鋼梁在火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)行為分析

楊愷

摘要：鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強(qiáng)度高、施工快等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑工程、市政工程和水利工程。但鋼材本身不耐火，隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的迅猛發(fā)展，火災(zāi)條件下鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能研究變得越來越重要。以受火災(zāi)的鋼梁為研究對象，采用ABAQUS有限元模擬分析了鋼梁結(jié)構(gòu)在火災(zāi)條件下的狀態(tài)和抗火性能。深入分析了有防火措施和無防火措施條件下鋼梁在線性火、標(biāo)準(zhǔn)火和參數(shù)火不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和撓度及其影響因素，進(jìn)一步提出了提升鋼梁防火效果的建議。研究成果可為鋼梁防火設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：鋼梁;ABAQUS;火災(zāi);應(yīng)力應(yīng)變;溫度;撓度

中圖法分類號：TU391

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0053-06

鋼結(jié)構(gòu)廣泛使用于建筑工程、市政工程和水利工程中。鋼的延性行為允許塑性變形（如屈服）而不會造成脆性破壞。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋通過承受拉力來幫助增強(qiáng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。盡管鋼材有重量輕、強(qiáng)度高、施工快等優(yōu)點(diǎn)，但鋼材本身不耐火，易受火災(zāi)影響。對于未受保護(hù)的鋼梁，在火災(zāi)條件下可能會遇到溫度高于550℃導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度失效以及溫度高于620℃產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過度形變等問題。有關(guān)研究表明，火災(zāi)引起的高溫會導(dǎo)致鋼材的強(qiáng)度和剛度降低，鋼材過度變形從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。另外，鋼梁受熱可以等效為增加了附加溫度荷載，隨著荷載的增大，撓度基本上按荷載增大的比例而線性增大。曹元元指出，高溫下鋼梁承載力較常溫有顯著降低，當(dāng)溫度超過700℃時，鋼材基本喪失承載能力。

結(jié)構(gòu)防火安全是高層建筑設(shè)計中最重要的考慮因素之一，其中鋼通常是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的首選材料，如果建筑采用無防火保護(hù)措施的鋼結(jié)構(gòu)，那么一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)會在短時間內(nèi)遭到破壞，甚至倒塌，從而造成難以估量的損失。

目前，主要通過物理試驗和數(shù)值仿真來對鋼材的抗火性能進(jìn)行研究。叢術(shù)平等對采用軋制H型鋼的簡支梁在不同荷載水平作用下的抗火性能進(jìn)行了試驗研究，試驗中采用水平燃油爐對試件進(jìn)行升溫。由于物理試驗耗時間、成本高，且需要進(jìn)行大量重復(fù)試驗，而數(shù)值分析可以減少測試次數(shù)并縮小單個構(gòu)件的結(jié)果與較大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)果之間的差距。因此，許多研究工作旨在開發(fā)數(shù)值模型，通過較便利的計算機(jī)模擬來預(yù)測遭受火災(zāi)的鋼梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際行為。近年來，許多文獻(xiàn)介紹了用有限元分析法分析梁的受力成果。如郝聰龍等以ABAQUS為平臺，提出了模擬鋼-混凝土組合梁在火災(zāi)作用下的溫度場仿真模型，為后續(xù)熱力耦合分析，將溫度荷載施加到結(jié)構(gòu)分析中打下了基礎(chǔ)。李娟等以ANSYS為平臺，研究了火災(zāi)條件下不同溫升速率對簡支梁耐火時間的影響。

本文采用ABAQUS有限元程序研究了火災(zāi)條件下鋼梁的抗火性能，使用發(fā)泡型防火涂料作為鋼梁受保護(hù)條件，針對不受保護(hù)和受保護(hù)條件，對線性火、標(biāo)準(zhǔn)（ISO）火和參數(shù)火3種火災(zāi)工況下鋼梁的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和撓度進(jìn)行了探討，對火災(zāi)中鋼梁失效的影響因素進(jìn)行了深入分析，在此基礎(chǔ)上提出了提升鋼梁防火效果的建議。

1分析方法

1.1鋼梁與火災(zāi)條件設(shè)定

本文采用ABAQUS有限元程序?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)建筑中的一根鋼梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。鋼框架結(jié)構(gòu)為30m×30m，梁跨度7.5m，作用在鋼梁上的永久載荷G_k=2.9kN/m²，可變荷載Q_k=2.5kN/m²，分項安全系數(shù)分別為1.35和1.5，鋼梁規(guī)格為UB457×191×74，鋼材型號為S275，經(jīng)規(guī)范計算的最大允許撓度為37.5mm，受保護(hù)鋼梁使用的發(fā)泡型防火涂料厚度d_p=15mm，密度ρ_p=430kg/m³，定壓熱容c_p=1200J/（kg·K），熱導(dǎo)率λ_p=0.17W/（m·K）。鋼梁橫截面參數(shù)見圖1。

室內(nèi)火災(zāi)溫升曲線主要有馬忠誠模型、ASCE模型、歐洲規(guī)范模型、瑞典模型和標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線模型。以往研究通常基于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線分析鋼梁的火災(zāi)響應(yīng)特性，只有少數(shù)研究采用更接近實(shí)際火災(zāi)場景的BFD自然溫升曲線。為了更全面地分析鋼梁在火災(zāi)中的性態(tài)，本文考慮了線性火、標(biāo)準(zhǔn)火和參數(shù)火3種不同火災(zāi)條件：線性火指使用每分鐘10℃的線性加熱速率來分析火災(zāi)對鋼梁的影響;標(biāo)準(zhǔn)火是最常用的火，其通過預(yù)定義某些任意溫度一時間關(guān)系來表示火災(zāi)，大多數(shù)真實(shí)的火災(zāi)測試都使用標(biāo)準(zhǔn)火。通常分析標(biāo)準(zhǔn)火條件下的撓度、彎矩和軸向力;參數(shù)火是一種現(xiàn)實(shí)的火，它允許燃料負(fù)荷，通風(fēng)口和墻襯材料的組合產(chǎn)生時間-溫度關(guān)系。

1.2ABAQUS建模

為了研究鋼梁在不同火災(zāi)情況下的行為，使用C3D8R元件類型在ABAQUS中建立了三維實(shí)體模型，見圖2。工字型鋼梁由下翼緣（底部凸緣）、腹板和上翼緣（頂部凸緣）組成，鋼梁為簡單支撐（承）。當(dāng)鋼梁受到板的約束時，鋼梁在兩端的腹板和整個頂部凸緣處沿x方向受到約束。假設(shè)鋼梁在線性火、標(biāo)準(zhǔn)火和參數(shù)火條件下被均勻加熱。

2火災(zāi)中鋼梁結(jié)構(gòu)分析

從鋼梁的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和撓度3個方面對火災(zāi)中的鋼梁結(jié)構(gòu)行為進(jìn)行分析。

2.1應(yīng)力應(yīng)變分析

（1）線性火條件。圖3展示了線性火條件下未受保護(hù)鋼梁的米塞斯（mises）應(yīng)力，不同的顏色表示不同的米塞斯應(yīng)力的大小，其中紅色代表高米塞斯應(yīng)力區(qū)域，藍(lán)色代表低米塞斯應(yīng)力區(qū)域。在高溫和中跨荷載的共同作用下，鋼梁最終會發(fā)生相當(dāng)大的形變。隨著溫度線性增加，鋼梁強(qiáng)烈變形，紅色區(qū)域主要集中在鋼梁中部，表明米塞斯應(yīng)力在鋼梁中部非常大。

（2）標(biāo)準(zhǔn)火條件。圖4和圖5分別展示了受發(fā)泡型防火涂料保護(hù)和未受保護(hù)的鋼梁在標(biāo)準(zhǔn)火條件下的米塞斯應(yīng)力。類似于線性火，標(biāo)準(zhǔn)火可以加熱鋼梁至失效，但標(biāo)準(zhǔn)火的溫度是在前50min內(nèi)非?？焖俚卦黾?，然后緩慢增加。從圖4可以看出，受保護(hù)條件下藍(lán)色區(qū)域較大，紅色區(qū)域很小，甚至基本沒有，表明受保護(hù)鋼梁的米塞斯應(yīng)力較低且均勻分布在鋼梁上。受保護(hù)的鋼梁在高溫和中跨荷載的共同作用下發(fā)生形變，并且將梁中的力傳遞到其末端，再通過連接傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上。

由圖5所示，在標(biāo)準(zhǔn)火條件下未受保護(hù)的鋼梁中部（紅色區(qū)域）米塞斯應(yīng)力非常大，鋼梁發(fā)生大幅形變，拱形的幅度明顯更大。對比受保護(hù)和未受保護(hù)鋼梁的抗火性能可知，防火材料可以強(qiáng)化鋼梁并改變材料性能，使鋼梁內(nèi)部均勻傳熱，并保持較低的米塞斯應(yīng)力，使鋼梁取得了更好的耐火效果。

此外，未受保護(hù)的鋼梁的兩個端部連接幾乎損壞。對比發(fā)現(xiàn)線性火條件下未受保護(hù)的鋼梁比標(biāo)準(zhǔn)火條件下的鋼梁損壞更為嚴(yán)重，這是因為線性火會把鋼梁加熱到更高的溫度，使鋼梁的強(qiáng)度和剛度隨溫度的升高而下降。

（3）參數(shù)火條件。圖6和圖7分別展示了受保護(hù)和未受保護(hù)的鋼梁在參數(shù)火條件下的米塞斯應(yīng)力。參數(shù)火不會將梁加熱到失效，而只會加熱到結(jié)構(gòu)梁失效時的臨界溫度。從圖6可以看出，參數(shù)火條件下鋼梁保持較低的米塞斯應(yīng)力，且均勻分布。與標(biāo)準(zhǔn)火類似，受保護(hù)的鋼梁在高溫和中跨荷載的共同作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)，并且將梁中的力傳遞到其末端，再通過連接傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上。

圖7中未受保護(hù)的鋼梁在參數(shù)火條件下發(fā)生了相當(dāng)大的偏轉(zhuǎn)，展示了幅度更大的形變和更高的米塞斯應(yīng)力。

對比圖5和圖7可知，標(biāo)準(zhǔn)火條件下未受保護(hù)的鋼梁比參數(shù)火條件下的鋼梁損壞得更嚴(yán)重，而參數(shù)火不會加熱鋼梁至失效。

綜上可知，鋼梁在線性火中的損壞最嚴(yán)重，標(biāo)準(zhǔn)火次之，而參數(shù)火中損壞最輕。

2.2熱分析

2.2.1線性火條件

線性火條件溫度隨時間線性增加，因此溫度一時間曲線是一條通過原點(diǎn)的直線。與形變曲線和撓度曲線不同，線性火災(zāi)中的熱分析僅顯示線性溫度一時間曲線。

2.2.2標(biāo)準(zhǔn)火條件

圖8為標(biāo)準(zhǔn)火條件下的溫度一時間曲線，包括氣體溫度、有保護(hù)鋼梁溫度和無保護(hù)鋼梁溫度。標(biāo)準(zhǔn)火溫度變化曲線是通過預(yù)先定義某些任意溫度一時間關(guān)系來表示火災(zāi)的最簡單方法，這種關(guān)系與通風(fēng)和邊界條件無關(guān)，因此標(biāo)準(zhǔn)火條件不符合真正的自然火災(zāi)條件，使得標(biāo)準(zhǔn)火和實(shí)際火災(zāi)之間的加熱速率和火災(zāi)持續(xù)時間的差異可能導(dǎo)致不同的結(jié)構(gòu)變化。

對于本文中的鋼梁，受保護(hù)和未受保護(hù)鋼梁的溫度都會隨著時間上升并持續(xù)增加。氣體溫度在前10min內(nèi)迅速上升，然后均勻緩慢增加。未受保護(hù)的鋼梁溫度快速上升但比氣體溫度低，當(dāng)溫度達(dá)到1000℃時，兩條曲線重合，表明鋼梁溫度與氣體溫度保持相同。此外，當(dāng)超過臨界溫度646.1℃時，未受保護(hù)的鋼梁溫度增加得更慢，但在約20min后，溫度會以原始速度升高（圖8中曲線斜率代表溫度的增加速度，在臨界溫度附近，曲線平緩，鋼梁溫度增加緩慢）。受保護(hù)的鋼梁溫度比其他溫度上升慢，并且在達(dá)到臨界溫度之前類似于線性溫度，而當(dāng)超過臨界溫度646.1℃時，受保護(hù)的鋼梁溫度增加得更慢，但在約20min后，溫度會恢復(fù)至原速度上升。氣體和未受保護(hù)鋼梁的最高溫度超過1000℃，而受保護(hù)鋼梁的最高溫度在800℃左右，遠(yuǎn)低于未受保護(hù)鋼梁的最高溫度（兩者相差200℃）。由于標(biāo)準(zhǔn)火條件下的溫度只有溫升階段，沒有達(dá)到最高溫度之后的溫降階段，因此其溫度變化曲線與真實(shí)的自然火災(zāi)存在差異。

然而，標(biāo)準(zhǔn)火條件并不能代表最嚴(yán)重的火災(zāi)條件，因為現(xiàn)在的辦公室往往在裝飾、家具、計算機(jī)和電子設(shè)備中包含大量的碳?xì)浠衔锶剂?，如聚合物、塑料、人造皮革和層壓板等，設(shè)計用于標(biāo)準(zhǔn)火條件下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能無法抵御真實(shí)火災(zāi)。

2.2.3參數(shù)火條件

圖9為參數(shù)火條件下的溫度一時間曲線。參數(shù)火條件下的溫度變化曲線考慮了隔間尺寸、燃料負(fù)荷、通風(fēng)條件以及隔間墻壁和天花板的熱性能。與標(biāo)準(zhǔn)火條件相比，可以給出更真實(shí)的火災(zāi)影響結(jié)果。

對于本文中的鋼梁，受保護(hù)和未受保護(hù)的鋼梁和氣體溫度達(dá)到最高溫度后再降低，溫度變化曲線為單峰函數(shù)。氣體溫度在最初的20min內(nèi)迅速升高，溫度達(dá)到約660℃，然后在不到20min內(nèi)迅速降至20℃。未受保護(hù)的鋼梁溫度快速上升至最高溫度約510℃，之后逐漸降至20℃。受保護(hù)的鋼梁溫度上升速度較慢，當(dāng)溫度達(dá)到240℃后逐漸緩慢降至20℃。從圖9可以看出，當(dāng)溫度升高時，氣體溫度比未受保護(hù)的鋼梁溫度上升快，而受保護(hù)的鋼梁溫度上升較慢。同樣，當(dāng)溫度下降時，氣體溫度比未受保護(hù)的鋼梁溫度下降快，而受保護(hù)的鋼梁溫度下降亦較慢。簡而言之，氣體溫度陡升陡降，受保護(hù)鋼梁溫度緩升緩降，未受保護(hù)鋼梁溫度介于兩者之間。參數(shù)火條件下氣體的最高溫度約為660℃，未受保護(hù)的鋼梁最高溫度約為510℃，受保護(hù)的鋼梁最高溫度約為240℃，受保護(hù)鋼梁和未受保護(hù)鋼梁的最高溫度相差約270℃。

參數(shù)火條件下的溫度變化曲線清楚地表明總時間段可分為加熱和冷卻兩個階段。

2.3撓度分析

2.3.1線性火條件

在ABAQUS分析中，相對時間用于簡化結(jié)構(gòu)行為：時間0-1表示負(fù)載施加周期，火從時間1開始施加。線性火條件下鋼梁溫度線性升高，但撓度不會線性增加。圖10展示了鋼梁在線性火條件下的撓度變化。起始值為22.005mm，當(dāng)相對時間變?yōu)?.01時，偏差降低為21.995mm，然后偏轉(zhuǎn)增加。在相對時間1.5和1.7之間，偏轉(zhuǎn)再次減小然后立即增加到14989.4mm（對應(yīng)相對時間為2），遠(yuǎn)大于規(guī)范中最大允許撓度37.5mm，表明鋼梁在線性火災(zāi)中失效。

2.3.2標(biāo)準(zhǔn)火條件

與線性火條件不同，標(biāo)準(zhǔn)火的實(shí)際時間是從相對時間轉(zhuǎn)移而來的。圖11為標(biāo)準(zhǔn)火條件下受保護(hù)鋼梁的撓度一時間曲線。由圖11可知，鋼梁初始撓度保持在22mm左右，300s后稍微下降持續(xù)約1min;500s后，當(dāng)達(dá)到受保護(hù)鋼梁臨界溫度時，撓度迅速增加到26mm，直到1200s。標(biāo)準(zhǔn)火條件下受保護(hù)鋼梁的最大撓度為27mm，略高于室溫值22mm，但低于規(guī)范的最大允許撓度37.5mm。因此受保護(hù)鋼梁在標(biāo)準(zhǔn)火條件下是安全的。

圖12為標(biāo)準(zhǔn)火條件下未受保護(hù)鋼梁的撓度-時間曲線。由圖12可知，撓度變化曲線可大致分為3個階段，在前600s內(nèi)撓度保持在22mm左右，之后緩慢增加，1000s后撓度增加得非?？?，最終撓度增加到800mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范計算的37.5mm的最大允許撓度，因此未受保護(hù)鋼梁在標(biāo)準(zhǔn)火條件下失效。

2.3.3參數(shù)火條件

圖13為參數(shù)火條件下受保護(hù)鋼梁的撓度-時間曲線。由圖13可知，在前700s內(nèi)，撓度從22.0mm減少到21.8mm，然后在1360s后撓度增加到24.5mm，略高于室溫值22.0mm，但低于規(guī)范的最大允許撓度37.5mm。因此受保護(hù)鋼梁在參數(shù)火條件下是安全的。

圖14為參數(shù)火條件下未受保護(hù)鋼梁的撓度-時間曲線。由圖14可知，在最初的300s內(nèi)，撓度保持在22.0mm左右，之后緩慢且均勻地增加，直至撓度達(dá)到最大，其值達(dá)46.0mm，超過規(guī)范的最大允許撓度37.5mm，因此參數(shù)火條件下未受保護(hù)鋼梁失效。

3火災(zāi)中鋼梁失效影響因素分析

本文在討論鋼梁結(jié)構(gòu)行為后發(fā)現(xiàn)許多因素導(dǎo)致未受保護(hù)的鋼梁結(jié)構(gòu)失效，主要影響因素如下。

（1）由于撓度過大導(dǎo)致失效。荷載作用在頂部翼緣的中間，頂部翼緣由混凝土保護(hù)，而鋼梁的另外3個表面暴露在火中，氣體溫度比鋼梁增加得快，會導(dǎo)致鋼梁的強(qiáng)度和剛度下降得更快。因此在火災(zāi)初期，鋼梁的撓度增長主要是由鋼梁截面的溫度梯度引起的，且鋼梁中部沒有約束，在火災(zāi)期間撓度很容易變得非常高，超過規(guī)范規(guī)定的最大允許撓度。

（2）由于溫度升高，鋼梁在火災(zāi)中受到遠(yuǎn)大于常溫時的附加應(yīng)力，導(dǎo)致鋼梁底部凸緣朝x，y兩端方向移動，而鋼梁的兩端和整個頂部凸緣在腹板中沿x方向受到約束，端部連接無法承載過大的應(yīng)力，且高溫下鋼梁的極限承載力較之常溫有很大的下降，因此鋼梁在高溫下容易失效。

4結(jié)論與建議

本文采用ABAQUS有限元程序?qū)€性火、標(biāo)準(zhǔn)火和參數(shù)火3種不同火災(zāi)條件下鋼梁的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和撓度進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

（1）線性火和標(biāo)準(zhǔn)火均可以將鋼梁加熱至失效，但線性火加熱溫度更高，因此線性火條件下的鋼梁比標(biāo)準(zhǔn)火條件下的鋼梁損壞得更嚴(yán)重;而參數(shù)火不會將鋼梁加熱到失效。因此，鋼梁在線性火中損壞最嚴(yán)重，標(biāo)準(zhǔn)火次之，參數(shù)火損壞最輕微。

（2）線性火溫度呈線性增加;標(biāo)準(zhǔn)火的溫度僅有一個溫升階段，達(dá)到最高溫度之后沒有溫降階段;參數(shù)火的溫度變化曲線分為加熱和冷卻兩個階段。由于參數(shù)火考慮了隔間尺寸、燃料負(fù)荷、通風(fēng)條件以及隔間墻壁和天花板的熱性能，因此更加適用于真實(shí)的火災(zāi)研究。

（3）未受保護(hù)的鋼梁最高溫度和最大撓度遠(yuǎn)高于受保護(hù)的鋼梁，其易形變?yōu)檩^大角度的拱形且兩個端部連接幾乎被損壞，因此要增加鋼梁防火保護(hù)，確保鋼梁不會因撓度過大而失效。

根據(jù)本文研究成果，建議從以下幾點(diǎn)提升鋼梁防火設(shè)計。

（1）鋼梁防火設(shè)計中需重點(diǎn)關(guān)注鋼梁的端部連接，該處的米塞斯應(yīng)力往往非常高。

（2）為防止火災(zāi)加熱階段鋼梁的拉伸破壞，可通過增大鋼梁的尺寸，減小米塞斯應(yīng)力值來實(shí)現(xiàn)。

（3）目前有許多防火技術(shù)可用于保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)，包括噴涂保護(hù)，用磚石、混凝土或其他防火覆層材料包裹等。此外，通過增加板的厚度可提供更好的熱傳遞，從而提升鋼梁的防火效果。

（編輯：李慧）