耐火鋼-混凝土簡支組合梁抗火性能

蔣 翔，童根樹，張 磊

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州310058)

耐火鋼-混凝土簡支組合梁抗火性能

蔣 翔，童根樹，張 磊

(浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，杭州310058)

為研究耐火鋼-混凝土簡支組合梁在火災(zāi)下的變形性能和耐火極限，基于有限元軟件ABAQUS建立的分析模型分別對(duì)采用防火涂料和防火板保護(hù)的耐火鋼-混凝土簡支組合梁標(biāo)準(zhǔn)升溫下的抗火性能進(jìn)行模擬.分析了荷載比、防火保護(hù)層、材料強(qiáng)度、截面尺寸、混凝土樓板中縱向鋼筋等因素對(duì)組合梁耐火極限的影響.結(jié)果表明：荷載比和防火保護(hù)層厚度是影響耐火鋼-混凝土簡支組合梁抗火性能最重要的兩個(gè)因素.鋼梁板件厚、翼緣寬等對(duì)耐火鋼-混凝土組合梁的抗火性能有一定有利影響.材料強(qiáng)度、鋼梁高和樓板厚、樓板寬和樓板中縱向鋼筋直徑對(duì)耐火鋼-混凝土簡支組合梁的耐火極限影響不大.同等條件下防火板比防火涂料具有更好的防火保護(hù)效果.當(dāng)荷載比為0.5～0.7時(shí)，使用耐火鋼替換普通鋼后鋼-混凝土簡支組合梁的耐火極限提高35%～40%，可減小防火涂料厚度30%左右.采用中國規(guī)范(CECS 200：2006)中的方法計(jì)算耐火鋼-混凝土簡支組合梁的耐火極限，和有限元計(jì)算結(jié)果相比荷載比較小時(shí)偏保守.

耐火鋼；組合梁；參數(shù)分析；抗火性能；耐火極限

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)具有承載力高、塑性韌性好、抗震性能好、施工方便以及造價(jià)經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)，近年來在高層建筑結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用[1].鋼材和混凝土都不耐火，普通鋼的強(qiáng)度和彈性模量在高溫下迅速下降，混凝土在高溫下可能會(huì)發(fā)生爆裂，強(qiáng)度和彈性模量也會(huì)降低.一旦發(fā)生火災(zāi)，建筑結(jié)構(gòu)很容易遭到破壞甚至倒塌.Cardington試驗(yàn)中約束鋼-混凝土組合梁抗火試驗(yàn)[2]開啟了整體組合梁抗火性能的研究，國內(nèi)學(xué)者[3-7]也對(duì)組合梁的抗火性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.

耐火鋼600 ℃時(shí)屈服強(qiáng)度高于室溫時(shí)的2/3，彈性模量在700 ℃時(shí)仍能保持室溫時(shí)的75%以上，且室溫力學(xué)性能及其他質(zhì)量指標(biāo)均滿足普通建筑用鋼使用標(biāo)準(zhǔn)[8]，是提高鋼結(jié)構(gòu)防火性能的一種方案，使用耐火鋼能減少防火涂料用量.文獻(xiàn)[9]綜述了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)耐火鋼的開發(fā)應(yīng)用以及耐火鋼構(gòu)件抗火性能進(jìn)行的一些研究.文獻(xiàn)[10-11]對(duì)耐火鋼-鋼管混凝土柱進(jìn)行研究.文獻(xiàn)[12]采用有限元軟件建立耐火鋼-混凝土組合梁標(biāo)準(zhǔn)升溫下的分析模型，通過試驗(yàn)校驗(yàn)了模型的有效性和可靠性，但對(duì)影響耐火性能的參數(shù)分析不多.本文基于耐火鋼-混凝土組合梁抗火試驗(yàn)[13]中的舞鋼耐火鋼Q345-FR鋼板的高溫材性，采用有限元軟件ABAQUS分別對(duì)采用防火涂料和ALC防火板進(jìn)行防火保護(hù)的耐火鋼-簡支組合梁的抗火性能進(jìn)行模擬，分析荷載比、防火保護(hù)層厚度、混凝土樓板、鋼梁參數(shù)和樓板中鋼筋等對(duì)其抗火性能的影響.此外，根據(jù)中國規(guī)程(CECS 200：2006)[14]中普通鋼組合梁抗火設(shè)計(jì)方法對(duì)高溫下耐火鋼組合梁的耐火極限進(jìn)行計(jì)算，考察規(guī)范方法對(duì)耐火鋼-混凝土組合梁的抗火設(shè)計(jì)是否適用.

1 分析方法

1.1 材料高溫特性

在上海交通大學(xué)疲勞斷裂試驗(yàn)室對(duì)舞鋼生產(chǎn)的Q345-FR熱軋10 mm厚鋼板進(jìn)行高溫拉伸試驗(yàn)，測(cè)得其高溫下的力學(xué)性能指標(biāo)，且和其他耐火鋼高溫材性的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見圖1.其中，fyT、fy表示高溫和常溫時(shí)屈服強(qiáng)度，fuT、fu表示高溫和常溫時(shí)極限強(qiáng)度，ET、E表示高溫和常溫時(shí)彈性模量，θ為溫度.舞鋼耐火鋼在各溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線見圖2,其中σs、εs分別為應(yīng)力和應(yīng)變.

圖1 耐火鋼高溫力學(xué)性能參數(shù)折減系數(shù)曲線

圖2 舞鋼耐火鋼各溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

耐火鋼的熱工性能與普通鋼材相差不大.高溫下耐火鋼的導(dǎo)熱系數(shù)(λs)、比熱(cs)和熱膨脹系數(shù)(αs)選取參考文獻(xiàn)[8]，混凝土、鋼筋等材料高溫下的熱工、力學(xué)性能參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系等選取參見文獻(xiàn)[12].

防火涂料和防火板的熱工參數(shù)[14-15]取值為：導(dǎo)熱系數(shù)可取λ=0.1 W/(m·K)；比熱及密度分別可取c=1 000 J/(kg·℃)，ρ=400 kg/m3.

1.2 有限元模型

采用ABAQUS的順序熱-力耦合分析方法模擬標(biāo)準(zhǔn)升溫下三面受火的耐火鋼-混凝土簡支組合梁(簡稱組合梁)的抗火性能.組合梁截面?zhèn)鳠崮Ｐ鸵妶D3.不考慮防火涂料和防火板的脫落和變形等對(duì)組合梁防火保護(hù)效果的影響.熱-力耦合分析時(shí)假定鋼梁與混凝土之間沒有剪切滑移.有限元模型的建立參數(shù)及試驗(yàn)驗(yàn)證參見文獻(xiàn)[12].

圖3 組合梁截面?zhèn)鳠岱绞?/p>

2 參數(shù)分析

標(biāo)準(zhǔn)升溫條件下，分析荷載比、防火保護(hù)層、混凝土板、鋼梁相關(guān)參數(shù)、樓板中縱向鋼筋等對(duì)組合梁抗火性能的影響.模型基本參數(shù)：混凝土強(qiáng)度fcu=20 MPa，樓板厚100 mm、寬1 500 mm；鋼梁截面350 mm×150 mm×8 mm×12 mm，耐火鋼常溫屈服強(qiáng)度fy=345 MPa；防火保護(hù)層厚度10 mm；梁跨4.2 m，兩端簡支.計(jì)算時(shí)取跨中撓度達(dá)到跨度的1/30作為組合梁達(dá)到耐火極限的判別標(biāo)準(zhǔn)[13]，即δ=140 mm時(shí)，組合梁達(dá)到耐火極限狀態(tài).

2.1 荷載比

荷載比μ定義為組合梁受火情況下施加荷載與其常溫時(shí)的極限荷載之比，算例常溫下的極限荷載通過ABAQUS有限元分析模型位移加載計(jì)算得到.荷載的大小、分布、梁跨等參數(shù)對(duì)組合梁抗火性能的影響都可以轉(zhuǎn)化為荷載比的形式加以反映.

防火保護(hù)層厚度di=10 mm時(shí)不同荷載比下組合梁跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖4，圖中曲線實(shí)心為涂料，空心為防火板.荷載比越小，組合梁耐火極限時(shí)間越長，荷載比對(duì)組合梁抗火性能的影響相當(dāng)顯著.

圖4 不同荷載比條件下跨中撓度-時(shí)間曲線

2.2 防火保護(hù)層厚度

μ=0.7時(shí)，防火保護(hù)層厚度不同時(shí)組合梁跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖5.增大防火保護(hù)層的厚度，組合梁的耐火極限顯著增加.其中，防火涂料厚度從5 mm增加到10、15、20 mm，耐火極限時(shí)間從33 min分別提高到53、73、94.5 min，增幅明顯.防火保護(hù)層厚度di是影響組合梁抗火性能的一個(gè)重要因素.

圖5鋼梁防火保護(hù)層厚度di不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.5 Time-vertical deflection at mid-span with different fire-insulation thickness

2.3 混凝土樓板相關(guān)參數(shù)

2.3.1 混凝土強(qiáng)度

μ=0.7時(shí)，混凝土強(qiáng)度fcu為20、30和40 MPa的組合梁跨中撓度-受火時(shí)間曲線見圖6.混凝土強(qiáng)度不同時(shí)組合梁耐火極限相差很小，整個(gè)受火過程中變形非常相近，耐火鋼組合梁的抗火性能不受混凝土強(qiáng)度等級(jí)的影響.

2.3.2 混凝土樓板厚度

μ=0.7時(shí)，樓板厚度hc為100、120和150 mm時(shí)組合梁跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖7.隨著受火時(shí)間增長，樓板越厚組合梁跨中撓度變形越大，但差別不大，耐火極限相差也很小.主要是樓板厚度增加，組合梁常溫下極限承載力增大，相同荷載比下樓板越厚的組合梁鋼梁承擔(dān)的荷載越大.樓板厚度對(duì)鋼梁截面的升溫影響不大，受火過程中鋼梁截面溫度分布基本相同，故荷載越大組合梁變形就越大.達(dá)到耐火極限附近時(shí)，鋼梁基本失去承載力，樓板厚對(duì)截面抵抗變形能力的影響很小，故耐火極限相差不大.所以樓板厚度對(duì)組合梁的耐火極限影響不大.

圖6 混凝土強(qiáng)度等級(jí)不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.6 Time-vertical deflection at mid-span with different concrete strength

圖7 混凝土樓板厚度不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.7 Time-vertical deflection at mid-span with different concrete slab thickness

2.3.3 混凝土樓板寬度

μ=0.7時(shí)，混凝土樓板寬度為1 200、1 500、1 800 mm的組合梁跨中撓度-受火時(shí)間曲線見圖8.

當(dāng)樓板寬度小于有效翼緣寬度(基本模型為1 350 mm)時(shí)，相同荷載比下增大樓板寬度，組合梁耐火極限減??；而樓板寬度超過有效寬度時(shí)，繼續(xù)增大板寬對(duì)組合梁的抗火性能影響很小.主要是由于鋼梁對(duì)組合梁的抗火性能有著決定性的影響.增大樓板寬度，組合梁常溫下抗彎承載力提高，相同荷載比下荷載更大，而鋼梁的承載能力不變，則組合梁的高溫下抵抗變形的能力變差.而當(dāng)樓板寬度超過有效翼緣寬度時(shí)，繼續(xù)增大對(duì)組合梁常溫下和高溫下的承載力影響都不大，所以對(duì)耐火極限的影響也不大.

圖8 混凝土樓板寬度不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.8 Time-vertical deflection at mid-span with different concrete slab effective width

2.4 鋼梁相關(guān)參數(shù)

2.4.1 鋼梁材料強(qiáng)度

μ=0.7下，耐火鋼強(qiáng)度不同時(shí)組合梁跨中撓度-受火時(shí)間曲線見圖9.耐火鋼常溫屈服強(qiáng)度對(duì)組合梁抗火性能影響較小.

圖9 不同屈服強(qiáng)度鋼材時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.9 Time-vertical deflection at mid-span with different steel strength

2.4.2 鋼梁截面尺寸

1)腹板高度.μ=0.7下，鋼梁腹板高度不同時(shí)組合梁跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖10.增加鋼梁腹板高度，組合梁高溫下抵抗變形的能力增加，但耐火極限相差不大.主要是鋼梁腹板截面形狀系數(shù)(Fi/V)隨板件厚度變化，在相同升溫曲線下升溫過程類似.鋼梁越高截面抗彎剛度越大，受火前期變形越小，而受火后期鋼梁截面基本失去承載能力，組合梁的耐火極限相差不大.甚至由于腹板高度更大的組合梁相同荷載比下荷載更大，其在高溫下截面抗彎剛度削弱更快，接近耐火極限時(shí)的變形速率更快，變形更加突然.

圖10 鋼梁腹板高度不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.10 Time-vertical deflection at mid-span with different web height of steel beam

2)腹板厚度.μ=0.7下，鋼梁腹板厚度不同時(shí)組合梁跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖11.相同荷載比下，增加鋼梁腹板厚度，組合梁的耐火極限時(shí)間增加，但幅度不大.

3)翼緣寬度.μ=0.7下,改變鋼梁翼緣寬度時(shí)組合梁跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖12.相同荷載比條件下，增加鋼梁翼緣寬度，組合梁的耐火進(jìn)行時(shí)間有一定增加.

圖11 鋼梁腹板厚度不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.11 Time-vertical deflection at mid-span with different web thickness of steel beam

圖12 型鋼梁翼緣寬度不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.12 Time-vertical deflection at mid-span with different flange width of steel beam

4)翼緣厚度.μ=0.7下，鋼梁翼緣厚度不同時(shí)組合梁跨中撓度-受火時(shí)間曲線見圖13.相同荷載比下，增加鋼梁翼緣厚，組合梁的耐火時(shí)間增加.

圖13 型鋼梁翼緣厚度不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.13 Time-vertical deflection at mid-span with different flange thickness of steel beam

2.5 混凝土板中縱向鋼筋

荷載比μ=0.7時(shí)，改變樓板中縱向鋼筋直徑(配筋率)，組合梁跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖14.相同荷載比下，增大縱向鋼筋直徑，組合梁耐火極限時(shí)間變小.原因和樓板寬度類似，增大鋼筋直徑，組合梁常溫下極限承載力增加，相同荷載比下荷載更大.但鋼筋直徑增加對(duì)高溫下組合梁截面抗彎能力的影響不大，反而變相增大了荷載比.鋼筋直徑增加到一定值后，繼續(xù)增大組合梁高溫下的變形性能和耐火極限相差很小.所以，背火面鋼筋并不是組合梁抗火性能的主要影響參數(shù).

圖14 背火面縱向鋼筋不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

Fig.14 Time-vertical deflection at mid-span with different diameter of longitudinal reinforcements

3 兩種鋼-混凝土組合梁抗火性能比較

比較防火涂料保護(hù)下采用相同強(qiáng)度等級(jí)耐火鋼和普通鋼的組合梁在不同條件下的抗火性能，普通鋼高溫力學(xué)性能指標(biāo)按BS 5950[16]選取.

防火涂料厚度為10 mm時(shí)，不同荷載比下耐火鋼組合梁和普通鋼組合梁的跨中撓度隨受火時(shí)間的變化見圖15.荷載比較小時(shí)，火災(zāi)下耐火鋼組合梁變形性能明顯好于普通鋼組合梁.其中，當(dāng)荷載比分別為0.5、0.6、0.7、0.8時(shí)，耐火鋼-混凝土組合梁的耐火極限比普通鋼組合梁分別提升了40.7%、36.8%、34.2%、34.6%.隨著荷載比的增大，耐火鋼組合梁耐火極限的提高程度降低.

圖15 荷載比不同時(shí)跨中撓度-時(shí)間曲線

而相同荷載比下，防火涂料厚度不同時(shí)耐火鋼、普通鋼-組合梁的耐火極限時(shí)間的比較見表1.

表1 耐火鋼和普通鋼組合梁耐火極限比較

從表1可看出，荷載比為0.5，涂料厚度分別為10、15和20 mm時(shí)，耐火鋼組合梁的耐火極限比普通鋼組合梁提升了40%左右.此時(shí)，若耐火極限為1.5 h，耐火鋼組合梁所需涂料厚度約為12.4 mm，而采用普通鋼的話，涂料厚度約為18.3 mm，使用耐火鋼涂料厚度減小5.9 mm.若耐火極限為2 h，耐火鋼組合梁所需涂料厚度約為17.5 mm，而采用普通鋼則至少需要25.1 mm，使用耐火鋼涂料厚度減小7.6 mm.荷載比為0.7，涂料厚度分別為10、15和20 mm時(shí)，耐火鋼組合梁的耐火極限比普通鋼組合梁提升了35%左右.此時(shí)，若耐火極限達(dá)到1.5 h，耐火鋼組合梁需涂料厚度約為18.9 mm，而普通鋼組合梁約為26.3 mm，使用耐火鋼后涂料厚度減小7.4 mm.若要耐火極限達(dá)到2 h，耐火鋼組合梁所需涂料厚約25.9 mm，而采用普通鋼的話至少要35.6 mm，使用耐火鋼涂料厚減小9.7 mm.

4 和規(guī)程方法耐火極限的比較

建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范(CECS 200:2006)中給出中國組合梁抗火設(shè)計(jì)的方法.根據(jù)其中承載力法計(jì)算本文有限元分析中的耐火鋼-混凝土組合梁的耐火極限，和有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比見圖16.

荷載比小于0.6時(shí)規(guī)程方法計(jì)算的耐火極限結(jié)果偏小，荷載比越小結(jié)果越保守；隨著防火涂料厚度的增加，規(guī)范計(jì)算結(jié)果與有限元結(jié)果的偏差增大.荷載比大于0.6時(shí)，有限元法按跨中豎向變形達(dá)到l/30確定的耐火極限低于規(guī)范結(jié)果.

圖16 耐火極限計(jì)算值比較

Fig.16 Comparison of the fire resistance time between the code method and the FEM

高溫下，材料的強(qiáng)度和彈性模量降低使構(gòu)件的承載力下降.中國規(guī)程和歐洲規(guī)范(EC4)中承載力法計(jì)算組合梁的耐火極限時(shí)在構(gòu)件溫度和承載力的計(jì)算上都基于相同的理論，但某些參數(shù)的取值不同，比如鋼梁溫度的計(jì)算.歐洲規(guī)范建議鋼梁腹板和下翼緣的溫度分開計(jì)算，中國規(guī)范是將腹板和下翼緣組成的⊥型構(gòu)件按照四面受火考慮.當(dāng)腹板厚度和翼緣厚度相同時(shí)，計(jì)算所得的腹板和下翼緣溫度結(jié)果差別不大，但翼緣較厚時(shí)，一體計(jì)算的下翼緣溫度則比分開計(jì)算時(shí)偏高.因此采用歐洲規(guī)范的方法對(duì)耐火鋼組合梁可能更為適合.

5 結(jié) 論

1)荷載比和鋼梁防火保護(hù)層厚度對(duì)耐火鋼-混凝土組合梁抗火性能影響顯著，荷載比越小，保護(hù)層厚度越大，耐火性能越好.

2)相同荷載比下，鋼梁板件厚、翼緣寬等對(duì)耐火鋼-混凝土組合梁的抗火性能有一定有利影響.材料強(qiáng)度、鋼梁高和樓板厚、樓板寬和樓板中縱向鋼筋直徑則對(duì)耐火鋼-混凝土組合梁的耐火極限影響不大.

3)同等條件下，防火板比防火涂料具有更好的防火保護(hù)效果.

4)對(duì)比普通鋼-混凝土組合梁，一定火災(zāi)條件下，耐火鋼-混凝土組合梁的抗火性能更好.本文算例中，荷載比為0.5～0.7，使用耐火鋼替換普通鋼組合梁的耐火極限可提高35%～40%；當(dāng)耐火極限為1.5～2 h時(shí)，可節(jié)約防火涂層用量30%左右.

5)采用中國規(guī)范中組合梁抗火計(jì)算方法對(duì)耐火鋼-混凝土組合梁進(jìn)行抗火計(jì)算，荷載比較小時(shí)偏保守.

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[13]蔣翔, 童根樹, 張磊. 耐火鋼-混凝土組合梁抗火性能試驗(yàn)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2016,50(8):1463-1470.DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2016.08.006.

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(編輯趙麗瑩)

Fire-resistanceperformanceofsimplysupportedfire-resistantsteel-concretecompositebeams

JIANG Xiang, TONG Genshu, ZHANG Lei

(Department of Civil Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China)

To study the fire performances of the simply supported fire-resistant steel-concrete composite beams (FRSCCB), the simply supported FRSCCB with fireproof coating and fire-proof board under standard fire were simulated by the finite element (FE) software ABAQUS. The effects of the load-ratio, the fire-insulation of the steel beam, the strength of materials, the section profiles and the diameter of longitudinal rebars in the concrete slab on the fire performance of the simply supported FRSCCB were analyzed. It is shown that the two most important factors, which influence the fire resistance for the simply supported FRSCCB, are the load-ratio and the fire-insulation thickness of the steel beam. The thicknesses of the beam plates and the width of the beam flange have favorable effect on the FRSCCB performance, but the strength of materials, the height of the beam, the thickness of the slab and diameter of the rebars have less influence. The fire-proof board has better fire-proof protection effect than the fire-proof coating under the same condition. When load ratio is 0.5～0.7, the fire-resistance limitation is increased by over 35% and the fire-insulation thickness can be decrease by 30% when the FRSCCB is used. The simplified calculation method for predicting the fire resistance limit according to Chinese code (CECS 200:2006) is conservative compared with the FE results when the load-ratio is small.

fire-resistant steel; composite beam; parameter analysis; fire resistance performance; fire resistance limit

10.11918/j.issn.0367-6234.201610101

TU352.5; TU375.1

A

0367-6234(2017)12-0068-07

2016-10-24

國家科技支撐計(jì)劃(2012BAJ13B04)

蔣 翔(1989—)，男，博士研究生；

童根樹(1963—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

童根樹，tonggs@zju.edu.cn