真實(shí)火災(zāi)下鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)的耐火性能分析

李雪微，黃 凱，徐 蕾

(大連民族大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連116650)

火災(zāi)是最嚴(yán)重、最頻發(fā)的災(zāi)害之一。其中建筑火災(zāi)更是對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重的危害，所以對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的抗火性能研究尤為重要。數(shù)十年來(lái)，研究人員對(duì)各類構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)以及框架結(jié)構(gòu)的耐火性能進(jìn)行了一系列的研究。例如章晴雯[1]利用ABAQUS軟件對(duì)型鋼混凝土柱進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析，重點(diǎn)研究受火后柱的溫度分布特點(diǎn)及其主要影響因素。呂俊利等[2]針對(duì)處于實(shí)際框架中的組合梁的耐火性能開(kāi)展了火災(zāi)試驗(yàn)。Hong，Varma[3]對(duì)鋼管混凝土柱的抗火性能進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明，隨著鋼材屈服強(qiáng)度、含鋼率以及截面高寬比的增加，耐火極限有降低的趨勢(shì)。馬云玲，白曉紅等[4]分析了在五種不同的受火條件下，三跨鋼筋混凝土連續(xù)梁的混凝土與鋼筋的應(yīng)力、梁的變形以及位移變化情況。在真實(shí)火災(zāi)下框架結(jié)構(gòu)的耐火性能研究方面，韓林海等[5]進(jìn)行了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁組合平面框架的真實(shí)火災(zāi)試驗(yàn)。得出結(jié)論：受火時(shí)，梁受節(jié)點(diǎn)區(qū)域的約束作用，引起懸鏈線效應(yīng)，加劇了受力柱的重力二階效應(yīng)，從而使得柱先發(fā)生破壞；火災(zāi)結(jié)束后，梁底部冷卻收縮易產(chǎn)生裂縫。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)結(jié)構(gòu)的耐火性能研究方面取得了大量的研究成果，許多研究成果在工程中得到廣泛的應(yīng)用，但是對(duì)真實(shí)火災(zāi)下鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)耐火性能的研究還很少見(jiàn)，因此本文利用ABAQUS有限元平臺(tái)對(duì)這類結(jié)構(gòu)在真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)下的整體耐火性能進(jìn)行初探，獲得真實(shí)火災(zāi)場(chǎng)中不同受火工況下框架結(jié)構(gòu)中梁的跨中撓度變形，框架節(jié)點(diǎn)豎向位移和水平位移，構(gòu)件的應(yīng)力變形分析等參數(shù)，以此得到框架結(jié)構(gòu)的耐火極限，并與標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)場(chǎng)下的耐火極限進(jìn)行對(duì)比分析。

1 有限元模型建立

1.1 鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)模型

以某民用建筑為研究背景，采用其中三層兩跨的框架結(jié)構(gòu)模型，其中該結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件截面尺寸分別為，鋼筋混凝凝土柱：500 mm×500 mm，鋼梁：450 mm×200 mm×9 mm×14 mm，層高為3 m，跨度為6 m，鋼材均選取Q345鋼，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)為C35。框架模型節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖如圖1。

圖1 框架節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖

Z1Z2Z3為柱，N1N2N3分別為柱頂所受的集中荷載，q為梁所受均布荷載，荷載工況見(jiàn)表1?？蚣芰涸O(shè)置3處不同的測(cè)點(diǎn)位置，測(cè)點(diǎn)位置如圖2。其中ABC三點(diǎn)為框架梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)處，DE為梁的跨中，受火工況如圖3。受火工況分為三種，分別是一層受火(I區(qū)域)、二層受火(Ⅱ區(qū)域)、三層受火(Ⅲ區(qū)域)，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[6]。

圖2 鋼梁截面測(cè)點(diǎn)圖

表1 荷載工況

a)Ⅰ區(qū)域 b)Ⅱ區(qū)域 c)Ⅲ區(qū)域圖3 不同火災(zāi)工況

1.2 溫度場(chǎng)模型

本文通過(guò)ABAQUS先建立鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)模型，根據(jù)框架尺寸和不同受火工況建立相關(guān)模型部件及材料信息，其中邊柱三面受火，中柱四面受火，鋼梁上翼緣背火，上翼緣以下均受火，受火面熱輻射系數(shù)0.5，輻射系數(shù)分布一致，表面熱交換膜層散熱系數(shù)25。鋼梁和鋼筋混凝凝土柱之間用Tie綁定，鋼筋骨架embed嵌入混凝土區(qū)域，混凝土部件選用DC3D8實(shí)體單元，鋼筋骨架選用DC1D2單元。環(huán)境溫度分別按標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線和FDS模擬的真實(shí)火災(zāi)下溫度曲線來(lái)進(jìn)行對(duì)比。FDS模擬真實(shí)火災(zāi)溫度曲線和標(biāo)準(zhǔn)溫度曲線如圖4～5。

圖4 FDS模擬真實(shí)火災(zāi)溫度-時(shí)間曲線圖

圖5 標(biāo)準(zhǔn)溫度-時(shí)間曲線

1.3 力學(xué)模型

建立力學(xué)模型，將溫度場(chǎng)模型計(jì)算的結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)文件導(dǎo)入力學(xué)模型的預(yù)定義場(chǎng)。鋼梁和鋼筋混凝凝土柱之間仍用Tie綁定，鋼筋骨架embed嵌入混凝土區(qū)域，鋼梁和柱之間接觸采用面與面接觸，鋼梁為從表面，柱為主表面，摩擦包括法向行為和切向行為，法向行為采用“硬接觸”，切向行為采用庫(kù)倫摩擦，罰函數(shù)，摩擦系數(shù)取0.6。在此力學(xué)分析中，柱上端只允許豎直位移和平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，柱下端只允許平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；梁端限制平面外運(yùn)動(dòng)。柱上端通過(guò)參考點(diǎn)耦合施加集中力，每根梁上表面通過(guò)Pressure施加均布荷載。實(shí)體部件網(wǎng)格選用C3D8R實(shí)體單元，鋼筋骨架選用T3D2桁架單元。

2 抗火性能分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

分別將兩種溫度曲線引入到溫度場(chǎng)計(jì)算中，3種工況框架的整體溫度場(chǎng)分布云圖如圖6。梁ABC各測(cè)點(diǎn)的溫度曲線變化如圖7、圖8。

圖8 鋼梁溫度-時(shí)間關(guān)系曲線(ISO)

以I區(qū)域底層受火為例，展示了鋼梁在FDS模擬的真實(shí)火災(zāi)溫度曲線和ISO標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線下的三處測(cè)點(diǎn)溫度-時(shí)間變化圖如圖7、圖8。FDS曲線下先上升之后降溫到400℃后趨于平緩。而ISO曲線下三個(gè)測(cè)點(diǎn)整體趨勢(shì)基本保持一致，整體呈上升趨勢(shì)。由圖可以看出，測(cè)點(diǎn)B即鋼梁腹板溫度最高，測(cè)點(diǎn)C即鋼梁下翼緣溫度最低。邊柱三面受火柱和中柱四面受火柱溫度場(chǎng)分布云圖如圖9、圖10?？梢钥闯鏊拿媸芑鹬伤拿娼Y(jié)點(diǎn)溫度最高，向內(nèi)結(jié)點(diǎn)溫度逐漸呈降低趨勢(shì)，柱芯溫度最低，分布均勻。三面受火柱由受火的三面溫度最高，不受火面和柱芯溫度最低。

圖9 三面受火柱溫度場(chǎng)分布云圖

圖10 四面受火柱溫度場(chǎng)分布云圖

2.2 力學(xué)模型分析

將溫度場(chǎng)計(jì)算出來(lái)不同受火工況結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)溫度文件引入力學(xué)模型，并設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)和部件模型，計(jì)算得到組合框架不同受火工況的力學(xué)模型變形云圖如圖11?；馂?zāi)模擬的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)各受火區(qū)域?qū)τ诳蚣艿钠茐闹饕性阡摿旱目缰凶冃纹茐模谡麄€(gè)過(guò)程中幾乎沒(méi)有發(fā)生變形，這是因?yàn)殇摬牡臒崤蛎浵禂?shù)比混凝土大，所以在此變形云圖中，鋼梁跨中呈現(xiàn)的變形最大，處于紅色中心區(qū)，鋼梁由中心向兩邊逐漸降低變形度。

a)Ⅰ區(qū)域 b)Ⅱ區(qū)域 c)Ⅲ區(qū)域圖11 框架結(jié)構(gòu)變形云圖

2.2.1 梁跨中撓度變形及應(yīng)力分析

(1)鋼梁跨中撓度曲線。組合框架鋼梁的跨中撓度曲線如圖12。D點(diǎn)、E點(diǎn)分別為梁跨中左右側(cè)面中點(diǎn)。FDS曲線下是跨中撓度處于Ⅲ區(qū)域時(shí)最大，ISO曲線下處于Ⅱ區(qū)域時(shí)最大，且兩邊梁D、E點(diǎn)變化基本一致。ISO曲線下D點(diǎn)、E點(diǎn)跨中撓度變化最為一致，幾乎重疊為一條直線，跨中最大位移為295.7 mm。FDS和ISO曲線下梁跨中位移見(jiàn)表2。

a)Ⅰ區(qū)域(FDS) b)Ⅰ區(qū)域(ISO)

c)Ⅱ區(qū)域(FDS) d)Ⅱ區(qū)域(ISO)

e)Ⅲ區(qū)域(FDS) f)Ⅲ區(qū)域(ISO)圖12 鋼梁跨中撓度-時(shí)間關(guān)系曲線

表2 各區(qū)域梁跨中位移 /mm

根據(jù)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T9978-2008)[7]，當(dāng)梁、板最大撓度達(dá)到撓度變形量超過(guò) L/30(mm)后(L 為梁板計(jì)算跨度)，即可判斷梁達(dá)到耐火極限。由曲線圖和計(jì)算結(jié)果表可知如下結(jié)論，F(xiàn)DS曲線下Ⅲ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域都未達(dá)到耐火極限；ISO曲線下Ⅱ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ區(qū)域未達(dá)到耐火極限，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域達(dá)到耐火極限，耐火極限=8 690s=2.41 h。

(2)鋼梁應(yīng)力分析。鋼梁在I區(qū)域受火時(shí)，測(cè)點(diǎn)A、B、C三點(diǎn)應(yīng)力-時(shí)間變化曲線如圖13～14。FDS曲線下應(yīng)力發(fā)生變化較大，ISO曲線下是先上升再趨于平緩的趨勢(shì)。鋼梁腹板火災(zāi)下應(yīng)力變化最大，且在真實(shí)火災(zāi)下比ISO曲線下應(yīng)力變化更大。FDS曲線下，測(cè)點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度為263 MPa，測(cè)點(diǎn)B對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度為287 MPa，測(cè)點(diǎn)C對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度為244 MPa。ISO曲線下測(cè)點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度為267 MPa，測(cè)點(diǎn)B對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度為267 MPa，測(cè)點(diǎn)C對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度為263 MPa。

圖13 鋼梁應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線(FDS)

圖14 鋼梁應(yīng)力-時(shí)間關(guān)系曲線(ISO)

2.2.2 柱頂豎向位移

柱頂豎向位移變化圖如圖15，圖中各曲線測(cè)點(diǎn)如圖1。A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)分別為左邊柱、中柱、右邊柱所在測(cè)點(diǎn)。由上圖可知，在這兩種溫度曲線下各柱均發(fā)生了膨脹位移，其中測(cè)點(diǎn)B即中柱Z2的膨脹位移要明顯大于測(cè)點(diǎn)AC，因?yàn)槭芑饡r(shí)中柱溫度最高，且為四面受火柱，所以發(fā)生的膨脹位移最大。FDS曲線下，在急速升溫階段，豎向位移迅速增加，在緩慢降溫階段位移逐漸減少，ISO曲線下豎向位移逐漸增加。

a)Ⅰ區(qū)域(FDS) b)Ⅰ區(qū)域(ISO)

c)Ⅱ區(qū)域(FDS) d)Ⅱ區(qū)域(ISO)

e)Ⅲ區(qū)域(FDS) f)Ⅲ區(qū)域(ISO)圖15 柱頂豎向位移-時(shí)間關(guān)系曲線

根據(jù)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T9978-2008)[8],當(dāng)柱沿長(zhǎng)度方向壓縮變形超過(guò) H/100(mm)(H為柱的受火高度)，即可判斷柱達(dá)到耐火極限。由上分析可知如下結(jié)論，兩種曲線下I區(qū)域豎向位移最大，F(xiàn)DS曲線下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域均未達(dá)到耐火極限，ISO曲線下，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域未達(dá)到耐火極限，I區(qū)域測(cè)點(diǎn)B達(dá)到耐火極限，耐火極限=3808 s=1.05 h。各區(qū)域柱頂豎向位移見(jiàn)表3。

表3 各區(qū)域柱頂豎向位移 /mm

2.2.3 梁柱節(jié)點(diǎn)水平位移

兩種溫度曲線下，水平位移由于中柱四面受火，邊柱三面受火，呈對(duì)稱分布。Ⅱ區(qū)域水平位移變化最大，在多層框架結(jié)構(gòu)受火時(shí)，可以增加中間層的保護(hù)層厚度，以達(dá)到更好的抗火效果，如圖16。

a)Ⅰ區(qū)域(FDS) b)Ⅰ區(qū)域(ISO)

c)Ⅱ區(qū)域(FDS) d)Ⅱ區(qū)域(ISO)

e)Ⅲ區(qū)域(FDS) f)Ⅲ區(qū)域(ISO)圖16 梁柱節(jié)點(diǎn)水平位移-時(shí)間關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

通過(guò)ABAQUS軟件對(duì)鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架建立溫度場(chǎng)和力學(xué)模型，得到溫度場(chǎng)溫度變化云圖和應(yīng)力云圖，分析框架結(jié)構(gòu)在真實(shí)火災(zāi)下的耐火性能，梁柱節(jié)點(diǎn)豎向位移、水平位移以及梁跨中撓度變化、應(yīng)力變化等，并對(duì)比ISO標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線與真實(shí)火災(zāi)曲線數(shù)據(jù)下，各項(xiàng)參數(shù)的不同點(diǎn)，得到以下結(jié)論：

(1)梁跨中撓度。FDS曲線下Ⅲ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域均未達(dá)到耐火極限；ISO曲線下Ⅱ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，I區(qū)域未達(dá)到耐火極限，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域達(dá)到耐火極限，耐火極限=8690 s=2.41 h。

(2)鋼梁應(yīng)力。鋼梁腹板火災(zāi)下應(yīng)力變化最大，且在真實(shí)火災(zāi)下比ISO曲線下應(yīng)力變化更大。

(3)柱頂豎向位移。兩種曲線下I區(qū)域豎向位移最大，F(xiàn)DS曲線下I、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域均未達(dá)到耐火極限，ISO曲線下，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域未達(dá)到耐火極限，I區(qū)域測(cè)點(diǎn)B達(dá)到耐火極限。

(4)梁柱節(jié)點(diǎn)水平位移。兩種溫度曲線下，水平位移由于中柱四面受火，邊柱三面受火，呈對(duì)稱分布。Ⅱ區(qū)域水平位移變化最大。