鋼框架內(nèi)嵌鋼板剪力墻高溫抗火性能分析

米琳琳 張瀚天 姜 靜

（1.牡丹江大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 牡丹江 157011；2.佳木斯大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154000）

1 引言

20世紀(jì)初，國外已開始對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗火性能進(jìn)行研究，各國專家對(duì)火災(zāi)下鋼構(gòu)件和鋼結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行抗火性能的試驗(yàn)研究和模擬分析，取得了一定的研究成果。[1]-[3]我國對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗火研究起步較晚，隨著鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，經(jīng)過學(xué)者們的不懈努力，我國關(guān)于鋼材耐火時(shí)間、判斷抗火失效準(zhǔn)則等研究逐漸成熟。但是，對(duì)于鋼板剪力墻抗火性能的研究較少，這直接影響整個(gè)結(jié)構(gòu)安全性，更影響鋼板剪力墻在實(shí)際工程中的應(yīng)用。本文應(yīng)用ABAQUS有限元軟件建立三層三跨鋼框架內(nèi)嵌鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，研究不同位置起火對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)抗火性能的影響，找出受火最不利位置和薄弱構(gòu)件，為抗火設(shè)計(jì)提供參考。

2 有限元方法及驗(yàn)證

本文應(yīng)用有限元軟件ABAQUS模擬文獻(xiàn)[4]中單層鋼框架火災(zāi)試驗(yàn)，溫度按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加載，ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線見圖1。

圖1 ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線

對(duì)比模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果（見圖2-圖4）發(fā)現(xiàn)趨勢上吻合較好，說明應(yīng)用ABAQUS軟件模擬鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的可行性。溫度最大誤差在測點(diǎn)5的10min，誤差最大為33%，誤差原因是試驗(yàn)初始溫度高于室溫，在試驗(yàn)過程中試驗(yàn)爐內(nèi)采用燃油點(diǎn)燃噴火裝置，雖然升溫采用的是ISO-834升溫曲線，但爐內(nèi)溫度仍是高于升溫曲線。柱頂側(cè)向位移最大誤差為25%，造成誤差的原因主要是模擬與試驗(yàn)的溫度誤差導(dǎo)致產(chǎn)生的應(yīng)力大小不同，此外鋼材含碳量、構(gòu)件初始缺陷等也影響結(jié)果。

圖2 柱溫度-時(shí)間曲線

圖3 梁溫度-時(shí)間曲線

圖4 柱頂側(cè)向位移-溫度曲線

3 有限元分析

建立三層三跨鋼框架內(nèi)嵌鋼板剪力墻結(jié)構(gòu)，層高3m，跨度5.4m，鋼板尺寸5×2.64×0.01m，梁截面尺寸H360×200×10×15.8mm，柱截面尺寸H400×300×13.5×24mm，鋼材均采用Q235。對(duì)梁柱連接節(jié)點(diǎn)以及梁腹板限制平面外位移，梁上作用有均布荷載39kN/m，軸壓比0.4。假設(shè)材料為理想彈塑性體，鋼材容重7850kg/m3，初始彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度290MPa。鋼材的熱工性能按歐洲規(guī)范選取，[5][6]力學(xué)性能按李國強(qiáng)教授[7]給出的公式選取。鋼板單面受火，初始溫度為20℃，按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加載，加熱1500s。

為研究不同位置受火對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)抗火性能的影響，由于結(jié)構(gòu)具有對(duì)稱性，因此建立六種工況，鋼板單面受火，工況設(shè)置見圖5，對(duì)比分析火災(zāi)下六種工況結(jié)構(gòu)變形（梁撓度、柱側(cè)向位移）和內(nèi)力變化（鋼板應(yīng)力）。

圖5 工況1-工況6受火示意圖

火災(zāi)下，判斷鋼結(jié)構(gòu)整體達(dá)到極限承載力標(biāo)準(zhǔn)為：

（1）結(jié)構(gòu)喪失整體穩(wěn)定性；

（2）結(jié)構(gòu)達(dá)到不適合繼續(xù)承載的變形，計(jì)算公式如下：

從火災(zāi)發(fā)生到結(jié)構(gòu)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)整體達(dá)到極限承載狀態(tài)所用時(shí)間即為結(jié)構(gòu)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)整體的耐火時(shí)間。本文梁撓度限值；柱側(cè)向位移限值，即當(dāng)梁撓度、柱側(cè)向位移超過對(duì)應(yīng)極限值時(shí)，視為構(gòu)件破壞或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 梁撓度分析

鋼梁在常溫下無明顯變形，但隨著溫度的升高，梁撓度呈非線性變化。從圖6可知工況1、2、4、5變形趨勢一致，工況3、6趨勢一致且變形最大，這是因?yàn)楣r3、6直接與梁連接，鋼板受熱膨脹對(duì)梁產(chǎn)生向上推力，撓度增大塑性增強(qiáng)。當(dāng)鋼板溫度升到一定時(shí)，溫度開始由高溫部位向低溫部位傳遞，同時(shí)兩側(cè)鋼柱有側(cè)向位移對(duì)梁產(chǎn)生拉力抑制梁的變形。工況3、6達(dá)到變形極限0.02m時(shí)，對(duì)應(yīng)的破壞時(shí)間分別是675s、608s，根據(jù)失效標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)起火點(diǎn)位于工況3、6時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)最不利，梁構(gòu)件破壞是由于鋼板膨脹變形導(dǎo)致的，雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然保持受力狀態(tài)并未失穩(wěn)，但也應(yīng)加強(qiáng)梁構(gòu)件和鋼板的防火保護(hù)。

圖6 不同工況梁撓度曲線圖

圖7 不同工況柱側(cè)向位移曲線圖

4.2 柱側(cè)向位移分析

剛度隨溫度的升高而降低，從圖7可知柱側(cè)向變形越來越大，工況1、2、3變形趨勢一致且側(cè)向變形最大，原因是工況1-3位于邊跨，柱左側(cè)缺少約束，尤其是工況3位于頂層邊跨，缺少上部和左側(cè)的約束作用使得柱側(cè)向變形最大，隨著時(shí)間增長曲線有變緩趨勢說明鋼板升溫到一定時(shí)，溫度將從高溫鋼板向周圍低溫構(gòu)件傳遞，鋼板膨脹變形減弱，此時(shí)柱變形趨于穩(wěn)定，側(cè)向位移分別為20.44mm、19.90mm、25.4mm，未達(dá)到變形極限，可繼續(xù)承載。工況4、5、6變形曲線呈先增大后減小趨勢，這是因?yàn)殇摪迨軣崤蛎泴?duì)柱有側(cè)向推力，又對(duì)梁有向上推力，使得梁向上變形時(shí)對(duì)柱產(chǎn)生拉力，同時(shí)工況4、5、6位于結(jié)構(gòu)中跨，柱變形受周圍構(gòu)件約束作用。說明起火源位于邊跨，尤其是位于頂層邊跨，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向位移最大，雖然沒達(dá)到柱變形極限，但柱為抗火關(guān)鍵構(gòu)件，在抗火設(shè)計(jì)時(shí)仍需多加考慮。

4.3 鋼板受火面應(yīng)力分析

圖8 不同時(shí)刻工況1應(yīng)力分布云圖

不同工況應(yīng)力變化具有相似性，選取工況1應(yīng)力變化為例進(jìn)行分析，見圖8。0s時(shí)結(jié)構(gòu)處于室溫狀態(tài)，在外力作用下柱存在初始應(yīng)力；受火初期，鋼板和鋼框架應(yīng)力最大，隨著溫度升高傳熱加劇，應(yīng)力重新分布并且分布比常溫復(fù)雜，受火結(jié)束時(shí)應(yīng)力主要集中在梁柱節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是彎矩最大的地方，鋼板應(yīng)力最小，這符合鋼板只承受水平荷載不承受豎向荷載的設(shè)計(jì)要求。由上述分析可知，梁柱節(jié)點(diǎn)是受火薄弱部位應(yīng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)保護(hù)；不同工況受火將增大相鄰間的應(yīng)力，在做防火設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行考慮。

5 結(jié)論

（1）高溫下梁撓度最大的是工況6即頂層中跨，破壞時(shí)間是608s；其次是工況3，位于頂層邊跨，破壞時(shí)間是675s。研究表明起火源越靠近梁，梁變形越大，對(duì)梁構(gòu)件越不利。雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然保持受力狀態(tài)并未失穩(wěn)，但也應(yīng)加強(qiáng)梁構(gòu)件和鋼板的防火保護(hù)。

（2）六種工況在高溫環(huán)境中，柱側(cè)向位移最大的工況1、2、3，分別為20.44mm、19.90mm、25.4mm，側(cè)向位移未達(dá)到變形極限，可繼續(xù)承載；工況4、5、6變形較小，說明變形與起火源位置和約束條件有關(guān)，邊跨受火對(duì)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形最不利。

（3）在外力作用下鋼板存在初始應(yīng)力，受火初期鋼板和鋼框架應(yīng)力最大，受火結(jié)束時(shí)應(yīng)力主要集中在梁柱節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定具有重要作用，應(yīng)加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)保護(hù)。