約束鋼梁抗火性能研究進(jìn)展分析

劉芳，吳麗娟 （吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

0 引言

1990年以前，鋼結(jié)構(gòu)抗火研究以單獨(dú)構(gòu)件為主。1990年在英國Broadgate發(fā)生的一起鋼結(jié)構(gòu)建筑的火災(zāi)中，調(diào)查人員發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件比無約束的單獨(dú)構(gòu)件具有更好的抗火性能。此外，著名的八層足尺整體鋼框架結(jié)構(gòu)火災(zāi)試驗(yàn)中[1]，也發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象，實(shí)際上，結(jié)構(gòu)鋼梁存在軸向約束和轉(zhuǎn)動約束，實(shí)驗(yàn)表明整體結(jié)構(gòu)中受約束的構(gòu)件與無約束的獨(dú)立構(gòu)件的抗火性能還是有很大區(qū)別的，且出現(xiàn)了懸鏈線效應(yīng)。

一般對于結(jié)構(gòu)抗火研究不考慮約束作用，由于火災(zāi)中實(shí)際構(gòu)件通常都會承受約束作用，導(dǎo)致研究成果會與實(shí)際情況不符，而鋼梁是鋼結(jié)構(gòu)中的主要受彎構(gòu)件，主要承受豎向荷載作用，其抗火性能對結(jié)構(gòu)的安全造成很大影響。對此，以約束鋼梁為目標(biāo)，進(jìn)行合理的耐火設(shè)計(jì)具有明顯的工程實(shí)效價(jià)值。本文分別從火災(zāi)高溫下和火災(zāi)高溫后兩方面的抗火性能進(jìn)行匯總及分析，包括數(shù)值模擬和抗火試驗(yàn)，進(jìn)而確定合理的防火構(gòu)造措施。

1 約束鋼梁高溫性能研究

約束鋼梁的高溫力學(xué)性能是鋼結(jié)構(gòu)抗火研究的基礎(chǔ)，鋼材的高溫性能包括高溫下和經(jīng)歷高溫后冷卻兩方面的力學(xué)性能，目前，相關(guān)試驗(yàn)裝置主要包括加熱升溫爐、熱電偶等。

本文根據(jù)已有的研究成果，對約束鋼梁的高溫材料抗火性能進(jìn)行歸納與總結(jié)。

1.1 約束鋼梁高溫下抗火性能

目前，國內(nèi)外對常溫下約束鋼梁抗火性能的研究已比較完善，其中以理論分析和數(shù)值模擬為主，但是試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)非常有限。

Usmani[2]，Dwaikat和 Kodur[3]通過試驗(yàn)，考察了約束鋼梁火災(zāi)行為中的許多基本反應(yīng)。針對H型約束鋼梁的火災(zāi)行為，采用理論和數(shù)值分析方法的文獻(xiàn)[4-6]則更多，主要分析火災(zāi)中構(gòu)件軸向約束剛度比、荷載比、荷載作用大小等因素對約束鋼梁抗火性能的影響。

王培軍和李國強(qiáng)[7]提出了一種能同時(shí)考慮幾何非線性和材料非線性的平面樣條梁單元，根據(jù)節(jié)點(diǎn)處的彎矩和軸力平衡建立方程，計(jì)算在均布荷載作用下，溫度沿截面均勻、線性和折線分布的軸向約束鋼梁在升溫條件下跨中截面的撓度、軸力和彎矩的計(jì)算結(jié)果與有限元程序ANSYS進(jìn)行了比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，樣條梁單元不僅有一定的精度，且計(jì)算所得結(jié)果與有限元計(jì)算基本吻合。文獻(xiàn)[8]基于鋼梁平衡條件建立基本方程，確保了構(gòu)件截面的內(nèi)外力平衡，研究表明，荷載比和軸向約束剛度比對軸向約束鋼梁的變形和受力影響較大，而截面橫向和構(gòu)件縱向的溫度不均勻分布的影響較小。

魯博和王海忠[9]為研究翼緣寬厚比對高溫下鋼梁抗火性能的影響，利用ANSYA有限元程序建立模型，計(jì)算鋼梁的熱一結(jié)構(gòu)耦合作用，研究表明在高溫條件下，不同翼緣寬厚比對鋼梁撓度影響不是線性，但是，可以利用約束鋼梁在火荷載作用下，軸

力在屈曲后開始減小且撓度不斷增大，此時(shí)鋼梁依舊能承受一定的荷載，為人們逃出火災(zāi)現(xiàn)場創(chuàng)造機(jī)會。

欒艷萍和席豐[10]對不同邊界約束條件下的受火鋼梁行為比較分析，結(jié)果顯示，對于不同的約束情形，受火鋼梁的行為發(fā)展形態(tài)大有不同，其中載荷比、跨度對鋼梁的行為有較大影響，而載荷類型對鋼梁火災(zāi)下的行為響應(yīng)幾乎可以不計(jì)。

楊秀萍等[11]用參數(shù)化方法研究自然火災(zāi)模型的隨機(jī)變量以及防火保護(hù)層厚度對鋼構(gòu)件可靠性及靈敏度的影響，研究表明，自然火災(zāi)隨機(jī)變量對鋼梁可靠性的靈敏度有不同程度的影響，其中火災(zāi)最高溫度影響最深。

針對工字鋼，楊秀英[12]以梁端約束鋼梁為例，研究荷載比對鋼梁高溫性能的影響，研究表明，隨荷載比增大，鋼梁的撓度變化逐漸加大，承擔(dān)的極限溫度也隨之降低。

呂琳和葉中豹[13]以簡支鋼梁作為研究對象，通過ANSYS有限元分析軟件，在三面受火情況下對固支約束鋼梁的最大撓度進(jìn)行分析，當(dāng)溫度場與截面同時(shí)非均勻分布時(shí)，鋼梁撓度最大。匯總見表1。

1.2 約束鋼梁火災(zāi)后抗火性能研究

有關(guān)約束鋼梁高溫下的抗火性能研究取得了不少成果，但是，國內(nèi)外學(xué)者對鋼梁抗火性能研究集中在升溫階段，在滅火過程中，消防水對火災(zāi)中鋼梁的冷卻降溫也產(chǎn)生極大影響，為此繼續(xù)開展相關(guān)研究是必然趨勢。文獻(xiàn)等[14-15]對約束鋼梁降溫階段的承載性能試驗(yàn)分析，結(jié)果表明，潑水降溫時(shí)鋼材的強(qiáng)度得到恢復(fù)，這對梁的承載能力是有利的，但由于梁的收縮后產(chǎn)生收縮拉力，這對梁兩端的節(jié)點(diǎn)是不利的。夏云春[16]討論了不同位置上噴淋水快速冷卻后鋼梁的力學(xué)變化特性，試驗(yàn)可知構(gòu)件在噴水迅速降溫過程中，水溫變化對結(jié)構(gòu)受力和變形特性的影響程度較大，而水量變化對結(jié)構(gòu)受力和變形特性的影響程度很小。

針對約束鋼梁在升降溫全過程下的力學(xué)性能，許多研究相繼開展，這一系列實(shí)驗(yàn)結(jié)果[17-18]表明，降溫階段產(chǎn)生的撓度恢復(fù)量與升溫階段相比很小。楊秀英[19]研究了不同溫度路徑對鋼梁高溫性能的影響，進(jìn)一步深入探索了降溫速率、歷史最高溫度、降溫最低溫度以及升降溫循環(huán)次數(shù)等參數(shù)對約束鋼梁性能反應(yīng)的影響。匯總見表2。

不同溫度路徑對鋼梁高溫性能的影響 表2

1.3 約束鋼梁爆炸和火災(zāi)共同作用下抗火性能

近來，針對約束鋼梁火災(zāi)和爆炸相結(jié)合抗火性能的研究很少。匯總見表3。

約束鋼梁爆炸和火災(zāi)共同作用下抗火性能 表3

先前對約束鋼梁的抗火研究條件局限于高溫段和降溫段，然而，在一定環(huán)境下，爆炸能發(fā)生在火災(zāi)中的任一階段，鋼梁作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，在遭受爆炸和火災(zāi)的雙重夾擊下，鋼梁的約束作用更為復(fù)雜。徐文晶等[20]通過對約束鋼梁分別進(jìn)行爆炸、高溫（ISO845）、高溫爆炸共同作用下的響應(yīng)分析，得出以下結(jié)論：①室溫時(shí)，鋼梁在爆炸荷載下隨著時(shí)間增長，跨中位移反而減小，但高溫段不適用此規(guī)律；②發(fā)生爆炸前的溫度越高，鋼梁損壞越大。

段立平和趙金城[21]考慮到材料非線性和撓度引起的非線性效應(yīng)，提出了一種有限元模型，能將爆炸過程的動力分析和火災(zāi)過程下的靜力學(xué)分析聯(lián)系起來，因此能實(shí)現(xiàn)多種不同的爆炸與火災(zāi)荷載的組合形式，與實(shí)際工程緊密貼合，具有實(shí)際參考價(jià)值。

張瑩等[22]通過有限元模擬，分析撞擊速度、落錘質(zhì)量、邊界條件等溫度的效應(yīng)，結(jié)果表明無論高溫還是常溫條件下，約束剛度增大，鋼梁的變形隨之變小。

2 懸鏈線效應(yīng)的約束鋼梁抗火性能研究現(xiàn)狀

懸鏈線效應(yīng)又稱懸索效應(yīng)，是指處于結(jié)構(gòu)整體中的水平構(gòu)件在失去抗彎能力后，通過構(gòu)件中的軸力和撓度形成的力矩來抵抗外載荷產(chǎn)生的彎矩的現(xiàn)象。2001年曼徹斯特大學(xué)的T.C.H.Liu[23]做了關(guān)于鋼梁懸鏈線效應(yīng)的試驗(yàn)；王開強(qiáng)和李國強(qiáng)[24-25]等在分布荷載的作用下對鋼梁的懸鏈線效應(yīng)進(jìn)行理論分析，利用約束系數(shù)方法和剛塑性鉸模型推導(dǎo)出同時(shí)承受軸向彈簧和轉(zhuǎn)動彈簧約束的鋼梁在分布荷載作用下的荷載－跨中撓度曲線計(jì)算公式，并通過有限元軟件ABAQUS得到了驗(yàn)證，在對比結(jié)果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了修正，提高公式的精確性。

欒艷萍和席風(fēng)[26]提出了大撓度鋼梁下極限溫度的兩個(gè)確定準(zhǔn)則，而且建立了荷載作用下有關(guān)兩端鋼梁問題的控制方程和計(jì)算模型，該模型能夠充分體現(xiàn)受火作用下鋼梁的大撓度行為和懸鏈線效應(yīng)。

馬寧等[27]對蜂窩鋼梁進(jìn)行了參數(shù)分析，研究了軸向力、跨中撓度、端部軸向位移以及彎矩對懸鏈線效應(yīng)的影響。

在以上研究的基礎(chǔ)上，由于梁截面溫度的不均勻分布，鋼梁懸鏈線效應(yīng)與均勻溫度分布時(shí)有較大差別，實(shí)際結(jié)構(gòu)中的鋼梁上翼緣受到混凝土樓板的保護(hù)，處于三面受火狀態(tài)，梁截面溫度分布不均勻，上翼緣的溫度比下翼緣和腹板的低。王培軍等[28]以受約束波紋腹板梁為研究對象，對截面溫度均勻和不均勻兩種情況對比分析懸鏈線效應(yīng)，結(jié)果表明，不均勻溫度比越小的鋼梁，熱彎曲效應(yīng)越明顯，相應(yīng)的臨界溫度越低。陳恒超和劉昌斌[29]也驗(yàn)證了上述結(jié)論。

張哲等[30]利用有限元模型對受約束波紋腹板梁和平腹板梁懸鏈線效應(yīng)的受力機(jī)理進(jìn)行了對比分析，探討了兩者對軸向承載力和抗彎承載力的貢獻(xiàn)。

3 考慮蠕變效應(yīng)的約束鋼梁抗火性能研究現(xiàn)狀

鋼材在常溫下的蠕變非常小，近乎不計(jì)，但是在高溫和荷載作用下，鋼材的高溫蠕變?nèi)菀自谝欢ǔ潭壬蠈馂?zāi)中構(gòu)件的受力性能和變形產(chǎn)生影響。目前已有多位學(xué)者考慮了蠕變對鋼梁抗火性能的研究。Skowronski[31]提出了一種高溫下鋼材蠕變的新模型，并進(jìn)行了火災(zāi)下鋼梁的變形研究。Toric等[32]提出了一個(gè)考慮高溫鋼材蠕變的數(shù)值模型，通過模擬三根簡支梁，修正靜力下材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系考慮蠕變，理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。

王衛(wèi)永和何平召[33-34]為了具體化蠕變效應(yīng)對約束鋼梁抗火性能分析的影響，自主編寫約束鋼梁的計(jì)算程序，比較全面地計(jì)算了5種蠕變模型下約束鋼梁的抗火性能并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。結(jié)果表明采用Norton蠕變模型[35]的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合最好，Harmathy蠕變模型[36]對約束梁抗火性能分析結(jié)果影響最大。兩人又采用ANSYS軟件建立約束鋼梁分析模型，提出了一種鋼梁考慮蠕變的高溫承載力簡化計(jì)算方法，對比分析發(fā)現(xiàn)耐火極限要求高的鋼梁，如若按傳統(tǒng)的高溫承載力計(jì)算，將會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[37]在這一系列研究的基礎(chǔ)上對計(jì)算方法進(jìn)一步提升，考慮了截面應(yīng)變時(shí)，蠕變對鋼梁的影響。

此外，何平召等[38]對高溫蠕變下約束高強(qiáng)度Q460鋼梁開展抗火研究，并考慮軸向約束、轉(zhuǎn)動約束剛度和荷載比、荷載類型等因素，試驗(yàn)結(jié)果顯示，考慮蠕變后Q460約束鋼梁抗火性能有明顯的下降，同Q345普通鋼梁相比，約束高強(qiáng)度Q460鋼梁抗火性能好，約束鋼梁的極限狀態(tài)可以按鋼梁達(dá)到軸向最大拉力時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語與展望

綜上所述，一方面，國內(nèi)外學(xué)者在約束構(gòu)件抗火性能上已取得不少成果，能為今后裝配式建筑提供發(fā)展新思路，促進(jìn)約束構(gòu)件在裝配式建筑領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。另一方面，在未來研究中尚有許多關(guān)鍵性問題值得研究。

①大空間下的約束鋼梁。建筑火災(zāi)的主要目光依舊聚集在室內(nèi)，有關(guān)大空間下火災(zāi)發(fā)生時(shí)的溫度分布、煙氣流動、空氣濕度、風(fēng)力大小等特性與一般室內(nèi)火災(zāi)完全不同。對大空間建筑火災(zāi)的特性還有待研究[39]。

②高溫下約束鋼梁的熱物理特性。包括鋼梁的熱傳導(dǎo)系數(shù)、密度、熱膨脹系數(shù)等有待進(jìn)一步探討。

③非均勻溫度場抗火研究。以往研究通常基于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線（國際升溫曲線ISO834）分析鋼梁的火災(zāi)響應(yīng)特性，對于其他室內(nèi)升溫曲線如ASCE[40]、馬忠誠模型[41]等及真實(shí)火災(zāi)下空氣升溫曲線的約束鋼梁抗火分析對比分析較少，為了更全面地分析鋼梁在火災(zāi)中的性能，應(yīng)做系列研究。

④梁端轉(zhuǎn)動約束。鑒于約束情況需要考慮完整，目前研究還集中在軸向約束下鋼梁抗火性能，而有關(guān)梁端的轉(zhuǎn)動約束還有待發(fā)掘。

⑤構(gòu)件協(xié)調(diào)抗火研究。一般是考慮梁、柱的約束，如約束鋼梁的抗火研究很少涉及樓板，2001年臺北東方科技園區(qū)建筑火災(zāi)中，由于薄膜效應(yīng)，樓板產(chǎn)生了很大的撓度變形，建筑未在火災(zāi)中坍塌。為此，有必要在今后的研究中填補(bǔ)這一缺口。