受火鋼結(jié)構(gòu)溫度—結(jié)構(gòu)耦合場分析

張之峰 石國峰

摘要：該文通過比較和分析火災(zāi)下鋼結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)以及抗火設(shè)計中的抗力取值與荷載效應(yīng)組合前提下，利用 ANSYS 軟件，以非線性有限元為基礎(chǔ)，參考傳熱學(xué)及彈性力學(xué)，建立鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件火災(zāi)下傳熱模型和受力模型，其受力模型主要考慮靜力荷載及溫度荷載共同作用。再通過溫度—結(jié)構(gòu)耦合計算，分析鋼構(gòu)件受火時間與抗火之間的關(guān)系，繪制火災(zāi)發(fā)生時間與變形、結(jié)構(gòu)承載力、穩(wěn)定的關(guān)系曲線。

關(guān)鍵詞：受火狀態(tài)；鋼結(jié)構(gòu)；溫度—結(jié)構(gòu)耦合

中圖分類號：TP391 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）03-0260-03

耐火性能差是結(jié)構(gòu)用鋼材的一個致命缺點，鋼材的強度、彈性模量等基本力學(xué)性能指標(biāo)在一定的溫度下會急劇下降，一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件就會大大喪失承載能力，進而整個結(jié)構(gòu)體系也可能發(fā)生破壞，造成嚴(yán)重的后果。

我們試圖利用 ANSYS 軟件建立鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件在火災(zāi)條件下的傳熱模型與在靜力荷載及溫度荷載共同作用下的受力模型，進行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度—結(jié)構(gòu)耦合計算，以建立鋼構(gòu)件受火時間與受火后結(jié)構(gòu)抗力之間的關(guān)系。通過遇火情況下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件全過程反應(yīng)分析，繪制出受火時間與構(gòu)件變形、結(jié)構(gòu)承載力和穩(wěn)定的關(guān)系曲線。分析鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的遇火承載力變化，確定特征承載力，以便更準(zhǔn)確了解結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐火時間以及能夠探尋更簡單、更有效的鋼結(jié)構(gòu)防火保護措施。

1 ANSYS瞬態(tài)熱分析計算模型

1.1 受火模型形式

根據(jù)構(gòu)件受火后的實際情況與構(gòu)件的約束狀況，我們采用以簡支梁為研究基礎(chǔ)的三面受火狀態(tài)（如圖1）和以框架柱為研究基礎(chǔ)的四面受火狀態(tài)（如圖2）。受火溫度按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫，轉(zhuǎn)化為溫度荷載，以 60 秒為一個荷載步施加。

圖1 梁的三面受火形式 圖2 柱的四面受火形式

1.2 Ansys分析單元類型

由于受火后構(gòu)件截面溫度分布不均勻，構(gòu)件單元采用體單元；熱分析單元采用八結(jié)點六面體單元 SOLID70【1】。熱分析單元所采用的八結(jié)點六面體單元在每個結(jié)點只具有單自由度—溫度，并且這種SOLID70熱分析單元可以考慮對流和輻射，我們在進行熱分析的基礎(chǔ)上還可以進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)傳熱分析。采用實體單元SOLID70建模，所有單元均為正六面體，這樣容易保證計算的收斂性。

1.3 材料的熱物理特性

1） 本文所分析鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料均采用Q235鋼，并符合各向同性的理想彈塑性材料假定，服從Mises屈服準(zhǔn)則和關(guān)聯(lián)流動法則，不計殘余應(yīng)力[2]。

2） 鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)0℃～600℃范圍按歐洲規(guī)范[λs]取值為45W/（m.℃）超過600℃時按照日本的研究。

3） 鋼材的比熱[Cs]取自日本的研究數(shù)據(jù)。

6） 鋼材的泊松比[μs=0.3]；

7）膨脹系數(shù)按我國規(guī)范取[αs=1.2×10-5m/m.oC]；

8）鋼材的密度[ρs=7850kg/m3]。

2 溫度—結(jié)構(gòu)耦合場的計算分析

溫度—結(jié)構(gòu)耦合分析是將熱分析得到的節(jié)點溫度場作為結(jié)構(gòu)分析的載荷，進行靜力分析過程中實現(xiàn)耦合。我們整個的分析過程就是在外界環(huán)境溫度已知的情況下，首先通過傳熱分析得到結(jié)構(gòu)隨時間變化的溫度場，然后把此溫度場作為荷載，計算此溫度場下結(jié)構(gòu)的受力，進而與靜力荷載疊加求解。ANSYS 提供了直接耦合與間接耦合[1]兩種分析耦合場的方法。

本文溫度—結(jié)構(gòu)耦合分析中，熱對流傳熱系數(shù)取 25W / m2.℃，結(jié)構(gòu)的初始溫度定為 20℃ ，外界環(huán)境溫度按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線升溫，每 60 秒為一個荷載步，直至3600 秒。通過 ANSYS 進行熱分析可以計算出不同時刻結(jié)構(gòu)的溫度場。熱分析結(jié)束后，進行構(gòu)件的靜力分析。按照多個荷載步讀入熱分析結(jié)果，以實現(xiàn)溫度荷載的施加。間接法進行耦合計算中，受火鋼結(jié)構(gòu)單元在結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)將SOLID70 單元轉(zhuǎn)換為 SOLID45 單元，因為該單元可以進行材料非線性，幾何非線性分析。SOLID45 單元內(nèi)的溫度可以通過結(jié)點的三次插值得到。

3 Ansys分析結(jié)果

1）通過對三種不同截面尺寸的工字型截面在相同升溫條件下，相同時刻的截面溫度場分析可以得出同時刻最大溫差如下圖。

圖3 三面受火不同截面同時刻最大溫差

圖4 四面受火不同截面同時刻最大溫差

從梁在三面受火狀態(tài)下三種不同截面同時刻最大溫差可以看出，在梁腹板厚度小于翼緣厚度時，截面溫度最高點與溫度最低點差值較大；在梁腹板厚度與翼緣厚度接近時，截面溫度最高點與溫度最低點差值較小。如果繼續(xù)提高腹板相對厚度，即超過翼緣的厚度，溫差變化不大，基本接近腹板與翼緣等厚情況。但是，從柱在四面受火狀態(tài)下三種不同截面同時刻的最大溫差來看，整個升溫過程中，如果柱翼緣與腹板厚度相同，柱翼緣的溫度最高；柱翼緣厚度大于腹板厚度時，柱腹板溫度最高。而且腹板厚度對截面溫度場的分布以及同時刻截面最高溫度影響較大。更突出的是腹板厚度越大，溫差越小。縱向比較三面受火的梁與四面受火的柱，可以看出四面受火的柱截面溫度最高點和最低點差值要比三面受火的梁要小。很明顯，四面受火的柱比三面受火的梁受熱相對來說要均勻。正是由于受火狀態(tài)不同，相對來說，四面受火截面，翼緣溫度分布比較均衡。由此可見，截面受火方式對結(jié)構(gòu)截面的溫度分布有重要影響。在結(jié)構(gòu)抗火計算時，對截面溫度完全線性分布的假定有必要考慮構(gòu)件的受火形式[3]，進一步進行相關(guān)研究確定結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計的適用條件。

并且，設(shè)計中，我們實際往往采用腹板比翼緣板薄的構(gòu)件，這是因為加大翼緣厚度對于提高構(gòu)件的承載力來講要比加大腹板厚度來的有效，殊不知，這種情況卻對構(gòu)件的抗火不利。如果我們設(shè)計的構(gòu)件腹板與翼緣厚度相差太大，發(fā)生火災(zāi)時會造成構(gòu)件在達到極限承載力之前，腹板在高溫下先發(fā)生局部屈曲的狀況。我們在進行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計時，必須進行抗火設(shè)計，采取合理的方案，鋼與混凝土的混合方案不失一種有效的選擇。

2）通過ANSYS 熱分析，我們可以對構(gòu)件施加由ANSYS 熱分析確定的溫度場，即溫度荷載以及靜力荷載?？梢缘贸鲮o力荷載及溫度荷載共同作用下的鋼構(gòu)件的力學(xué)反應(yīng)。對于鋼梁分析比較容易，因為受火時，樓板對鋼梁有一定的約束，而且混凝土的抗火性能好，影響小，此時的鋼梁幾乎不會產(chǎn)生整體側(cè)向失穩(wěn)，這樣，我們就可以只計算鋼梁平面內(nèi)極限承載力，控制好鋼構(gòu)件在火災(zāi)條件下極限狀態(tài)的變形即可。 ANSYS 結(jié)構(gòu)分析后，可以發(fā)現(xiàn)，鋼梁受火承載力達到其屈服強度時，其撓度遠遠沒有達到極限狀態(tài)，但由于構(gòu)件溫度的升高，構(gòu)件撓度會隨著受火時間的持續(xù)而出現(xiàn)急劇加大的現(xiàn)象。

圖5 梁跨中撓度隨時間變化曲線

圖6 梁荷載組合效應(yīng)與屈服強度隨時間關(guān)系曲線

通過一系列分析數(shù)據(jù)我們得到不同腹板厚度下的簡支梁跨中撓度隨時間變化曲線和梁荷載組合效應(yīng)與屈服強度隨時間關(guān)系曲線分析可知，構(gòu)件屈服強度會隨溫度的升高而降低，而且近乎線性變化，這是因為簡支梁作為靜定結(jié)構(gòu)，熱膨脹影響變形，不產(chǎn)生附加應(yīng)力。如果構(gòu)件的變形包括受熱變形受到約束，就會產(chǎn)生附加應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)受火分析時另當(dāng)別論，不過構(gòu)件屈服強度會隨溫度的升高而降低的情形不會變。另外，我們針對300mm×150mm×10mm×10mm ，300mm×150mm×10mm×8mm ，300mm×150mm×10mm×6mm三種截面的受火極限狀態(tài)分析，三種截面分別在t =1140s ，t = 960s ，t = 780s 時達到其極限狀態(tài)，腹板厚度與達到極限狀態(tài)的時間干系重大。撓度變形也明顯隨著腹板厚度減小而增大，受火時間越長越明顯?？梢缘贸鼋Y(jié)論，在相同的邊界條件、相同的受力及相同的受火條件下，腹板厚度對構(gòu)件抗火時間有重要影響。

4 結(jié)論

通過本文的針對鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的溫度—結(jié)構(gòu)耦合場的計算分析，可以得到如下結(jié)論，供設(shè)計參考。

1）截面受火方式的不同對截面溫度分布有很大影響。因此，在結(jié)構(gòu)抗火計算時，不應(yīng)在沒由考慮構(gòu)件受火形式而假設(shè)截面溫度完全線性分布。需要進一步研究截面溫度完全線性分布假定的適用范圍，確保鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火設(shè)計的科學(xué)性。

2）腹板厚度對構(gòu)件抗火時間有很大影響。從而得出加大腹板厚度對結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火性能有重大影響，但要考慮鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體設(shè)計，在具備充分依據(jù)的情況下可以考慮加大腹板厚度以增強抗火性能，建議在鋼結(jié)構(gòu)抗火規(guī)范中提出必要的構(gòu)造措施。

參考文獻：

[1] 劉濤，楊鳳鵬.精通 ANSYS[M].北京：清華大學(xué)出版社 2002.

[2] 王學(xué)謙，建筑防火[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2000.

[3] 李國強.鋼結(jié)構(gòu)抗火計算與設(shè)計[M]. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 1999.