火災(zāi)下鋼框架耐火極限有限元分析

米琳琳 姜 靜 張瀚天

（1.牡丹江大學(xué)建筑工程學(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 前言

鋼結(jié)構(gòu)是當(dāng)今建筑業(yè)的熱點(diǎn)之一，隨著鋼結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼結(jié)構(gòu)抗火失效的例子也隨之增多，給人民生命和社會(huì)財(cái)產(chǎn)造成巨大損失。鋼材雖不是可燃材料但其導(dǎo)熱系數(shù)大，在火災(zāi)作用下力學(xué)性能顯著改變，使承載能力變?nèi)?，所以耐火性差是鋼材最主要缺點(diǎn)。近年來許多學(xué)者對(duì)鋼框架構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)等高溫后力學(xué)性能進(jìn)行了研究，[1]-[4]得出的結(jié)果為鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。本文應(yīng)用有限元軟件建立三層三跨鋼框架結(jié)構(gòu)，研究六個(gè)房間受火后溫度場(chǎng)分布、柱橫向位移、梁撓度變化。目的是得到鋼框架耐火時(shí)間和臨界溫度，為鋼結(jié)構(gòu)防火設(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)[5]中單層鋼框架火災(zāi)試驗(yàn)，模型見圖1。模型參數(shù)與試驗(yàn)相同，溫度按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加載。模擬選擇順序耦合，即先進(jìn)行熱分析再把熱分析結(jié)果導(dǎo)入力學(xué)模型中進(jìn)行力學(xué)分析。在熱分析中，鋼材和混凝土的熱工性能按T.T.Lie[6]給出的參數(shù)選取，受火構(gòu)件表面熱對(duì)流系數(shù)取25W/m2，熱 輻 射 取0.85W/m2，Stefan-Boltzmann常 數(shù)σ=5.67×10-8W/（m2·k4）。

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)如圖2所示，從圖3～圖5中可看出模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)上吻合較好，說明ABAQUS軟件模擬的可行性。圖3、圖4中測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)溫度高于模擬溫度，隨著時(shí)間推移溫度差越來越小，最大誤差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)向位移誤差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1 單層鋼框架模型

圖3 柱測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線對(duì)比

圖4 梁測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間曲線對(duì)比

圖2 柱和梁測(cè)點(diǎn)位置圖

圖5 鋼框架柱頂側(cè)向位移-溫度曲線對(duì)比

3 火災(zāi)下三層三跨鋼框架有限元分析

建立三層三跨鋼框架結(jié)構(gòu)，層高2.8m，跨度3.6m。梁、柱尺寸分別為H250×125×6×9和H200×200×8×12，均為Q235鋼，柱線剛度大于梁線剛度，滿足抗震要求。柱頂部作用有軸心荷載，外側(cè)柱荷載100kN，內(nèi)側(cè)柱荷載180KN，所有橫梁受均布荷載作用25kN/m，所有柱腳固定。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)度均為290MPa。高溫下鋼材的導(dǎo)熱、比熱以及熱膨脹系數(shù)均按歐洲規(guī)范EC3[7]和EC4[8]取值。

為研究火災(zāi)下鋼框架耐火時(shí)間和臨界溫度，假設(shè)火災(zāi)分別發(fā)生在六個(gè)房間。由于梁上部有混凝土板，柱腹部有防火墻，為了與實(shí)際情況相符合，故鋼梁三面受火，上部不受火，鋼柱一面受火。計(jì)算時(shí)，不考慮火源具體位置，假設(shè)同一截面上溫度相等。初始溫度為20℃，按ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線加載，60s為一個(gè)載荷步，加熱1500s。鋼框架模型見圖6。

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

（1）結(jié)構(gòu)整體喪失穩(wěn)定；

（2）受火梁跨中撓度f(wàn)≥L/250（L為梁的跨度）；

（3）柱橫向位移δ≥H/30（H為層高）。

本文梁破壞撓度f(wàn)≥3600mm/250=14.4mm，柱橫向破壞位移δ≥2800mm/30=93.33mm。

圖6 鋼框架模型

圖7 梁、柱截面溫度-時(shí)間曲線

3.1 溫度場(chǎng)分析

受火房間在不同時(shí)刻的溫度分布具有普遍規(guī)律，因此以一層邊跨為例研究受火房間溫度場(chǎng)分布。圖7反映的是受火梁、柱翼緣與腹板的溫度隨時(shí)間變化的關(guān)系?？煽闯?，梁溫度總體上高于柱溫度。梁腹板溫度最高，下翼緣溫度略低于腹板，這是因?yàn)榱喝媸芑?，腹板同時(shí)受到熱傳導(dǎo)和熱輻射的作用且腹板薄于翼緣。柱由內(nèi)翼緣至外翼緣溫度依次降低，柱腹板的防火墻充分起到了阻隔火勢(shì)蔓延的作用，僅靠熱傳導(dǎo)作用外翼緣溫度上升緩慢，最終溫度僅為67℃。

3.2 變形分析

3.2.1 一層邊跨與一層中跨變形分析

受火房間變形見圖8、圖9。由圖10、圖11可知鋼框架受火后，隨著溫度的升高，梁、柱變形越來越大。

圖8 一層邊跨變形圖

圖9 一層中跨變形圖

（1)一層邊跨受火時(shí)梁在0s～1080s剛度下降使撓度緩慢增長(zhǎng)，1080s～1140s強(qiáng)度顯著降低使撓度突然增大，在1140s時(shí)撓度增大到19.79mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時(shí)間是18min，臨界溫度743.10℃，梁構(gòu)件失效。柱橫向位移先在0s～1080s增大，后1080s～1500s減少，因?yàn)榱?、柱受熱膨脹使柱在X方向有位移，隨著梁在Y方向的撓度不斷增大對(duì)柱產(chǎn)生拉力，使得柱橫向位移逐漸減小，而在整個(gè)受火過程中柱橫向最大位移出現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)處41.757mm＜93.33mm，整個(gè)鋼框架并未失穩(wěn)。

（2）一層中跨受火時(shí)梁在0s～900s撓度緩慢增長(zhǎng)，900s～960s撓度突然增大，960s增大到17.043mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時(shí)間是15min，臨界溫度708.877℃，梁構(gòu)件破壞；柱橫向位移在0s～900s逐步增長(zhǎng)，900s～1500s逐漸減小，最大位移出現(xiàn)的時(shí)間晚于邊跨且最大位移小于邊跨，是因?yàn)橹锌缰軆蛇吔Y(jié)構(gòu)軸向力約束作用，限制其在橫向的發(fā)展。在整個(gè)受火過程中柱橫向最大位移出現(xiàn)在梁柱節(jié)點(diǎn)處16.927mm＜93.33mm，整個(gè)鋼框架保持穩(wěn)定。

3.2.2 二層邊跨與二層中跨變形分析

受火房間變形見圖12、圖13。由圖14、圖15可知：

圖10 一層梁撓度-時(shí)間曲線

圖11 一層柱橫向位移-時(shí)間曲線

圖12 二層邊跨變形圖

圖13 二層中跨變形圖

二層邊跨受火時(shí)梁從0s～1080s撓度緩慢增長(zhǎng)，1080s～1140s撓度突增，在1140s時(shí)撓度增大到17.295mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時(shí)間是18min，臨界溫度741.46℃，梁構(gòu)件失效；柱橫向位移在0s~1080s增大，1080s～1500s減少，整個(gè)受火過程中柱橫向最大位移40.635mm＜93.33mm，整個(gè)鋼框架并未失穩(wěn)。

二層中跨受火時(shí)梁從0s～1020s撓度緩慢增長(zhǎng)，1020s～1080s撓度突然增大，增大到21.369mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時(shí)間是17min，臨界溫度730.552℃，梁構(gòu)件破壞；柱橫向位移在0s～1020s逐步增長(zhǎng)，1020s～1500s逐步減小，在整個(gè)受火過程中柱橫向最大位移18.152mm＜93.33mm，整個(gè)鋼框架仍然保持穩(wěn)定。

圖14 二層梁撓度-時(shí)間曲線

圖15 二層柱橫向位移-時(shí)間曲線

2.2.3 三層邊跨與三層中跨變形分析

受火房間變形見圖16、圖17。由圖18、圖19可知：

（1）三層邊跨受火時(shí)梁在外力作用下先有向下?lián)隙龋捎谏喜繘]有房間的約束作用，柱、梁受火膨脹，此時(shí)膨脹產(chǎn)生的向上位移大于外力產(chǎn)生的向下位移因此撓度向上，隨著溫度升高剛度、強(qiáng)度下降梁向下?lián)隙炔粩嘣龃?，?440s時(shí)撓度增大到21.559mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時(shí)間是23min，臨界溫度792.01℃，梁構(gòu)件失效；整個(gè)受火過程柱橫向最大位移51.816mm＜93.33mm，整個(gè)鋼框架并未失穩(wěn)。

圖16 三層邊跨變形圖

圖17 三層中跨變形圖

圖18 三層梁撓度-時(shí)間曲線

圖19 三層柱橫向位移-時(shí)間曲線

（2）三層中跨受火時(shí)梁在1200s撓度增大到16.265mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時(shí)間是19min，臨界溫度為752.303℃，梁構(gòu)件破壞；柱橫向最大位移20.853mm＜93.33mm，整個(gè)鋼框架仍然保持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）結(jié)合分析可知，不同房間發(fā)生火災(zāi)對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)影響不同。本文每層邊跨耐火時(shí)間均長(zhǎng)于中跨耐火時(shí)間。6個(gè)受火房間中，耐火時(shí)間最短的是底層中跨15min，應(yīng)加強(qiáng)防火措施；耐火時(shí)間最長(zhǎng)的是三層邊跨23min。

（2）整個(gè)受火過程中，梁均先于柱破壞，需適當(dāng)加強(qiáng)梁構(gòu)件防火措施。

（3）三層邊跨的邊柱變形最大，由于上部及左（或右）側(cè)沒有任何約束作用，使得柱橫向位移最大51.816mm，雖然沒達(dá)到極限狀態(tài)，但在抗火設(shè)計(jì)中為薄弱構(gòu)件，需加強(qiáng)防火措施。