預應力鋼梁在高溫（火災）環(huán)境下的力學特性分析

劉冬駿，周麗君，田 偉

（安徽建筑大學 土木學院，安徽 合肥 230601）

預應力鋼梁在高溫（火災）環(huán)境下的力學特性分析

劉冬駿，周麗君，田 偉

（安徽建筑大學 土木學院，安徽 合肥 230601）

隨著預應力鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應用其抗火性能的研究越發(fā)迫切，本文分析了高溫下鋼梁的預應力損失類型和大小，同時采用有限元分析軟件研究預應力鋼梁在高溫條件下一定時間內(nèi)構(gòu)件的溫度分布及其隨時間發(fā)展規(guī)律，并且在熱分析的基礎上對構(gòu)件熱力效應分析，從而進一步探索預應力鋼梁在高溫條件下?lián)p傷機理.

預應力鋼梁；有限元分析；撓度；熱力效應

隨著工程技術(shù)進步和人們對工作及生活環(huán)境要求的提高，預應力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)近年來得到了快速發(fā)展，它不但節(jié)省材料而且受力合理，故被廣泛應用于各類大跨度空間結(jié)構(gòu)工程中，其中預應力鋼梁便是預應力鋼結(jié)構(gòu)體系中一種最典型的構(gòu)件形式[1～3].但眾所周知鋼材耐火性能差，高溫環(huán)境下其物理和力學性能會發(fā)生顯著改變，且預應力鋼結(jié)構(gòu)多屬 無 粘 結(jié) 預 應 力 體 系[4]，鋼 索 得 不 到 充 分 保 護 ，故 正 常 工 作時蘊含龐大內(nèi)部能量的預應力鋼粱一旦受到火災作用，很可 能 因 材 性 變 化 或 內(nèi) 力 發(fā) 生 重 新 分 布 而 破 壞[5～7]，因 此 本 文對一種常用的預應力鋼梁進行了高溫下的數(shù)值模擬計算，希望為今后的結(jié)構(gòu)設計提供一定參考

1 預應力鋼梁模型熱分析

本文模型選取拉索預應力鋼梁跨長 l=18m，A=212.4cm2（截面如圖 1，工況如圖 2 所示）,全粱按均布荷載分布，永久荷載為 qd=32kN/m，可變荷載為 q1=22kN/m，鋼材采用 Q235，采用 90 5 高強鋼絲，A3=17.64m2，f3=770MPa，E1=E2=2.07× 105MPa，實際預張力 xk=935kN，拉索中心到截面重心的距離e=81cm，錨具壓實總量 △a=2mm，不考慮超欠載系數(shù)，即 γT取 1.0，支承形式為一端固定一端鉸支.

受火工況：考慮在真實火災中，粱的上翼緣往往有樓板的覆蓋保護，通常情況下梁為三面受火，即底部翼緣和兩側(cè)腹板受到火作用，基于 ISO834 標準升溫曲線，受火時間為720S.進行熱力分析，可得到截面不同時刻溫度變化云圖，如圖3.

圖1 構(gòu)件截面尺寸示意圖

圖2 構(gòu)件工況示意圖

圖3 構(gòu)件熱效應下節(jié)點溫度應力云圖

圖4 荷載作用下Y方向的位移云圖

2 預應力鋼梁模型的熱力耦合分析

2.1 建模過程中對預應力拉索的處理

對比拉索預應力鋼梁與非預應力鋼梁，前者優(yōu)勢之處就在與通過拉索產(chǎn)生的預應力使結(jié)構(gòu)發(fā)生了反向撓曲，更提高了構(gòu)件的剛度以及對材料強度的利用率，本文在建模過程中對拉索采取等效荷載法處理，用一對等效荷載代替預應力拉索的作用，即預應力用理論推導得出的一對實際張拉控制力代替，采用此法的好處是在熱力效應分析階段對單元選取沒有制約，劃分網(wǎng)格也較為方便，更不用考慮拉索所處的詳細位置[8～9].

本例中等效力應為構(gòu)件中實際作用的張拉張拉控制力，即

式中:N—實際張拉控制力；Xk—為實際張拉的控制內(nèi)力；Xl—構(gòu)件的預應力損失；xmT—考慮高溫影響的張拉過程中因錨具壓實而產(chǎn)生的損失；xsT—考慮高溫影響的張拉錨固后由于索長繼續(xù)增加導致松弛產(chǎn)生的損失；l—拉索長度；A1—拉索的截面面積；△a—錨具壓實總量；E1T—考慮溫度影響的拉索材料的彈性模量；fptk—拉索材料抗拉強度標準值.

2.2 構(gòu)件熱力耦合分析計算結(jié)果

針對模型進行力學分析，可以得到隨時間變化各溫度荷載下 Y 方向的位移云圖如圖 4 所示. 當火場作用 120S時，預應力鋼梁達到的撓度最大值為 5.7×10-3m；到了 240S時刻，構(gòu)件撓度所達到最大值為 11.5×10-3m，當構(gòu)件在火場中受到 360S 的作用時，構(gòu)件的橫向最大位移為 17.3× 10-3m；在 480S 時刻構(gòu)件撓度最大可達 23.2×10-3m；600S 時預應力拉索鋼梁橫向位移可達 29.2×10-3m；當時間為 720S時，構(gòu)件撓度最大值最終達到極限位移 35.2×10-3m，而構(gòu)件允許撓度為 L/250=7.2×10-3m，即當火場作用到 2～4 分鐘之間某個時點時，構(gòu)件已不再滿足正常使用極限狀態(tài).

表2 受火構(gòu)件不同位置處隨時間變化的撓度值（撓度，m）

下面分別選取距離鉸支座分別為 3m，4.5m，6m，7.5m，9m 處的各點，從后處理導出的 LIS 文件中可以得到受火構(gòu)件不同位置處隨時間變化的撓度值如表2所示.

2.3 預應力鋼梁熱力耦合作用下的撓度分析

本文通過有限元程序?qū)Τ惺芫己奢d并且一端固定一端鉸支的拉索預應力鋼梁在高溫下的撓度計算，得到不同時刻的構(gòu)件撓度值，表 2已將高溫（火災）條件下預應力鋼梁分別距離鉸支座為 3m，4.5m，6m，7.5m，9m 處不同時間的撓度值列表給出，從表中可以看到在選取的若干位置中靠近支座位置的橫向位移最小，而橫向位移最大的位置并不是跨中即 9m 處，而是出現(xiàn)在 7.5m 處，這是由于構(gòu)件兩端布置的不同支座對構(gòu)件變形的約束不同導致，即撓度最大位置離鉸支座較近，而離固定支座較遠，同時我們可以發(fā)現(xiàn)隨著火場作用時間的發(fā)展，不同位置處的橫向位移差值也是逐漸增大的，例如當火場作用了 240S 時，構(gòu)件跨中處的橫向位移比距鉸支座 3m 處的橫向位移大將近 0.28m, 而 480s時，兩不同位置處的橫向位移差值達到約為 0.55m，由此可見越靠近最大撓度位置，預應力鋼梁在該點的橫向位移隨溫度的變化率越大，即變化速率 7.5m＞9m＞6m＞4.5m＞3m.

3 小結(jié)

由以上分析可以得到如下結(jié)論和建議：

（1）預應力拉索鋼梁在高溫環(huán)境下的預應力損失是隨溫度升高迅速增大的，但升溫各階段預應力損失程度不同，因此預應力鋼結(jié)構(gòu)更應做好相應防火保護工作；

（2）隨著溫度增長拉索預應力鋼梁彎穩(wěn)定承載能力降低，構(gòu)件撓度也進一步加大，力學特性變化與高溫下結(jié)構(gòu)鋼強度變化趨勢相似，可推定高溫引起材料強度下降是影響構(gòu)件力學特性的主要因素；

（3）通過提高張拉控制力大小，可一定程度上達到提高承載力和減小構(gòu)件撓度的作用，但在相同溫度條件下構(gòu)件的張拉控制力越大，對應的預應力損失也相應越大，故實際工程中不可盲目提高構(gòu)件設計張拉控制力；

〔1〕 陸 賜 麟 .預 應 力 鋼 結(jié) 構(gòu) 發(fā) 展 50 年 (1)[J].鋼 結(jié) 構(gòu) ,2002(4)：32-36.

〔2〕賀晗.鋼結(jié)構(gòu)的抗火研究概述[J].鋼結(jié)構(gòu),2009,24(126)：80-83.

〔3〕余鋒波.環(huán)向預應力鋼屋蓋火災響應溫度的數(shù)值分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2010(s)：282-286.

〔4〕G.LENOI.Vibration of beams prestressed by internal frictionlesscables,JournalofSound and Vibration, 1999,222(1),1-18.

〔5〕H.NORIAKY.Excitation of arch and suspension bridges by subwires，Shock and Vibration,1993,1(3)：59-64.

〔6〕L.CHUNG.Experimentson active controlofsimic structures,American Society of Civil Engineers Journal of Engineering Mechanics 1988,114(5)：241-256.

〔7〕M.SAIIDI.Prestress force effect on vibration frequency of concrete bridges American Society of Civil Engineers Journal of Structural Engineering,1995,120(5)：2233-2241.

〔8〕G.LENOI.Numerical analysis of thin walled beams with internal unbonded cables by the Ritz method,International Journal of Solids and Structures,1997,35(6)：51-67.

〔9〕陸賜 麟.預應力鋼 結(jié) 構(gòu)基本理 論 及方 法[J].鋼 結(jié)構(gòu) ，1998（2）：52-59.

TU311

：A

：1673-260X（2016）02-0034-02

2015 年 11 月 23 日

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2012CB719703），安徽高校省級自然科學研究重大項目（KJ2014ZD06），安徽省自然科學基金（1408085QE96）