鋼框架在高溫作用下的溫度場(chǎng)研究

楊　寧，王崇革，張玉華，玄　超

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇 徐州 221116；3.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266590)

鋼框架在高溫作用下的溫度場(chǎng)研究

楊寧1,2,3，王崇革3，張玉華3，玄超3

(1.江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 徐州 221116；2.江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇 徐州 221116；3.山東科技大學(xué) 山東省土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東 青島 266590)

摘要：以一平面鋼框架為算例，選取鋼框架某一房間為研究對(duì)象，利用通用有限元分析軟件ANSYS研究其在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用下的溫度分布及溫度隨時(shí)間的發(fā)展變化過(guò)程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：梁與柱受到火作用的一面升溫較快，而背火面即非受火面升溫較慢；梁腹板溫度最高，下翼緣次之，上翼緣溫度最低；梁上翼緣、腹板與下翼緣的溫度隨時(shí)間逐漸升高，呈現(xiàn)升溫速率初期較快而后逐漸放慢的特點(diǎn)，上翼緣、腹板、下翼緣的溫度在735 ℃左右時(shí)升溫速率又突然增大，然后又減少，可以為鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼框架；高溫作用；溫度場(chǎng)；有限元分析

鋼結(jié)構(gòu)因其具有施工速度快，工業(yè)化程度高等優(yōu)點(diǎn)在當(dāng)代社會(huì)中得到了廣泛的應(yīng)用，然而鋼結(jié)構(gòu)具有不耐火的特點(diǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)其力學(xué)性能會(huì)出現(xiàn)快速下降造成嚴(yán)重后果[1]。人們一般將鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件表面進(jìn)行防火處理來(lái)提高鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能，這種方法的確能滿足耐火極限的要求，但不加區(qū)分的防護(hù)，費(fèi)用會(huì)相當(dāng)昂貴。分析以往火災(zāi)后鋼結(jié)構(gòu)破壞的案例可以發(fā)現(xiàn)，針對(duì)某些部位的防火設(shè)計(jì)還未充分施展其最大防火能力，而有些卻早早失效，因此無(wú)差別的防護(hù)既不科學(xué)也相當(dāng)浪費(fèi)。因此鋼結(jié)構(gòu)的抗火研究不僅必要，而且具有重要意義。

對(duì)于鋼構(gòu)件溫度場(chǎng)及抗火方面的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了一些探索和實(shí)踐。劉東亞等[2]利用ANSYS研究了鋼梁在不同升降溫條件下的火災(zāi)行為，針對(duì)各參數(shù)對(duì)鋼梁抗火性能的影響進(jìn)行了深入分析。王衛(wèi)永等[3]借助ANSYS對(duì)防火涂料局部破損情況下鋼柱的溫度分布情況進(jìn)行分析，為防火涂料局部破損后鋼結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的抗火性能研究創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。王新堂[4]和呂俊利等[5]對(duì)H型鋼柱抗火性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，得到鋼柱的升溫過(guò)程及在火災(zāi)作用下的力學(xué)響應(yīng)。葛勇等[6]對(duì)H型截面試件進(jìn)行受火試驗(yàn)，研究試件的升溫曲線，采用切條法對(duì)其在火災(zāi)前后的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了深入研究。王培軍等[7]采用防火板保護(hù)鋼柱四面受火時(shí)的截面溫度計(jì)算方法，研究了防火板與鋼柱無(wú)間隙及防火板與鋼柱有間隙兩種類型。王傳奇等[8]借助ANSYS建立薄壁型鋼-混凝土梁柱組合節(jié)點(diǎn)在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下的有限元模型，分析梁柱節(jié)點(diǎn)的溫度場(chǎng)，針對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)彎矩-時(shí)間曲線和節(jié)點(diǎn)耐火時(shí)間進(jìn)行了參數(shù)化研究。楊秀萍等[9]利用ANSYS建立約束鋼梁的有限元模型，得到溫度隨時(shí)間的變化曲線，基于約束鋼梁模型分析了鋼梁在自然火災(zāi)條件下的可靠性。

綜上所述，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)及抗火的研究方法主要包括試驗(yàn)和理論研究，研究?jī)?nèi)容多集中在構(gòu)件層次，鋼結(jié)構(gòu)整體的抗火研究還相對(duì)較少。因此，研究鋼框架整體在火災(zāi)作用下的溫度分布及溫度隨時(shí)間的變化情況，研究影響鋼框架構(gòu)件溫度高低的因素及高溫區(qū)的作用范圍，可以為鋼框架防火提供防火思路和途徑，降低防火成本，使防火設(shè)計(jì)有的放矢，同時(shí)也為鋼框架在火災(zāi)作用下的行為研究提供了基礎(chǔ)條件，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)抗火具有十分重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究以一平面鋼框架為例，借助ANSYS研究了平面鋼框架在火災(zāi)作用下的溫度分布及溫度隨時(shí)間的發(fā)展變化過(guò)程。

1研究模型

1.1模型描述

所研究模型為一榀二層三跨平面鋼框架，具體尺寸見(jiàn)圖1，柱間距6 m，層高3.3 m，模型全部柱腳固定，其右側(cè)設(shè)有側(cè)向支撐，柱頂作用有集中荷載，其中外側(cè)柱作用的荷載值為90 kN，內(nèi)側(cè)柱作用的荷載值為180 N，模型全部橫梁作用有18 kN/m的均布荷載，梁與柱的材料為Q235H型鋼，梁與柱的尺寸(單位mm)為：

圖1　平面框架尺寸圖

梁 H400×150×8×10，

柱 H300×300×10×16。

平面框架的尺寸如圖1所示。

設(shè)定火災(zāi)發(fā)生在房間1，房間按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫且溫度均勻分布。通過(guò)在房間之間設(shè)立防火墻僅使受火間的結(jié)構(gòu)構(gòu)件隨著標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的溫度上升，假定其他房間幾乎不受影響。

1.2參數(shù)選擇

柱腹部設(shè)有磚墻，柱子僅朝受火一側(cè)翼緣受到火災(zāi)的影響和作用。型鋼梁的上翼緣與混凝土樓板緊密接觸，因此，型鋼梁除上翼緣上表面外，其余三面都將受到火的作用。

熱分析單元選用SOLID70，熱膨脹系數(shù)按照歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)ECCS(European Convention for Constructional Steelwork)，英國(guó)規(guī)范BSI(British Standards Institution)BS5950：Part8和上海的《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》DG/TJ08-008-2000的規(guī)定取值，因此熱膨脹系數(shù)取值為αs=1.4×10-5，比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)是根據(jù)EC3與EC4規(guī)定的結(jié)構(gòu)鋼的比熱計(jì)算公式和熱傳導(dǎo)系數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算得到的，結(jié)構(gòu)鋼的密度隨溫度的變化較小，取為ρs=7 850 kg/m3。

2仿真結(jié)果分析

鋼框架著火間按照標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線進(jìn)行升溫，升溫起始溫度取為20 ℃，取60 s作為一個(gè)荷載步，模擬分析2 400 s內(nèi)溫度隨時(shí)間的分布規(guī)律。圖2為受火間有限元模型。

平面鋼框架受火間在不同時(shí)刻的溫度分布具有普遍類似的規(guī)律，因此選擇時(shí)間為2 400 s時(shí)受火間整體的溫度分布作為典型代表，如圖3所示。

圖2　受火間有限元模型

圖3　時(shí)間為2 400 s時(shí)受火間整體溫度分布圖

從圖3可以看出，相對(duì)于初始溫度20 ℃，隨著時(shí)間發(fā)展受火間整體溫度不斷升高，其中受到火作用的一側(cè)溫度較未受到火作用的一側(cè)溫度上升較快，到2 400 s時(shí)非受火面溫度也只有23 ℃，究其原因是柱腹部的磚墻具有阻礙熱量傳遞與阻止火災(zāi)擴(kuò)散的功能，同時(shí)表明防火墻的設(shè)置能夠?qū)⒒馂?zāi)控制在有限的空間內(nèi)。

鋼框架梁跨中截面在不同時(shí)刻的溫度分布同樣具有普遍類似規(guī)律，選取時(shí)間為1 320 s時(shí)梁截面的溫度分布作為典型代表，如圖4所示。

圖4　梁截面在時(shí)間為1 320 s時(shí)溫度分布圖

從圖4可以看出，型鋼梁的腹板溫度最高，下翼緣溫度次之，上翼緣溫度最低，其形成過(guò)程取決于梁不同部位距離火源的遠(yuǎn)近、受火面的數(shù)量及受熱方式。腹板與下翼緣同時(shí)受到對(duì)流、輻射以及熱傳導(dǎo)的作用，然而腹板左右都受到火的影響，而下翼緣只有下表面一面為迎火面，所以腹板溫度要高于下翼緣的溫度。型鋼梁上翼緣的溫升歷程主要是依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行，所以溫度最低。

受火間梁跨中截面上翼緣、下翼緣和腹板溫度隨時(shí)間的變化過(guò)程如圖5所示，腹板-上翼緣，腹板-下翼緣溫度差隨時(shí)間的變化圖如圖6所示。

從圖5和圖6可以看出，框架梁上翼緣、腹板、下翼緣的溫度隨著時(shí)間的發(fā)展不斷升高，但升溫速率起初較快，然后逐漸變慢，當(dāng)上翼緣、腹板和下翼緣溫度達(dá)到約735 ℃時(shí)升溫速率又突然增大，然后升溫速率又逐漸減少。升溫速率起初較快，然后逐漸變慢的原因在于鋼框架是在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線作用下進(jìn)行升溫的，標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線的升溫特點(diǎn)呈現(xiàn)升溫速率起初較快，然后逐漸減小的規(guī)律。上翼緣， 腹板和下翼緣溫度達(dá)到735 ℃左右時(shí)升溫速率又突然增大，這是因?yàn)殇摽蚣苌郎剡^(guò)程比熱的取值是依據(jù)EC3與EC4給出的結(jié)構(gòu)鋼的比熱公式進(jìn)行的，溫度為735 ℃時(shí)比熱發(fā)生了很大的變化，導(dǎo)致升溫速率的突然增大。

圖5　上翼緣、下翼緣和腹板溫度隨時(shí)間的變化圖

圖6　腹板-上翼緣、腹板-下翼緣溫度隨時(shí)間的變化圖

梁的腹板與上翼緣的溫差隨著時(shí)間的發(fā)展逐漸增大，到420 s時(shí)溫差達(dá)到極大值170.8 ℃，然后由于熱傳導(dǎo)的進(jìn)行其溫差漸漸變小，1 260 s時(shí)其溫差減小到極小值28.8 ℃，接著比熱的變化導(dǎo)致溫差又進(jìn)一步擴(kuò)大到1 620 s的68.9 ℃，最終溫差減小到2 400 s的9.0 ℃。

型鋼梁腹板與下翼緣的溫差在360 s以前逐漸增大，達(dá)到極大值31.4 ℃，然后逐漸減小到1 140 s時(shí)的極小值2.0 ℃，而后逐漸增大到1 320 s的極大值10.8 ℃，在2 400 s時(shí)溫差僅僅只有0.8 ℃。

可以得出，型鋼梁的腹板與上翼緣溫差極值發(fā)生的時(shí)間皆滯后于型鋼梁腹板和下翼緣溫差極值出現(xiàn)的時(shí)間，究其原因是熱傳導(dǎo)的滯后作用引起的。

3結(jié)論

通過(guò)ANSYS對(duì)鋼框架溫度場(chǎng)的分析可以得到如下結(jié)論：

1)鋼框架構(gòu)件不同部位溫度的高低與其距離火源的遠(yuǎn)近、受火面數(shù)量以及受熱方式有密切關(guān)系。這一結(jié)論能夠?yàn)殇摽蚣芊阑鹪O(shè)計(jì)提供防火思路與防火途徑。

梁和柱受到火作用的一側(cè)溫度較高，且溫度上升較快，而未受到火作用的一側(cè)溫度較低上升也較為緩慢。因此，受火面在防火設(shè)計(jì)時(shí)候要做到重點(diǎn)防護(hù)。柱非受火面溫度到2 400 s時(shí)也只有23 ℃，說(shuō)明柱腹部防火墻的設(shè)置可以把火災(zāi)控制在有限的空間內(nèi)。

梁腹板溫度最高，其次是下翼緣，上翼緣溫度最低。因此，對(duì)于梁來(lái)說(shuō)腹板的防火設(shè)計(jì)要重點(diǎn)加強(qiáng)。型鋼梁腹板和下翼緣受到對(duì)流、輻射及熱傳導(dǎo)的共同影響，然腹板左右同時(shí)受火，而下翼緣僅僅下表面為迎火面，所以腹板溫度要高于下翼緣。型鋼梁上翼緣上部接觸有混凝土樓板，升溫途徑主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行，因此溫度最低。

2)梁的上翼緣、腹板、下翼緣的溫度隨著時(shí)間的發(fā)展而不斷升高，隨時(shí)間的推移溫度有趨于一致的趨勢(shì)，這是由傳熱學(xué)中溫度最終趨于一致的性質(zhì)決定的，但升溫速率呈現(xiàn)先快后慢然后又變快又變慢的特征，反映在梁的腹板與上翼緣的溫差，梁的腹板與下翼緣的溫差時(shí)間曲線上出現(xiàn)了兩個(gè)極大值和一個(gè)極小值，即兩個(gè)波峰和一個(gè)波谷。鋼框架升溫速率的先快后慢，然后又變快又變慢的變化規(guī)律可以為鋼框架防火設(shè)計(jì)提供參考。

3)型鋼梁腹板與上翼緣溫差極值出現(xiàn)的時(shí)間均滯后于梁的腹板與下翼緣的溫度差極值出現(xiàn)的時(shí)間，究其緣由是熱傳導(dǎo)的滯后作用引起的。

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(責(zé)任編輯：呂海亮)

Temperature Field of Steel Frame Under High Temperature

YANG Ning1,2,3,WANG Chongge3,ZHANG Yuhua3,XUAN Chao3

(1.Jiangsu Jianzhu Institute,Xuzhou,Jiangsu 221116,China;2.Jiangsu Collaborative Innovation Center for Building Energy Saving and Construction Technology, Xuzhou， Jiangsu 221116,China;3.Shandong Provincial Key Laboratory of Civil Engineering Disaster Prevention and Mitigation,Shandong University Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:By using the general finite element analysis software ANSYS,this paper studied the temperature distribution and temperature changes over time of the planar steel frame of a room being acted on by standard warming up curve.The results show that the exposed surface temperature of beams and columns rises more rapidly while the unexposed surface temperature rises more slowly,with the highest temperature at the beam’s ventral shield,moderate temperature at bottom flange and the lowest temperature at top flange,and with the extension of time the temperature keeps on rising at a rapid heating rate first but a slowing one later.However,there appears a sudden rise and then a quick fall of heating rate when the temperature of the top flange,ventral shield and bottom flange reaches about 735 ℃.The research results can provide certain reference for the fire resistance design of steel structures.

Key words:steel frame;high temperature function;temperature field;finite element analysis

收稿日期：2015-05-11

基金項(xiàng)目：江蘇建筑節(jié)能與建造技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放基金項(xiàng)目(SJXTQ1508)；江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院科技計(jì)劃項(xiàng)目(JYA312-19)；江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院基于BIM信息技術(shù)的《建筑識(shí)圖與繪圖》項(xiàng)目化課程改革研究項(xiàng)目(Py2015-9)

作者簡(jiǎn)介：楊寧(1985—)男，山西大同人，講師，博士研究生，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗火理論及溫度場(chǎng)方面的研究工作. E-mail:yangning20000@126.com

中圖分類號(hào)：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-3767(2016)01-0074-05