基于ANSYS抗火分析的三面受火鋼梁防火研究

中建鋼構(gòu)有限公司華東大區(qū) 靖江 214532

1 概況

超高層建筑中對于鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越多，而超高層建筑中的鋼梁大多是外露的。而鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能不如混凝土結(jié)構(gòu)，所以我們需要對鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能進(jìn)行研究來制定相應(yīng)的鋼結(jié)構(gòu)防火措施。

昆山金鷹二期大商業(yè)項(xiàng)目為混凝土核心筒外圍勁性柱框架結(jié)構(gòu)，地下3層，地上55層，結(jié)構(gòu)高度251.8 m。塔樓10層以上鋼梁均為三面受火的外露鋼梁，耐火極限為2 h。

2 鋼材材料模型建立

在鋼梁防火研究中，我們以ANSYS有限元分析軟件為基礎(chǔ)，選取H型鋼梁截面尺寸為300 mm×300 mm×10 mm×15 mm?？紤]到現(xiàn)場鋼梁的上翼緣為混凝土樓板，不直接受火，溫度較低，故不考慮上翼緣上表面的熱傳導(dǎo)和熱輻射，所以將鋼梁熱邊界定為三面受火。荷載類型采用了跨中作用集中荷載的情況。為了較準(zhǔn)確的模擬簡支梁，且不需要考慮其在高溫下的整體穩(wěn)定，故在梁的一端腹板中點(diǎn)約束3個(gè)方向平動，另一端約束垂直梁軸線的2個(gè)方向的平動。選取荷載比為0.178和0.30，分別對應(yīng)的集中力大小為100 kN和169 kN[1,2]。

溫度場采用solid70單元進(jìn)行熱分析，此單元是具有1個(gè)自由度的八節(jié)點(diǎn)六面體（Brick8 node70），結(jié)構(gòu)分析中轉(zhuǎn)化為solid45單元。首先把模型沿梁長分成60段。腹板沿厚度分成2層，沿寬度分成10段。翼緣沿厚度分成1層，沿寬度分成12段。如圖1所示。

3 熱分析

3.1 溫度分布

火災(zāi)下，空氣與構(gòu)件的熱傳遞包括熱輻射和熱對流2部分，一般梁的兩端有構(gòu)件遮擋。故不考慮梁的兩端與空氣之間的熱輻射和熱對流。梁在三面受火條件下的溫度分布如圖2所示。可以看出，梁的兩端溫度最低。這是考慮到實(shí)際情況中的梁端部有柱子或者墻的遮擋，不會直接承受火災(zāi)的作用。三面受火下翼緣的外邊緣、腹板中部溫度較高。這是由于這些位置微元的輻射角系數(shù)比其他位置大，接收的熱量多。

圖1 鋼梁有限元模型及網(wǎng)格劃分

圖2 鋼梁三面受火溫度分布

梁的跨中截面在30 min時(shí)的溫度分布如圖3所示，從圖3可以看出，三面受火溫差較大，在同一截面不同點(diǎn)的溫度分布不均勻，沿梁軸線方向在端部有比較大的變化。三面受火溫差最大可以達(dá)到200 K，這種溫差將對構(gòu)件截面的應(yīng)力場產(chǎn)生很大的影響，因而也就影響到構(gòu)件和整個(gè)結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的反應(yīng)[3,4]。

3.2 溫度-時(shí)間曲線

由于截面溫度分布不均，為了較全面地表示截面的溫度-時(shí)間曲線，在三面受火鋼梁上選擇了如圖4所示的5個(gè)點(diǎn)，這5個(gè)點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線如圖5所示（測點(diǎn)1對應(yīng)于ANSYS中的node1，依次類推）。在三面受火鋼梁的跨中截面，不同點(diǎn)的溫差較大，隨著空氣的溫度升高，下翼緣和腹板升溫明顯快于上翼緣。在1 000 s左右時(shí)溫差達(dá)到最大，差值為300 K。隨著構(gòu)件溫度升高，空氣與構(gòu)件溫差變小，熱量在構(gòu)件中的熱傳導(dǎo)作用加強(qiáng)，溫度逐漸趨于均勻。

圖3 鋼梁三面受火跨中截面溫度分布

圖4 鋼梁三面受火溫度 測點(diǎn)布置示意

在接近1 800 s時(shí)，下翼緣的溫度-時(shí)間曲線有一拐點(diǎn)，即斜率有增大的趨勢。腹板、上翼緣卻無此現(xiàn)象。此時(shí)下翼緣溫度約750 ℃，而腹板上翼緣及腹板溫度約700 ℃時(shí)。可能是由于采用的比熱容在735 ℃有一個(gè)極值點(diǎn)。達(dá)到此溫度的地方溫度上升緩慢，而超過735 ℃，比熱容迅速減少，升溫加快。

為了驗(yàn)證此假設(shè)，采用2種比熱容，繼續(xù)對該三面受火鋼梁升溫至3 200 s，得到溫度-時(shí)間曲線如圖6所示。從圖6可以看出，各測點(diǎn)達(dá)到約750 ℃后，各點(diǎn)的溫度-時(shí)間曲線都出現(xiàn)拐點(diǎn)。如果按EC3推薦的鋼材比熱容為定值600 J/（kg·K）重新計(jì)算構(gòu)件的溫度-時(shí)間曲線，則計(jì)算出的溫度-時(shí)間曲線的斜率一直減少，沒有出現(xiàn)拐點(diǎn)，如圖7所示。

圖5 鋼梁三面受火溫度-時(shí)間曲線

圖6 EC3精確比熱容計(jì)算的溫度- 時(shí)間曲線

4 結(jié)構(gòu)分析

對結(jié)構(gòu)進(jìn)行火災(zāi)下非線性分析的目的是確定火災(zāi)條件下結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理和臨界溫度，以及結(jié)構(gòu)的耐火時(shí)間。根據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》（GB/T 9978—2008），本實(shí)例的破壞準(zhǔn)則為：最大撓度達(dá)到了0.05倍梁長，即150 mm。最大變形速率大于l2/900 h，即33.33 mm/s。

4.1 撓度-時(shí)間曲線

梁在三面受火下，承受100 kN的集中荷載，荷載比為0.178。在1 800 s時(shí)的變形和豎向撓度云圖如圖8所示。從云圖可以看出，同一截面的撓度基本相等。最大撓度發(fā)生在跨中，達(dá)到了0.149 m。可以認(rèn)為該梁達(dá)到了破壞。

圖7 EC3推薦比熱容計(jì)算的溫度-時(shí)間曲線

圖8 鋼梁三面受火1 800 s時(shí)變形 和撓度云圖

跨中截面的5個(gè)測點(diǎn)的撓度-時(shí)間曲線如圖9所示。升溫過程中，荷載保持恒定，由于溫度作用，梁的撓度不斷增加。在升溫初期（梁下翼緣溫度小于400 ℃），鋼材的彈性模量下降得不是很大，在400 ℃時(shí)，為常溫彈性模量的70%，因此，由彈性模量弱化引起的撓度很小。同時(shí)，由于梁為三面受火，由圖8可知，梁橫截面上存在較大的溫度梯度，而梁的端部沒有約束，必然產(chǎn)生較大的膨脹變形?？梢姡谏郎爻跗?，梁的撓度增大主要由于熱變形引起。升溫過程中，同一截面不同點(diǎn)的位移在小變形下基本同步，位于集中力作用點(diǎn)下的測點(diǎn)4在1 400 s左右后的位移大于其他點(diǎn)。可能是由于局部應(yīng)力太大，應(yīng)力集中使該點(diǎn)的位移明顯大于其他地方。在1 300 s左右，撓度-時(shí)間曲線也出現(xiàn)了一個(gè)拐點(diǎn)。這也和比熱容的變化有關(guān)，此時(shí)構(gòu)件溫度達(dá)到了750 ℃左右，比熱容急劇增大，溫度上升變緩，構(gòu)件剛度變化緩慢，位移出現(xiàn)如圖9所示的一個(gè)小平臺。

4.2 撓度-溫度曲線

跨中截面5個(gè)點(diǎn)的撓度-溫度曲線如圖10所示，雖然同一截面各點(diǎn)的撓度-時(shí)間曲線差別不大，但是由于同一截面溫度有一定的差別，故各點(diǎn)的撓度-溫度曲線有較大的差別，同一撓度下，上翼緣測點(diǎn)4和測點(diǎn)5的溫度比其他測點(diǎn)低，最大值達(dá)200 K。同一溫度下，上翼緣的撓度比其他點(diǎn)高。在該圖也可以看出，測點(diǎn)4的最終撓度在比同一截面的其他點(diǎn)的撓度大。

圖9 鋼梁三面受火5個(gè)測點(diǎn)的撓度-時(shí)間曲線

圖10 鋼梁三面受火 撓度-溫度曲線

支座截面的5個(gè)測點(diǎn)的撓度-時(shí)間曲線如圖11所示。在1 200 s以前，上翼緣的測點(diǎn)由于熱膨脹位移向上，下翼緣的測點(diǎn)向下膨脹。而跨中測點(diǎn)3位于支座處，位移為零。在1 200 s以后，上翼緣位移開始向下，而下翼緣向下的位移明顯加快。這是在升溫過程中，梁的變形主要由熱膨脹轉(zhuǎn)變成主要是由材料的剛度頹壞引起。

圖11 鋼梁三面受火端部節(jié)點(diǎn)撓度-時(shí)間曲線

4.3 高溫下的應(yīng)力

在1 800 s時(shí)，梁上應(yīng)力密度如圖12所示，應(yīng)力繞梁軸線基本對稱。在集中荷載作用點(diǎn)和兩端支座約束點(diǎn)處的應(yīng)力較高，在梁的端部翼緣處應(yīng)力最低。

這5個(gè)點(diǎn)沿軸向的應(yīng)力隨時(shí)間的關(guān)系如圖13所示。正值表示拉應(yīng)力，負(fù)值表示壓應(yīng)力。升溫開始后，由于下翼緣靠邊緣測點(diǎn)1和腹板中部測點(diǎn)3輻射角系數(shù)大，受空氣的輻射、對流作用強(qiáng)，升溫較快。上翼緣和翼緣與腹板交接處的測點(diǎn)2、4、5升溫較慢。測點(diǎn)1、3溫度高，受熱產(chǎn)生膨脹，測點(diǎn)2、4、5會約束其膨脹，故在測點(diǎn)1、3中產(chǎn)生膨脹壓應(yīng)力，測點(diǎn)2、4、5產(chǎn)生膨脹拉應(yīng)力。所以在升溫一開始，測點(diǎn)1、3應(yīng)力降低，而測點(diǎn)2、4、5應(yīng)力增加。隨著溫度的增加，截面溫度分布趨于均勻，膨脹也趨于均勻，各點(diǎn)的應(yīng)力也向初始時(shí)刻的應(yīng)力靠近[5,6]。

圖12 應(yīng)力密度云圖

圖13 梁跨中截面應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線

5 結(jié)語

通過基于ANSYS進(jìn)行的三面受火鋼梁的抗火分析，我們發(fā)現(xiàn)三面受火鋼梁在受火初期，截面各點(diǎn)溫差較大，會產(chǎn)生自相平衡的內(nèi)力，但仍然很快就會失去承載力。而且，在高溫下較小的荷載就可以引起鋼梁很大的變形。所以外露鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)對防火涂料的施工要引起足夠的重視，以免發(fā)生火災(zāi)時(shí)對結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)的損害。