110 kV變電站鋼框架結(jié)構(gòu)的抗火性能

汪 洋，李 攀，顧 瑜，張 凱

(1.蘇州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000； 2.同濟(jì)大學(xué)土木學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092)

鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、塑性韌性好、易連接、機(jī)械化程度高、抗震性能好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各類建筑中。如美國紐約的帝國大廈和舊金山的金門大橋，法國巴黎的埃菲爾鐵塔，以及中國北京的國家鳥巢體育場、首都國際機(jī)場航站樓和新央視大樓等都采用了大量的鋼結(jié)構(gòu)。然而，鋼結(jié)構(gòu)的一個非常顯著的缺點(diǎn)是抗火性能差。在實(shí)際情況，鋼結(jié)構(gòu)在發(fā)生火災(zāi)時(shí)往往只有十幾分鐘的支撐能力，之后建筑結(jié)構(gòu)將會迅速倒塌[1]。

結(jié)構(gòu)抗火問題是一個非常復(fù)雜的綜合性問題，影響鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的因素眾多。國內(nèi)外抗火理論研究，主要包括火災(zāi)下室內(nèi)溫度場的研究、高溫下建筑結(jié)構(gòu)鋼材物理性能和力學(xué)性能的研究，以及結(jié)構(gòu)抗火性能設(shè)計(jì)與計(jì)算等。文獻(xiàn)[2]提出了的火災(zāi)在全盛升溫過程中的溫度計(jì)算模型。歐洲規(guī)范EUROCODE[3]和美國土木工程師協(xié)會ASCE[4]分別給出了不同類型的火災(zāi)下建筑結(jié)構(gòu)空間的升溫計(jì)算模型。不同的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋龌馂?zāi)升溫過程雖有些差異，但整體變化趨勢一致。國外大多數(shù)建筑防火規(guī)范都采用解析法計(jì)算鋼構(gòu)件表面的溫度，我國《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》同樣采用解析法進(jìn)行計(jì)算。在數(shù)值分析方法研究鋼構(gòu)件升溫?cái)?shù)值解時(shí)，多采用有限差分法和有限元法，有限差分法在應(yīng)用上有些局限，有限元計(jì)算方法則有更好的適用性和通用性[5]。文獻(xiàn)[6]通過不同鋼材的拉伸試驗(yàn)，給出了高溫下鋼材強(qiáng)度的折減系數(shù)。Renner研究了S275鋼的拉伸性能，指出鋼材高溫下的抗拉強(qiáng)度與應(yīng)變速率相關(guān)。文獻(xiàn)[7]在試驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上，給出了高溫下鋼筋的強(qiáng)度擬合公式。文獻(xiàn)[8]對16Mn鋼、SM41鋼及S355鋼等進(jìn)行了大量的火災(zāi)高溫試驗(yàn)，得出高溫下鋼材彈性模量的計(jì)算公式。

鋼結(jié)構(gòu)的抗火研究主要有兩種方法，一種是采用同比例縮小尺寸的梁、柱或節(jié)點(diǎn)構(gòu)件的試驗(yàn)方法；另一種是根據(jù)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的實(shí)際承載和約束工況，應(yīng)用有限元理論，采用商用有限元軟件進(jìn)行等效模擬。兩種研究方法各有利弊：①試驗(yàn)研究方法得到的結(jié)論只能適用于特定形式和工況下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不具有普遍適用性，并且試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的偶然影響因素較為復(fù)雜，不能保證試驗(yàn)工況能夠有效模擬，但是試驗(yàn)研究具有易于操作和學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)；②有限元計(jì)算模擬方法適用于絕大部分的鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)研究，無論研究的對象是構(gòu)件亦或是結(jié)構(gòu)整體，通過分析構(gòu)件或結(jié)構(gòu)實(shí)際工況下的荷載及約束情況，定義使用材料的性能和邊界條件，就可以有效模擬分析結(jié)構(gòu)的性能。

建筑結(jié)構(gòu)抗火，尤其是抗火性能較差的鋼結(jié)構(gòu)，是一個特別需要關(guān)注的問題。變電站結(jié)構(gòu)，關(guān)乎一個地區(qū)或城市的用電安全，影響區(qū)域經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展和社會穩(wěn)定和諧。因此，變電站鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能更需要深入研究，首先研究鋼結(jié)構(gòu)抗火的材料參數(shù)、火源模式等；然后采用熱結(jié)構(gòu)耦合方式研究不同工況下的溫度場、結(jié)構(gòu)變形、力學(xué)性能，并對耐火極限進(jìn)行分析。

1 研究背景

以現(xiàn)行推廣的裝配式智能化變電站110 kV-A2-6方案為背景,開展變電站鋼框架的抗火計(jì)算分析。“裝配式變電站”，是指建筑鋼構(gòu)件在工廠預(yù)制完成后運(yùn)輸?shù)焦さ?，利用施工機(jī)械裝配而成的變電站結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)建筑的抗震能力和預(yù)裝性能都很突出，已被公認(rèn)為是未來建筑的發(fā)展方向。在變電站領(lǐng)域，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用仍處于起步階段，在全國范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)變電站僅有少量應(yīng)用實(shí)例。裝配式變電站使得變電站建筑物建設(shè)模式由傳統(tǒng)“鋼筋混凝土框架+砌體填充墻+現(xiàn)澆鋼筋混凝土屋面”現(xiàn)場建造模式，轉(zhuǎn)變?yōu)椤颁摽蚣?成品墻板+壓型鋼板底?；炷廖菝妗钡墓S制造模式。裝配式建設(shè)常用的鋼結(jié)構(gòu)主體結(jié)構(gòu)及墻板構(gòu)件的耐火極限不如傳統(tǒng)鋼筋混凝土及砌體填充墻的，因此需要研究變電站鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能，可為變電站抗火防護(hù)處理提供參考[9]。

本研究(裝配式智能化變電站110 kV-A2-6方案)變電站鋼框架整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，是一個兩層十榀的大型鋼框架結(jié)構(gòu)。鋼框架一層高度4.5 m，二層高度8.0 m，每榀跨度從左至右分別為6，7.5，6，7.5，6，7.5，6，5，5 m，鋼架最大跨度19 m。結(jié)構(gòu)柱采用寬翼緣H型鋼，框架主梁采用中翼緣H型鋼，次梁采用窄翼緣H型鋼，具體的材料尺寸及鋼材等級見表1。

圖1 變電站鋼框架整體結(jié)構(gòu)

表1 鋼結(jié)構(gòu)材料表

2 熱結(jié)構(gòu)耦合方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS，采用熱結(jié)構(gòu)耦合方法研究鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能。ANSYS軟件不僅能解決純粹的熱分析問題，還能解決與熱有關(guān)的其他諸多問題，如熱-應(yīng)力、熱-電等。將這類涉及兩個或兩個以上的物理場之間的相互作用稱為耦合場。耦合場分析的過程依賴于所耦合的物理場，可分為直接耦合和順序耦合(間接耦合)兩大類。當(dāng)進(jìn)行直接耦合時(shí)，多個物理場(如熱-電)的自由度同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，適用于多個物理場各自的響應(yīng)互相依賴的情況。間接耦合分析是以特定的順序求解單個物理場的模型，將前一個分析的結(jié)果作為后續(xù)分析的邊界條件。如在熱應(yīng)力分析中，用戶可以先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，然后將熱分析所得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為“體載荷”施加到結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上，求解后就可以得到由于溫度分布不勻在結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的熱應(yīng)力[10]。本文使用間接耦合方法進(jìn)行建模計(jì)算，具體的建模思路如圖2 所示。

圖2 ANSYS熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算思路

2.1 材料參數(shù)選取

鋼結(jié)構(gòu)抗火計(jì)算相關(guān)性能主要有二個方面：一是高溫下鋼材的熱物理特性，主要用于鋼結(jié)構(gòu)(構(gòu)件)內(nèi)溫度場的計(jì)算，具體包括高溫下鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等；二是高溫下鋼材的力學(xué)性能，主要用于高溫下鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算、承載力驗(yàn)算以及變形計(jì)算，具體包括鋼材的熱膨脹性能、強(qiáng)度、彈性模量、應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系及松弛與蠕變效應(yīng)等[11]。參數(shù)選擇參考了相關(guān)規(guī)范，具體取值見圖3～7(未考慮鋼材的蠕變效應(yīng))。

圖3 熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化

圖4 熱傳導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化

圖5 比熱容隨溫度的變化

圖6 彈性模量隨溫度的變化

圖7 應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨溫度的變化

2.2 結(jié)構(gòu)模型

本研究選取整體鋼框架最右側(cè)一榀平面結(jié)構(gòu)為一個2層4跨連續(xù)鋼框架，一層高4.5 m，二層高8 m，柱間距從左至右分別為5，5，5.5，3.5 m。梁柱尺寸如前述，具體尺寸如表2所示。

表2 模型尺寸

防火間具有防止火災(zāi)蔓延和隔絕熱量傳遞的作用，僅防火間內(nèi)部的結(jié)構(gòu)件會有明顯的溫度上升。為了能準(zhǔn)確模擬截面的非均勻溫度分布和捕捉局部屈曲等現(xiàn)象，構(gòu)成防火間的梁和柱將采用SOLID70單元用于傳熱分析，采用與SOLID70單元相對應(yīng)的SOLID45單元用于結(jié)構(gòu)分析。模型最終節(jié)點(diǎn)數(shù)53 515，單元數(shù)154 811。鋼框架模型及局部網(wǎng)格劃分情況如圖8～9所示。

圖8 鋼框架整體結(jié)構(gòu)模型

邊界及荷載的施加情況如圖10所示。所有柱腳固定；所有橫梁都受均布荷載作用，荷載值為25 kN·m-1；柱頂受集中荷載作用，其中邊柱受集中荷載作用，荷載值為75.5 kN，中間柱受集中荷載作用，荷載值為151 kN。

圖9 結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)模型

圖10 荷載及約束情況

2.3 火源模式

(1)標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線。ISO 834《國際建筑材料耐火性能測定》給出的火災(zāi)標(biāo)準(zhǔn)升溫模型如圖11所示。

圖11

該模型規(guī)定火定室內(nèi)溫度與時(shí)間的關(guān)系如下：

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中T——溫度，℃；T0——初始溫度，℃；t——時(shí)間，s。

(2) 受火位置。研究4種方式的火災(zāi)模式，分別為一層邊緣房間受火(工況一)，一層邊緣及中間房間同時(shí)受火 (工況二)，見圖12。

圖12 不同工況下的受火位置

在進(jìn)行傳熱學(xué)分析時(shí)，假定梁和柱的構(gòu)造形式如下：柱的腹部有磚墻或隔板，因此，僅朝防火間的翼緣受到熱作用。梁上部托混凝土樓板，因此，除上翼緣外的所有表面均受到熱作用。熱量以對流和輻射的形式從熱空氣傳遞到結(jié)構(gòu)表面，又以傳導(dǎo)的形式在結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳播。

3 研究結(jié)果

3.1 溫度場分析

3.1.1 一層邊緣房間受火

一層邊緣扁間受火，鋼框架的不同時(shí)刻溫度云圖如圖 13所示。

圖13 一層邊緣房間受火時(shí)鋼框架不同時(shí)刻的溫度云圖

采用SOLID70三維八節(jié)點(diǎn)體單元，定義導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、密度等熱分析材料特性;定義截面尺寸，建立鋼框架的模型。定義受火作用的邊界，對受火邊界施加熱輻射、熱對流;定義瞬態(tài)分析的初始溫度為200 ℃，初始步長為20 s，然后按照ISO 834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線對構(gòu)件進(jìn)行溫度計(jì)算，得出每個荷載步(時(shí)間)下鋼框架沿截面和長度范圍內(nèi)各個點(diǎn)的溫度，鋼框架相應(yīng)時(shí)刻的溫度云圖。

由圖13可知，一層邊緣房間受火，隨著受火時(shí)間的延長，結(jié)構(gòu)鋼框架的局部構(gòu)件溫度持續(xù)增長，當(dāng)受火時(shí)間為10 min時(shí)，鋼框架構(gòu)件的最高溫度達(dá)到530.5 ℃，在20 min時(shí)，構(gòu)件最高溫度達(dá)到722.34 ℃，在受火時(shí)間到達(dá)30 min時(shí)，構(gòu)件的局部最高溫度已經(jīng)達(dá)到802.39 ℃。GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》和GB 51249—2017《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)范》要求在標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線工況下，無防火保護(hù)結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件在受火30 min后的理論最高溫度為829.6 ℃?？梢婁摽蚣茉谑芑?0 min時(shí)的最高溫度與理論最高溫度偏差在3.2%左右，基本滿足要求。不同受火位置溫度曲線如圖14所示。

圖14 一層邊緣房間受火時(shí)不同受火位置的溫度曲線

由圖14可知，受火的腹板與下翼緣溫度變化趨勢相似，其中腹板溫度略高于下翼緣，最終在30 min時(shí)，腹板溫度高于下翼緣40 ℃。在非受火的上翼緣，其溫度上升主要來源于熱傳導(dǎo)及熱對流，因此溫度明顯低于受火區(qū)域，最終溫度為702 ℃，與最高區(qū)域溫度相差100 ℃。

由圖13結(jié)構(gòu)鋼框架的溫度云圖也可以看出，在距離受火區(qū)域較遠(yuǎn)的梁柱構(gòu)件，其溫度升高速度較慢，尤其是二層梁柱等位置，其梁柱構(gòu)件溫度基本始終保持初始值，且結(jié)構(gòu)的最低溫度也在這片區(qū)域范圍內(nèi)。這是因?yàn)榉巧崦鏄?gòu)件的熱能是通過與溫度較高散熱面構(gòu)件之間的熱傳遞作用獲得的，并且熱傳遞所傳輸?shù)哪芰慷嗌贂S著傳遞路徑的增加而衰減。因此，距離受火區(qū)較遠(yuǎn)構(gòu)件的溫度基本保持常溫狀態(tài)。

3.1.2 一層邊緣及中間房間同時(shí)受火

考慮兩間相鄰房間同時(shí)受火，使用ANSYS軟件進(jìn)行熱分析，得出每個荷載步(時(shí)間)下鋼框架沿截面和長度范圍內(nèi)各個點(diǎn)的溫度。鋼框架相應(yīng)時(shí)刻的溫度云圖如圖15所示。不同受火位置的溫度曲線如圖16所示。

圖15 一層邊緣及中間房間同時(shí)受火時(shí)鋼框架不同時(shí)刻的溫度云圖

圖16 一層邊緣及中間房間同時(shí)受火時(shí)不同受火位置的溫度曲線

由圖16可知，受火的右側(cè)梁跨中下翼緣及腹板的溫度變化與單間受火情況的溫度變化規(guī)律一致，且同時(shí)刻腹板溫度都略高于中下翼緣溫度，在受火30 min后腹板溫度798 ℃，中下翼緣溫度782 ℃，相差16 ℃。受火的公共梁柱頂部與側(cè) 柱中點(diǎn)的溫度均隨著受火時(shí)間的延長穩(wěn)步上升，20 min時(shí)梁柱頂部溫度為475 ℃，側(cè)柱中點(diǎn)位置溫度568 ℃。

3.2 結(jié)構(gòu)變形及力學(xué)性能分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)變形分析

圖17 不同工況下受火30 min后的結(jié)構(gòu)位移云圖

工況一。受火30 min后結(jié)構(gòu)變形如圖17(a)所示，沿X軸方向，結(jié)構(gòu)的位移極值發(fā)生在一層最左側(cè)的柱頂位置，大小為46.62 mm。沿Y軸方向，結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在左側(cè)一層梁的跨中位置，大小為39.86 mm。沿Z軸方向的位移很小，可以忽略。最終整體結(jié)構(gòu)的最大位移發(fā)生在一層的柱頂位置，極值為46.65 mm。

工況二。受火30 min后結(jié)構(gòu)變形如圖17(b)所示，與單間受火不同，沿X軸方向，最大位移出現(xiàn)在左側(cè)受火房間的左側(cè)梁柱頂部，大小為63 mm。沿Y軸方向，結(jié)構(gòu)的最大位移還是出現(xiàn)在受火梁的跨中位置，在兩間受火房間都出現(xiàn)梁跨中的向下變形，最大值為32.87 mm。最終整體結(jié)構(gòu)的最大總位移發(fā)生在受火兩間房的公共梁柱節(jié)點(diǎn)位置，極值為92.72 mm。

不同于單間房間受火，相鄰房間同時(shí)受火時(shí)，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)平面外失穩(wěn)，在受火30 min時(shí)，不加平面外約束的情況下，Z方向變形最大為86.51 mm，位于公共梁柱節(jié)點(diǎn)柱頂位置，結(jié)構(gòu)在受火公共節(jié)點(diǎn)位置出現(xiàn)明顯的巨大內(nèi)陷。

3.2.2 力學(xué)性能分析

不同工況下受火30 min后鋼框架的力學(xué)性能如圖18所示，鋼框架不同位置的最大變形曲線如圖 19所示。

圖18 不同工況下受火30 min后鋼框架的力學(xué)性能

圖19 不同工況下受火30 min后鋼框架不同位置的最大變形曲線

由圖18可知，當(dāng)結(jié)構(gòu)受火30 min后，受火區(qū)域的柱結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力變大。從應(yīng)力的發(fā)展過程來看，梁柱節(jié)點(diǎn)上部區(qū)域首先進(jìn)入屈服，隨著溫度不斷升高節(jié)點(diǎn)上進(jìn)入屈服階段的區(qū)域越來越多，整個過程中塑性區(qū)不斷擴(kuò)展。伴隨著鋼梁的失效，柱的應(yīng)力普遍增大，增長速度最快的是柱腳部分。梁的跨中、柱腳及梁柱連接節(jié)點(diǎn)區(qū)域都是火災(zāi)中比較薄弱的環(huán)節(jié)，它們的“薄弱”是結(jié)構(gòu)上受力和火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的高溫共同造成的，需要重點(diǎn)關(guān)注。

由圖19可知，左側(cè)一層柱頂從升溫開始至23 min水平位移直線增加，之后趨于穩(wěn)定，30 min時(shí)為46.65 mm。梁跨中節(jié)點(diǎn)是向下豎向位移最大的位置，6 min內(nèi)沒有明顯變化，6～20 min開始逐步增加，20 min后位移增加斜率增大，30 min時(shí)位移值為39.86 mm。左側(cè)邊柱中點(diǎn)是豎向位移向上的最大點(diǎn)，為7.11 mm。

3.3 火災(zāi)后鋼框架結(jié)構(gòu)性能評估

在火災(zāi)下，結(jié)構(gòu)的整體承載能力極限狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)如下。

(1)結(jié)構(gòu)喪失整體穩(wěn)定性。

當(dāng)一層邊跨及中間房間同時(shí)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在0～16.6 min時(shí)，水平位移不斷增大，最終達(dá)到63 mm；結(jié)構(gòu)受火膨脹，受火位置之上的結(jié)構(gòu)柱豎向位移一直在緩慢平穩(wěn)增加，最大值為31.37 mm。梁跨中豎直向下的位移在16 min之前較小，16.6 min以后快速增加，在30 min達(dá)到32.87 mm。平面外的位移在20 min之前并不明顯，20 min以后發(fā)生劇烈變形，在20～30 min內(nèi)快速產(chǎn)生86.51 mm的變形。當(dāng)撓度為20 mm時(shí)，對應(yīng)的時(shí)間為23.3 min，此時(shí)的梁跨中溫度約為642 ℃，此時(shí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)平面外失穩(wěn)情況，Z向位移為25mm。

4 結(jié)語

(1) 不同火源模式下，結(jié)構(gòu)不同位置的溫度、變形、力學(xué)性能明顯不同，其中，梁跨中、柱腳及梁柱連接節(jié)點(diǎn)為抗火薄弱環(huán)節(jié)。

(2) 梁下翼緣及腹板高于上翼緣及柱受火面，不同火源模式下的溫度變化趨勢趨于一致，但是由于框架不同位置約束情況不同，因此受火后的結(jié)構(gòu)變形存在差異。

(3) 一層邊緣房間受火時(shí)結(jié)構(gòu)破壞耐火時(shí)間為21.6 min，一層邊緣及中跨房間同時(shí)受火時(shí)，16 min之后結(jié)構(gòu)變形迅速升高。因此鋼框架單跨受火時(shí)需要在20 min內(nèi)迅速采取措施控制火情，雙跨同時(shí)受火時(shí)則需要在16 min內(nèi)采取措施控制火情，減輕對框架整體的破壞。

另外，出于最大安全考慮，本文未考慮防火涂層材料對結(jié)構(gòu)整體抗火的影響。實(shí)際工程中會通過使用絕熱、耐火材料來阻隔火焰直接灼燒鋼結(jié)構(gòu)，降低熱量傳遞的速度，以推遲鋼結(jié)構(gòu)升溫、強(qiáng)度變?nèi)醯臅r(shí)間等，進(jìn)而將鋼結(jié)構(gòu)的耐火極限提高到設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的極限范圍，防止鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)中迅速升溫發(fā)生形變塌落。針對涂層材料、涂層結(jié)構(gòu)等有必要進(jìn)一步深入研究。