鋼框架在高溫作用下的失效分析①

張永生， 孟勝國， 寧世龍

(1.太原理工大學陽泉學院建筑工程系，山西 陽泉 045000;2.山西省電力勘測設(shè)計院，山西 太原 030000)

0 引言

鋼結(jié)構(gòu)作為一種蓬勃發(fā)展的結(jié)構(gòu)體系，其優(yōu)點有目共睹，但其缺點也不容忽視.除耐腐蝕性差外，耐火性差也是鋼結(jié)構(gòu)的一大缺點.鋼結(jié)構(gòu)一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)很容易遭受破壞而倒塌.本文以一單層單跨鋼框架模型為算例，利用ANSYS軟件，對鋼框架在高溫作用下進行了失效分析.

1 單層單跨鋼框架模型建立

應(yīng)用ANSY軟件建立鋼框架模型，具體情況如下.

(1)跨度:6m，層高:3m;

(2)梁截面:H300×200×8×12，三面受火，F(xiàn)/V=169;柱截面:H350×350×12×20，四面受火，F(xiàn)/V=117(F/V為構(gòu)件的截面形狀系數(shù)，為單位長度構(gòu)件表面積與體積之比)[1];

(3)荷載:梁頂q=30KN/m，柱頂Q=l000KN;

(4)梁柱單元:均為Beam3單元.

2 高溫下計算參數(shù)選取

(1)高溫下鋼材的熱膨脹系數(shù):根據(jù)ECCS建議，取高溫下鋼材的熱膨脹系數(shù)為:

(2)密度為7850Kg/m3

(3)比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù):根據(jù)CEN建議選用[2].

(4)高溫作用下的力學模型參數(shù):

采用CEN建議的高溫下鋼材應(yīng)力一應(yīng)變折減參數(shù)，其中Kyθ=fyθ/fp為屈服應(yīng)力之比，Kpθ=fpθ/fp為比例極限之比，KEθ=Eθ/Eα為彈性模量之比.如表1所示.

表1 CEN建議的高溫下鋼材應(yīng)力一應(yīng)變折減參數(shù)[2]

3 鋼框架在高溫下的失效分析

3.1 高溫下鋼框架的破壞準則

由《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》中極限狀態(tài)設(shè)計的原則，本文所采用的破壞準則為:

(1)柱發(fā)生破壞或梁發(fā)生整體失穩(wěn);(2)梁的跨中撓度大于梁跨度的1/30.

3.2 建立ANSY分析模型并加載求解

鋼框架截面溫度場的分析類型為是瞬態(tài)熱分析.定義初始溫度為20℃，導(dǎo)熱系數(shù)采用前述的導(dǎo)熱系數(shù).變形分析分析類型為靜力非線性分析.

3.3 分析結(jié)果數(shù)據(jù)

(1)粱腹板、翼緣溫度隨時間的變化如表2所示.

表2 梁腹板、冀緣溫度隨時間的變化表

(2)鋼框架在高溫作用下隨時間的變形如圖1所示，梁柱各結(jié)點的位移如表3所示.

表3 柱、梁結(jié)點位移(位移:mm;時間:min)

圖1 高溫作用下的破壞過程

3.4 數(shù)據(jù)分析

從圖1和表3的分析數(shù)據(jù)可知:在0～20分鐘之間，梁、柱有些部位變形雖較大，但沒有發(fā)生破壞，到第21分鐘，框架柱的局部突然發(fā)生失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體發(fā)生破壞，因此模型的耐火極限為20分鐘.而此時梁上翼緣、腹板和下翼緣的溫度分別為為166.6℃ ，661.6℃和527.1℃柱翼緣和腹板的溫度為394.6℃和607.6℃，故可認為模型二梁的臨界溫度為527.1℃，柱的臨界溫度為394.6℃.

[1]中華人民共和國國家標準.建筑設(shè)計防火規(guī)范(GB50016－2012)[M].北京:中國計劃出版社.

[2]Euroedoe3.Design of Steel Sturctures.Part1.2;Generalurles/Sturetural Fire Design.ENV1993 －1 －2 ，Oetober2001.

[3]蔣首超、李國強.局部火災(zāi)下鋼框架溫度應(yīng)力的實用計算方法[J].工業(yè)建筑，2000－9.

[4]胡于進，王璋奇編著.有限元分析及應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社，2009.