鋼框架的抗火性能數(shù)值模擬

(中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610041)

1 概述

鋼結(jié)構(gòu)具有輕質(zhì)高強(qiáng)，抗震性能好，施工周期短，便于安裝和拆卸等優(yōu)點(diǎn)，因而在工程結(jié)構(gòu)中被廣泛地應(yīng)用。但是鋼結(jié)構(gòu)建筑對(duì)高溫十分敏感，鋼材的力學(xué)基本性能如強(qiáng)度、彈性模量等隨溫度的升高顯著下降。一旦建筑內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，溫度迅速升高，鋼結(jié)構(gòu)就可能會(huì)發(fā)生破壞，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)采取有效的防火保護(hù)，提高鋼結(jié)構(gòu)在火災(zāi)下的安全性已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)［1］。

鋼結(jié)構(gòu)的抗火分析是溫度和應(yīng)力的耦合分析，將其用于設(shè)計(jì)有一定難度。目前，國(guó)內(nèi)外鋼結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)主要是基于構(gòu)件設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)的一般步驟為:在正常使用條件下，根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力進(jìn)行彈性分析，求出構(gòu)件的內(nèi)力，再根據(jù)設(shè)計(jì)要求的耐火極限，防火涂料的性能，確定保護(hù)層的厚度。

這種設(shè)計(jì)方法存在明顯的問題。首先，火災(zāi)發(fā)生后，隨著溫度的升高結(jié)構(gòu)(超靜定)的變形受到約束將產(chǎn)生很大的內(nèi)力和變形，此時(shí)構(gòu)件的內(nèi)力與正常使用狀態(tài)下的內(nèi)力已有很大不同;其次，構(gòu)件達(dá)到承載能力極限狀態(tài)并不能等同于整體結(jié)構(gòu)遭到破壞，結(jié)構(gòu)的整體抗火更具有實(shí)際意義［2］。

2 分析模型

本文分析模型如圖1所示，平面鋼框架的柱距為5 500 mm，層高為3 000 mm，邊柱集中力75 500 N，中柱集中力151 000 N。框架梁均布荷載25 400 N/m。由于樓板和防火墻的存在，假定僅房間ABCDE發(fā)生火災(zāi)。梁柱截面尺寸如圖2所示。

圖1 分析模型

圖2 構(gòu)件尺寸

計(jì)算中采用以下假定:

1)梁柱連接均為剛性連接，結(jié)構(gòu)平面外變形受到約束;

2)單元的局部屈曲被有效防止;

3)不考慮梁柱的殘余應(yīng)力和初始缺陷。

3 極限狀態(tài)

根據(jù)GB 50068-2001建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)中3．0．2條關(guān)于承載能力極限狀態(tài)定義:結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形。在用ANSYS軟件分析時(shí)，可按下列條件判別［2］:

1)梁或柱失穩(wěn)破壞;2)δh，δl增量改變符號(hào)(見圖 3);3)δh＞h/30 或 δl＞l/30(見圖3)。

圖3 變形示意圖

4 材料的性能

熱膨脹系數(shù) αs=1．4 ×10－5。

防火涂料的比熱容 Ct=1 047 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)λt=0．1 W/(m·K)。

鋼材的比熱容Cs及導(dǎo)熱系數(shù)λs采用EC3及EC4給出的公式［3］。

鋼材常溫下彈性模量E=2．1×e11N/mm2，屈服強(qiáng)度取fy=275 N/mm2。

鋼材的高溫彈性模量降低系數(shù)和強(qiáng)度降低系數(shù)采用EC3數(shù)據(jù)。

鋼材的密度可取為常數(shù):ρs=7 850 kg/m3。防火涂料的密度ρt=500 kg/m3。

5 數(shù)值模擬

本文采用了三維實(shí)體Solid70八節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，在應(yīng)力分析時(shí)將Solid70轉(zhuǎn)換為Solid45單元［4］。假定結(jié)構(gòu)單元均由防火墻分隔，故僅分析局部發(fā)生火災(zāi)，而其他結(jié)構(gòu)單元不受溫度影響。發(fā)生火災(zāi)的房間內(nèi)框架柱單面臨火，框架梁三面臨火(圖2中防火涂層)。其傳熱過程為:室內(nèi)溫度按照標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線變化，并通過對(duì)流和輻射的方式傳遞到梁柱表面再通過熱傳導(dǎo)在梁柱內(nèi)傳遞。由于鋼材的熱工參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱等是溫度的函數(shù)，因此，鋼結(jié)構(gòu)的熱分析是一個(gè)非線性瞬態(tài)問題，其傳熱總量為［5］:

其中，ε為綜合輻射率，取0．85;σ為斯蒂芬—波爾曼常數(shù):5．67 ×10－8W/(m2·K4);α 為對(duì)流系數(shù)，W/(m2·K4);Tg為火災(zāi)中房間內(nèi)火焰流體溫度。

為了便于對(duì)比和研究，本文選取常用的標(biāo)準(zhǔn)火災(zāi)曲線(ISO-834)，其表達(dá)式如下:

其中，t為時(shí)間，min;Tg為t時(shí)刻室內(nèi)環(huán)境溫度，℃。

本文對(duì)不同保護(hù)層厚度的框架進(jìn)行了抗火分析，其結(jié)果見表1。通過分析可知:無保護(hù)層的鋼框架在火災(zāi)中很容易遭到破壞，其耐火時(shí)間約為840 s，由于結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)皆為梁控制，因而對(duì)于帶保護(hù)層的鋼框架的耐火極限主要取決于梁的保護(hù)層厚度。在本文中梁保護(hù)層厚度為10 mm，15 mm，20 mm時(shí)，其耐火極限分別達(dá)到4 140 s，5 580 s，7 020 s。在分析的模型中，截面最高溫度多在720℃左右，此時(shí)鋼材的屈服強(qiáng)度降低系數(shù)為0．2，彈性模量降低系數(shù)約為0．1，結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能已嚴(yán)重破壞。

表1 框架抗火極限表

6 結(jié)語

本文根據(jù)歐洲規(guī)范推薦的高溫下鋼材的強(qiáng)度和彈性模量，并采用不考慮強(qiáng)化的三折線應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，利用ANSYS的熱分析和非線性分析模塊，對(duì)不同溫度保護(hù)層厚鋼框架進(jìn)行抗火分析。分析模型采用三層三跨鋼框架結(jié)構(gòu)，柱腳均考慮剛結(jié)，框架的平面外變形受到約束，不考慮局部屈曲的影響。

分析表明:

1)火災(zāi)發(fā)生后，結(jié)構(gòu)材料達(dá)到的最高溫度以及材料在該溫度下的力學(xué)性能將直接影響到結(jié)構(gòu)的抗火性能;

2)對(duì)于有防火隔墻的鋼框架結(jié)構(gòu)，增加梁保護(hù)層厚度可以提高耐火極限時(shí)間，而增加柱子保護(hù)層厚度對(duì)耐火極限影響不大。

［1］張 毅．平面鋼框架結(jié)構(gòu)的抗火性能數(shù)值模擬［D］．沈陽:沈陽建筑大學(xué)學(xué)位論文，2008．

［2］李國(guó)強(qiáng)，金福安．火災(zāi)時(shí)鋼框架結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)分析［J］．土木工程學(xué)報(bào)，1994，27(1):49-56．

［3］European Committee for Standardization，ENV 1993-1-2，Eurocode 3，Design of Steel Structures，Part 1．2:Structural Fire Design，1993．

［4］祝效華，余志祥．ANSYS高級(jí)工程有限元分析范例精選［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2004．

［5］劉永軍．火災(zāi)下建筑構(gòu)件內(nèi)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬基礎(chǔ)［M］．北京:科學(xué)出版社，2010．