yīng)用ANSYS編制熱分析程序,分析計(jì)算了U型鋼-混凝土組合梁在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下和不同防火保護(hù)條件下截面的溫度變化情況,可以得出如下結(jié)論。

(1)在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下,無論有無防火保護(hù),填充混凝土都使 U型鋼-混凝土組合梁截面的溫度分布不均勻,該梁的耐火特性不同于普通型鋼-混凝土組合梁,也不同于鋼筋混凝土梁,用給定臨界溫度來判定組合梁是否達(dá)到耐火極限的方法偏于保守,并不完全適用。

(2)填充混凝土對改善U型鋼-混凝土組合梁的耐火性能有利,無論有無防火保護(hù),混凝土的吸熱效應(yīng)可有效降低鋼梁截面的溫度,產(chǎn)生溫升延時(shí)效應(yīng)。在ISO-834標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)升溫前期(約前30 min),無防火保護(hù)的U型鋼-混凝土組合梁考慮混凝土吸熱效應(yīng)時(shí),與鋼梁相比組合梁鋼板的溫升降低幅度可達(dá)到15%～60%,溫升延時(shí)可達(dá)15 min左右。

(3)U型鋼-混凝土組合梁應(yīng)用于有防護(hù)要求的工程時(shí),應(yīng)進(jìn)行防火保護(hù)。U型鋼外角點(diǎn)處為耐火性能最不利點(diǎn),應(yīng)特別注意該處的防火保護(hù)。研究結(jié)果可為U型鋼-混凝土組合梁的抗火性能研究提供參考。

[1]張耀春,毛小勇,曹寶珠.輕鋼-混凝土組合梁的試驗(yàn)研究及非線性有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2003,24(1)：26-33.

[2]宗周紅,魏潮文,程浩德.帽型截面鋼-混凝土組合梁的試驗(yàn)研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2003,33(7)：29-33.

[3]張 妤,周 安.鋼-混凝土組合梁附加撓度的能量法分析[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007,30(3)：304-307.

[4]王 進(jìn),高軒能.考慮滑移效應(yīng)的薄壁型鋼混凝土組合梁抗彎承載能力分析[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,30(4)：443-448.

[5]沈建華,高軒能,周期源.滑移對薄壁U型鋼-混凝土組合梁撓度的影響[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2009,30(5)：557-562.

[6]李國強(qiáng),吳 波,韓林海.結(jié)構(gòu)抗火研究進(jìn)展與趨勢[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2006,8(1)：1-13.

[7]毛小勇,肖 巖.標(biāo)準(zhǔn)升溫下輕鋼-混凝土組合梁的抗火性能研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2006,32(2)：64-70.

[8]周宏宇,李國強(qiáng),王銀志.影響組合梁抗火性能的兩個因素分析[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展,2006,8(5)：40-45.

[9]高軒能,陳明華,王 進(jìn).薄壁槽型鋼-混凝土梁在標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)下的溫升特性[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2008,36(3)：430-435.

[10]李國強(qiáng),韓林海,樓國彪,等.鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2006：275-279.

[11]Kruppa J,Zhao B.Fire resistance of composite beams to Eurocode 4,Part 1.2[J].Journal of Constructional Steel Research,1995,33：51-69.