鋼管混凝土組合平面框架結(jié)構(gòu)熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

劉瀟 尹燕

(1.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川綿陽 621010;2.成都市溫江區(qū)現(xiàn)代服務(wù)業(yè)園區(qū)管委會(huì)，四川成都 610000)

0 引言

鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)，它是由壓型鋼板—混凝土組合樓板(或鋼筋混凝土樓板)、鋼—混凝土組合梁、鋼管混凝土柱或型鋼混凝土柱組成。該種結(jié)構(gòu)形式同鋼結(jié)構(gòu)相比，可以節(jié)省用鋼量和增強(qiáng)耐久性等;同混凝土結(jié)構(gòu)相比，具有承載力高、塑性和韌性好、抗震性能好、施工方便以及造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，近年來在一些工業(yè)建筑、高層以及超高層建筑結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用［1-3］。

雖然鋼結(jié)構(gòu)及鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)相比優(yōu)勢(shì)明顯，但耐火問題始終是一大隱患。高溫對(duì)結(jié)構(gòu)材料的性能特別是力學(xué)性能具有顯著的影響。如結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度和彈性模量會(huì)隨溫度的上升而下降，當(dāng)溫度超過550℃時(shí)，鋼材的強(qiáng)度迅速下降，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度也明顯下降。混凝土在火災(zāi)高溫下會(huì)發(fā)生爆裂，其強(qiáng)度和剛度也會(huì)降低。當(dāng)建筑采用無防火保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)或鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)時(shí)，一旦發(fā)生火災(zāi)，很容易損壞甚至倒塌［4］。

因此，為了深入了解組合結(jié)構(gòu)整體的抗火性能，本文采用數(shù)值模擬方法，運(yùn)用大型有限元軟件ANSYS對(duì)組合平面框架進(jìn)行了熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，得到結(jié)構(gòu)整體抗火性能。

1 建模方法

本文選取一個(gè)較為典型的3層3跨鋼管混凝土柱—鋼梁組合平面框架結(jié)構(gòu)作為本文的計(jì)算模型。該結(jié)構(gòu)層高為3 m，跨度5 m，梁柱節(jié)點(diǎn)采用剛性連接，柱腳固定，模型見圖1;梁柱截面尺寸見圖2。結(jié)構(gòu)材料為C40混凝土，Q345鋼。

圖1 計(jì)算模型

在對(duì)結(jié)構(gòu)梁柱溫度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)，假設(shè)房間1為受火房間，且結(jié)構(gòu)均無防護(hù)保護(hù)。由于房間之間通過防火墻隔開，因此火災(zāi)發(fā)生時(shí)，只會(huì)導(dǎo)致受火房間內(nèi)部發(fā)生熱傳導(dǎo)，其他非受火房間溫度基本保持不變。

用ANSYS軟件對(duì)平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱—結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)，混凝土采用Solid65單元，鋼材采用Solid45單元?？紤]結(jié)構(gòu)自重，并在梁上作用線荷載。分兩步進(jìn)行:第一步先將外荷載施加到結(jié)構(gòu)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力計(jì)算;第二步讀取熱分析的結(jié)果，即將熱分析得到的結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度作為體荷載分多個(gè)荷載步施加到結(jié)構(gòu)上，從而求解結(jié)構(gòu)在靜荷載與溫度荷載作用下的響應(yīng)。

圖2 梁柱尺寸詳圖

2 組合平面框架結(jié)構(gòu)熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

在之前工作中，對(duì)受火時(shí)梁柱的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，將計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度荷載導(dǎo)入到力學(xué)模型中，繼續(xù)對(duì)平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，從而得到組合結(jié)構(gòu)整體的抗火性能。進(jìn)行耦合分析時(shí)混凝土采用Solid65單元，鋼材采用Solid45單元?？紤]結(jié)構(gòu)自重，并在梁上作用47 kN/m的線荷載。

2.1 結(jié)構(gòu)耐火極限及極限溫度分析

對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱—結(jié)構(gòu)耦合分析后，得到了受火梁的撓度—時(shí)間曲線、溫度—時(shí)間曲線，分別見圖3，圖4。

圖3 受火跨梁撓度—時(shí)間曲線

圖4 受火跨梁溫度—時(shí)間曲線

由圖3可以看出，底層邊跨房間(房間1)在受火初期，鋼梁的溫度雖然在不斷上升，但是在這一階段，溫度對(duì)鋼梁剛度的影響并不明顯，因此鋼梁在其自重和均布線荷載的作用下?lián)隙茸兓⒉幻黠@。如圖3所示，當(dāng)?shù)讓舆吙绶块g(房間1)受火時(shí)間超過480 s后，梁撓度開始出現(xiàn)較為急劇的下降趨勢(shì)。之所以會(huì)出現(xiàn)以上現(xiàn)象是因?yàn)榻?jīng)過480 s的升溫，梁上的溫度已經(jīng)達(dá)到了480℃左右(如圖4所示)，當(dāng)鋼材的溫度超過400℃后，鋼材的強(qiáng)度與彈性模量開始顯著下降［5］，隨著梁強(qiáng)度的不斷下降，總會(huì)出現(xiàn)這樣一個(gè)時(shí)刻，即梁某個(gè)部位的強(qiáng)度恰好等于此時(shí)的應(yīng)力，這時(shí)梁便進(jìn)入了塑性;梁進(jìn)入塑性以后，其在外部荷載的作用下?lián)隙染蜁?huì)急劇增加，當(dāng)梁產(chǎn)生的變形過大后就不再適合繼續(xù)承載，視為結(jié)構(gòu)進(jìn)入了極限狀態(tài)。

圖5給出了底層邊跨房間(房間1)著火時(shí)，底層邊跨柱頂?shù)乃轿灰齐S時(shí)間的變化曲線。從圖5可知，從升溫開始到升溫結(jié)束，底層邊柱柱頂?shù)乃轿灰剖遣粩嘣黾拥?。這是因?yàn)閺姆块g著火開始，梁由于受熱膨脹，產(chǎn)生了沿梁兩端向外的溫度應(yīng)力，這個(gè)力通過節(jié)點(diǎn)傳至柱頂，柱受到此荷載即推力，雖然梁在豎向線荷載作用下會(huì)對(duì)柱產(chǎn)生向內(nèi)的拉力，但此力的作用效果沒有上述推力明顯，因此柱頂所受合力仍為推力。與此同時(shí)，處在受火環(huán)境中的柱，其抗側(cè)剛度也會(huì)隨著溫度的升高而降低。正是由于這兩方面的原因才會(huì)使底層邊跨柱柱頂產(chǎn)生沿梁端向外的水平位移(規(guī)定水平位移方向沿梁端向內(nèi)為正)。從圖5可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)，邊跨柱柱頂最大水平位移值為31.25 mm。

圖5 底層邊跨柱頂水平位移—時(shí)間曲線

根據(jù)判別結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)的方法可知:當(dāng)梁跨中撓度達(dá)到l×1/30=5 000×1/30=167 mm時(shí)，結(jié)構(gòu)達(dá)到不適于繼續(xù)承載的整體變形。由圖3可知，當(dāng)梁撓度達(dá)到167 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為1 320 s。

根據(jù)圖4中梁的溫度—時(shí)間曲線可以得到，當(dāng)受火時(shí)間為1 320 s時(shí)，結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的溫度為754.98℃。

再看橫向變形，當(dāng)取受火時(shí)間為1 320 s時(shí)，由圖5可知，結(jié)構(gòu)的水平位移為31.19 mm＜h×1/30=3 000×1/30=100 mm，因此水平位移對(duì)結(jié)構(gòu)是否達(dá)到極限狀態(tài)不起控制作用。

綜上可知，結(jié)構(gòu)整體的耐火極限為1 320 s;結(jié)構(gòu)臨界溫度為754.98℃，且豎向位移對(duì)結(jié)構(gòu)抗火性能起控制作用。

2.2 火災(zāi)下結(jié)構(gòu)破壞的形態(tài)及模式

鋼管混凝土框架結(jié)構(gòu)從升溫開始至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)后的最終變形如圖6所示，受火房間變形見圖7。

圖6 結(jié)構(gòu)最終整體變形圖

圖7 受火房間變形圖

當(dāng)梁的變形超過容許值后便會(huì)導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)進(jìn)入極限狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生破壞。從圖6可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)受火跨梁不僅產(chǎn)生了較大的撓度，同時(shí)也發(fā)生了一定的扭轉(zhuǎn)變形;受火跨鋼管混凝土柱水平方向雖然也產(chǎn)生了一定位移，但并不明顯，位移值在32 mm左右。

圖8給出了結(jié)構(gòu)達(dá)到抗火極限狀態(tài)時(shí)，節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布及破壞模式。由圖8可知，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞時(shí)梁翼緣根部處發(fā)生了應(yīng)力集中，塑性鉸發(fā)生在梁端區(qū)域。與此同時(shí)，鋼梁兩端靠近節(jié)點(diǎn)處的下翼緣與腹板均出現(xiàn)了局部屈曲的現(xiàn)象。下翼緣發(fā)生局部屈曲的主要原因是由于鋼梁兩端均采用了剛性連接，且梁下翼緣升溫速度要大于上翼緣，當(dāng)下翼緣受熱后發(fā)生膨脹，致使兩端約束對(duì)梁產(chǎn)生較大的壓力。隨溫度逐漸增大，鋼材力學(xué)性能逐漸降低，當(dāng)鋼梁下翼緣壓應(yīng)力大于火災(zāi)下鋼材的屈服強(qiáng)度時(shí)，鋼梁下翼緣就會(huì)出現(xiàn)局部屈曲。腹板在整個(gè)升溫過程中其溫度是最高的，過高的溫度使其強(qiáng)度和剛度迅速下降，梁端較強(qiáng)的水平約束，使腹板承受了較大的應(yīng)力，從而導(dǎo)致梁端腹板過早進(jìn)入塑性階段，發(fā)生了局部屈曲。這也是致使梁端首先出現(xiàn)了塑性鉸的原因。梁受火后由于強(qiáng)度和剛度的迅速下降，兩端柱對(duì)其的約束作用，致使梁在產(chǎn)生大撓度的同時(shí)，也發(fā)生了彎扭屈曲。

圖8 結(jié)構(gòu)破壞時(shí)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖

3 結(jié)語

本文利用熱分析的結(jié)果對(duì)組合平面框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，得到鋼管混凝土柱—鋼梁平面框架整體結(jié)構(gòu)抗火性能。

1)本文建立的典型三層三跨鋼管混凝土柱—鋼梁平面框架模型，其耐火極限為1 320 s，結(jié)構(gòu)臨界溫度為753.56℃，結(jié)構(gòu)達(dá)到抗火極限狀態(tài)時(shí)，受火跨柱頂位移為31.19 mm。

2)結(jié)構(gòu)破壞時(shí)鋼梁會(huì)產(chǎn)生較大撓度，同時(shí)會(huì)帶有一定扭轉(zhuǎn)變形，梁端出現(xiàn)了局部屈曲的現(xiàn)象，在梁翼緣根部處應(yīng)力集中比較嚴(yán)重。

［1］聶建國(guó).鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)原理與實(shí)例［M］.北京:科學(xué)出版社，2009.

［2］徐占發(fā).鋼結(jié)構(gòu)與組合結(jié)構(gòu)［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［3］丁 軍，李國(guó)強(qiáng)，蔣首超.火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度分析［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2002，17(2):53-56.

［4］吳傳偉，高軒能.鋼與鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火研究進(jìn)展［J］.鋼結(jié)構(gòu)，2009，24(1):69-73.

［5］李國(guó)強(qiáng).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(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.