基于ANSYS的鋼梁抗火性能分析

■王 會(huì)，蘇 偉 ■連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 連云港 222006

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高，施工方便，近年來，廣泛被應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑。但由于鋼材易生銹、耐火性較差，存在較大的安全隱患。一旦發(fā)生火災(zāi)，鋼材的強(qiáng)度將下降較快，鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體承載能力大幅下降，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和倒塌，由于梁為鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要構(gòu)件之一，因此研究鋼梁在火災(zāi)和荷載下的反應(yīng)為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考價(jià)值［1］。

2 鋼梁的熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

2．1 分析模型

計(jì)算模型采用工字型鋼梁，長為3m，兩端采用剛性連接。梁上荷載為30KN/m，材料為Q335鋼，工字形截面尺寸如下表1所示。

表1 工字型鋼梁的截面尺寸(m)

在鋼結(jié)構(gòu)建筑中，因梁上鋪設(shè)樓板，假設(shè)鋼梁除上翼緣外，腹板和下翼緣各表面都受到火荷載的影響。在計(jì)算過程中，假定結(jié)構(gòu)周圍的初始環(huán)境溫度為20℃，熱對(duì)流系數(shù)和輻射率分別為25W/(m·℃)和 0．9，外界溫度按公式逐漸升高，可計(jì)算得到各時(shí)刻的塑性變形和截面溫度分布規(guī)律，以及鋼梁的薄弱部位［2］。鋼梁模型如下圖1所示。

圖1 工字型鋼梁有限元模型

2．2 溫度場(chǎng)分析

下圖2為受火工字型鋼梁在跨中截面處各部位的溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖可知，上翼緣和其他部位相比較，溫度最低;而三者中由于腹板同時(shí)受到輻射、對(duì)流以及熱傳導(dǎo)共同作用，溫度最高;其次，由于鋼梁下翼緣受火面減少，其溫度低于腹板［3］。而上翼緣由于受到火荷載的影響最小，截面中溫度分布處于最小狀態(tài)。

圖2 梁跨中截面不同部位的溫度—時(shí)間曲線

2．3 結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)原則，耐火極限為:當(dāng)構(gòu)件的最大撓度為時(shí)，鋼梁就不能繼續(xù)承載［4］。根據(jù)該計(jì)算原則，其結(jié)構(gòu)破壞時(shí)，跨中撓度應(yīng)為。

從下圖3分析可知，當(dāng)工字型鋼梁的跨中撓度達(dá)到100mm時(shí)，梁腹板的溫度約為550℃，時(shí)間為500s左右。

圖3 梁跨中撓度—時(shí)間曲線

圖4 工字型鋼梁的變形圖

由上圖4可知，在火災(zāi)和外荷載共同作用下，鋼梁的跨中撓度最大，兩端撓度最小。

而從下圖5和圖6以及計(jì)算過程表明，鋼梁抗火的薄弱部位于兩端剛接點(diǎn)處，盡管該處的溫度較低，但塑性區(qū)仍先發(fā)生在梁端根部翼緣部位，且應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

圖5 梁端節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變分布圖

圖6 梁端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布圖

3 結(jié)論

(1)在火災(zāi)發(fā)生的初期，工字型鋼梁的下翼緣和腹板溫差不大，但由于在上翼緣鋪壓型鋼板或混凝土板，其與下翼緣和腹板溫差比較大。隨著火災(zāi)的作用，梁腹板和上下翼緣的溫差逐漸變大，最終達(dá)到一個(gè)最大值，在火災(zāi)后期，隨著鋼梁內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用，三者的溫差逐漸減小，最后溫度趨于一致。

(2)在鋼梁整個(gè)受火過程中，梁端根部翼緣最早進(jìn)入塑性，且應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。因此鋼梁兩端的支座部位是梁的薄弱部位，對(duì)其進(jìn)行防火保護(hù)顯得尤為重要。