鋼框架在高溫作用下的失效分析

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(1.太原理工大學(xué) 陽泉學(xué)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 030001)

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。除耐腐蝕性差之外，耐火性差也是鋼結(jié)構(gòu)的一大缺點。鋼結(jié)構(gòu)雖非燃燒體，但鋼不耐火，當(dāng)溫度為400 ℃時，鋼材的屈服強(qiáng)度將降至室溫下強(qiáng)度的一半；溫度達(dá)到600 ℃時，鋼材基本喪失全部強(qiáng)度和剛度。因此，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，對高溫作用下的鋼框架進(jìn)行失效分析。

1 單層單跨鋼框架模型的建立

應(yīng)用ANSY軟件建立鋼框架模型，具體情況如下：

(1)跨度：6 m，層高：3 m。

(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)件的表面積與體積之比。

(3)荷載：梁頂q=30 kN/m，柱頂Q=1 000 kN。

(4)梁柱單元：均為Beam3單元。

2 高溫下計算參數(shù)的選取

(2)密度：7 850 kg/m3。

(3)比熱和熱傳導(dǎo)系數(shù)：根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)委員會(CEN)的建議選用。比熱如表1所示，熱傳導(dǎo)系數(shù)如表2所示。

表1 CEN建議的高溫下鋼材的比熱[1-2]

表2 CEN建議的高溫下鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)[1-2]

(4)高溫作用下的力學(xué)模型參數(shù)：采用CEN建議的高溫下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變折減參數(shù)，如表3所示。其中：Kyθ=fyθ/fy為屈服應(yīng)力之比；Kpθ=fpθ/fp為比例極限之比；KEθ=Eαθ/Eα為彈性模量之比。

表3 CEN建議的高溫下鋼材應(yīng)力-應(yīng)變折減參數(shù)[1-2]

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(zhǔn)則

根據(jù)GB 50068—2001《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》[3]關(guān)于極限狀態(tài)的設(shè)計原則，本文所采用的破壞準(zhǔn)則為：①柱破壞或梁整體失穩(wěn)；②梁的跨中撓度超過跨度的1/30。

3.2 建立ANSYS分析模型并加載求解

鋼框架截面溫度場的分析類型為瞬態(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)。變形分析類型為靜力非線性分析。

3.3 分析結(jié)果

(1)梁腹板、翼緣溫度隨時間的變化如表4所示。

表4 梁腹板、翼緣溫度隨時間的變化

(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5所示。

圖1 高溫作用下的破壞過程

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4 數(shù)據(jù)分析

從圖1和表5的分析數(shù)據(jù)可知：在0～20 min之間，雖然梁、柱有些部位變形過大，但尚未破壞；到21 min時，框架柱局部突然失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞，所以模型的耐火極限是20 min。而此時梁上翼緣、腹板和下翼緣的溫度分別為166.6 ℃、661.6 ℃和527.1 ℃，柱翼緣和腹板的溫度分別為394.6 ℃和607.6 ℃，故可認(rèn)為模型二梁的臨界溫度為527.1 ℃，柱的臨界溫度為394.6 ℃。

參考文獻(xiàn)：

[1] ENV1993-1-2：2001，Eurocode3：Designofsteelstructures—Part1.2：Generalrules—Structuralfiredesign[S].

[2] 蔣首超，李國強(qiáng).局部火災(zāi)下鋼框架溫度內(nèi)力的實用計算方法[J].工業(yè)建筑，2000，30(9)：56-61，82.

[3] GB 50068—2001，建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001.