火災(zāi)高溫及荷載耦合作用下鋼筋混凝土托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的變形分析

宋師雷，蘇 兵，方 猛，戴立屹，孔維一

(山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

帶轉(zhuǎn)換層的建筑結(jié)構(gòu)是復(fù)雜高層建筑中十分常見的一種結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代商業(yè)、辦公或民居一體的綜合建筑中。為實(shí)現(xiàn)這類建筑功能的要求，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)的非常規(guī)設(shè)計(jì)［1］，在上部布置小開間，下部布置大空間，即上部多用剪力墻或小柱距，下部采用較大跨度的柱網(wǎng)。轉(zhuǎn)換層或轉(zhuǎn)換構(gòu)件廣泛存在于現(xiàn)代高層建筑中，特別是綜合性建筑，因而加強(qiáng)對(duì)帶轉(zhuǎn)換層建筑的研究具有非常重要的意義。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混凝土轉(zhuǎn)換構(gòu)件的研究主要集中于抗震性能及承載力，很少涉及混凝土轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的抗火研究。鑒于托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在框架中的關(guān)鍵作用，本文運(yùn)用有限元軟件ABAQUS，模擬分析托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在高溫及荷載耦合作用下的受力變形。

圖1 框架模型節(jié)點(diǎn)編號(hào)及房間編號(hào)

1 受火工況及分析模型

1.1 火災(zāi)工況設(shè)計(jì)

考慮火災(zāi)發(fā)生的偶然性，共設(shè)計(jì)了14種工況進(jìn)行分析，見圖1及表1。

表1 受火工況

工況1～4為單室火災(zāi)，柱設(shè)計(jì)為三面受火，受火區(qū)上部梁為三面受火，下部梁為單面受火;工況5～8為兩房間火災(zāi)，受火中柱為四面受火，其余梁柱同工況1～4;工況9～11為三房間火災(zāi)，受火中柱及中梁為四面受火，其余梁柱同工況1～4;工況12～13為四房間火災(zāi)，梁柱同工況9～11;工況14為整體火災(zāi)，梁柱同工況9～11。

1.2 ABAQUS有限元分析模型

1)框架的有限元分析模型

框架的有限元分析模型見圖2。

2)鋼材的本構(gòu)模型

鋼材的本構(gòu)模型選用文獻(xiàn)［2］中的雙折線模型，服從Von Mises屈服準(zhǔn)則。

3)混凝土的本構(gòu)模型

隨著溫度的提高，高溫作用后混凝土的變形曲線漸趨扁平，峰點(diǎn)明顯下降且右移［3］。峰點(diǎn)比常溫下應(yīng)力—應(yīng)變曲線的峰點(diǎn)低得多。采用文獻(xiàn)［4］給出的應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系，全曲線表達(dá)式為

圖2 框架模型

式中 fc為混凝土軸心設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，N/mm2;fcT為溫度T時(shí)的混凝土軸心設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度，N/mm2;σ為混凝土的壓應(yīng)力;ε為混凝土的壓應(yīng)變;ε0為混凝土壓應(yīng)力達(dá)到fc時(shí)的混凝土壓應(yīng)變，當(dāng)ε0＜0.002時(shí)，取為0.002;ε0T為溫度T時(shí)的混凝土壓應(yīng)力達(dá)到fc時(shí)的混凝土壓應(yīng)變。

4)升溫曲線

采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO834)建議的結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火試驗(yàn)曲線［5］，如圖3所示，具體公式為

式中 T0為試驗(yàn)爐內(nèi)的初始溫度;T為燃燒開始時(shí)間t后爐內(nèi)空氣的平均溫度;t為升溫時(shí)間，min。

圖3 ISO834國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

2 有限元分析及結(jié)果

通過ABAQUS有限元軟件對(duì)托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)框架模型進(jìn)行非線性分析，分析結(jié)果見圖4～6。

圖4 托梁位移—時(shí)間曲線(托梁與邊柱交叉點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)10)

由圖4～6可知:

1)在荷載單獨(dú)作用下，節(jié)點(diǎn)10的豎向位移為－0.176 584 mm，節(jié)點(diǎn)11的豎向位移為－0.572 33 mm，而托梁跨中節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)10與11中間)的豎向位移為－0.411 481 mm。由此看來，在荷載單獨(dú)作用下，托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)位移最大的是節(jié)點(diǎn)11，即托梁與中柱交叉點(diǎn)，也是托梁變形最大的節(jié)點(diǎn)。升溫前期，受火房間向外膨脹變形，導(dǎo)致周圍結(jié)構(gòu)發(fā)生向上、向外膨脹變形，結(jié)構(gòu)以熱膨脹變形為主。由于受火梁的熱膨脹，各柱發(fā)生明顯的向外膨脹變形。升溫后期，相對(duì)于常溫部分，結(jié)構(gòu)受火部位的變形顯著增加，主要是由于材料高溫軟化所致。達(dá)到耐火極限時(shí)，結(jié)構(gòu)受火部分相對(duì)常溫部分的變形進(jìn)一步增加和集中，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為局部變形過大而破壞。

圖5 托梁位移—時(shí)間曲線(托梁中點(diǎn))

圖6 托梁位移—時(shí)間曲線(托梁與中柱交叉點(diǎn)，即節(jié)點(diǎn)11)

2)在火災(zāi)高溫及荷載耦合作用下，工況4、8、11、14框架節(jié)點(diǎn)位移—時(shí)間曲線呈上升趨勢(shì)，且在100 min之前上升迅速，過了100 min曲線上升緩慢，這與標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的溫度上升有關(guān)，位移的變化與框架受火溫度有關(guān)，溫度上升快，相應(yīng)的位移增長(zhǎng)也相對(duì)較快。盡管受熱過程中梁經(jīng)歷了橫向撓曲和材料軟化，仍表現(xiàn)為熱膨脹變形為主。由此可見，梁的熱膨脹變形仍是結(jié)構(gòu)變形的主要因素。

3)工況4、8、11、14與其它工況明顯不同，從受火工況看，工況4、8、11、14中，托梁是受火梁，處于框架結(jié)構(gòu)的底層，由于受火梁的熱膨脹，邊柱發(fā)生明顯的向外膨脹變形，從而導(dǎo)致托梁的豎向位移隨溫度升高而增大，受火影響比較明顯;其它工況托梁沒有直接受火，位移受火災(zāi)的影響比較小。因此，結(jié)構(gòu)的變形主要是由受火房間構(gòu)件特別是三面受火梁的材料軟化和四面受火柱的失穩(wěn)所致。

4)工況4的托梁與中柱交點(diǎn)位移明顯大于其它工況，主要是單室受火梁的熱膨脹所致，其它工況中，豎向位移明顯要比其它節(jié)點(diǎn)小，這與荷載及重力荷載作用有關(guān)。

3 托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)抗火實(shí)用設(shè)計(jì)建議

1)單室火災(zāi)下，當(dāng)受火房間位于結(jié)構(gòu)中部時(shí)，托梁中部撓度較大，結(jié)構(gòu)損傷較為嚴(yán)重，常溫區(qū)結(jié)構(gòu)抗火驗(yàn)算時(shí)可將最不利火災(zāi)布置在結(jié)構(gòu)中部。

2)因?yàn)槎嗍一馂?zāi)托梁耐火極限小于單室火災(zāi)，而且多室火災(zāi)耐火極限取決于四面受火柱的耐火極限，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可選擇底層及二層的三室火災(zāi)工況進(jìn)行計(jì)算。

3)火災(zāi)作用下，托梁與中柱交叉點(diǎn)是托梁變形最大的節(jié)點(diǎn)，因此進(jìn)行托梁設(shè)計(jì)時(shí)，要特別加強(qiáng)梁柱節(jié)點(diǎn)配筋設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1)達(dá)到耐火極限前，結(jié)構(gòu)的變形模式主要受火梁和受火柱熱膨脹的影響，受火梁的熱膨脹變形是結(jié)構(gòu)變形的主要原因。

2)受火后期，托梁結(jié)構(gòu)的變形主要集中在受火部分(單室火災(zāi))及以上部分(多室火災(zāi))，結(jié)構(gòu)的變形主要是由于受火房間構(gòu)件特別是三面受火梁的材料軟化和四面受火柱的失穩(wěn)所致。

3)托梁與中柱的交點(diǎn)受到荷載及重力荷載作用比較明顯，也是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

4)多室火災(zāi)，特別是當(dāng)受火房間位于結(jié)構(gòu)底層時(shí)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的火災(zāi)安全影響更大。

［1］唐興榮.高層建筑轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50010—2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

［3］于德帥.預(yù)應(yīng)力型鋼混凝土結(jié)構(gòu)耐火性能試驗(yàn)研究［D］.濟(jì)南:山東建筑大學(xué)，2011.

［4］陸洲導(dǎo).鋼筋混凝土梁對(duì)火災(zāi)反應(yīng)的研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，1989.

［5］International Standard ISO834.Frie-Resistance Tests Elements of Building Construction［S］.