鋼框架的抗火性能數值模擬

(中國建筑西南設計研究院有限公司，四川成都 610041)

1 概述

鋼結構具有輕質高強，抗震性能好，施工周期短，便于安裝和拆卸等優(yōu)點，因而在工程結構中被廣泛地應用。但是鋼結構建筑對高溫十分敏感，鋼材的力學基本性能如強度、彈性模量等隨溫度的升高顯著下降。一旦建筑內發(fā)生火災，溫度迅速升高，鋼結構就可能會發(fā)生破壞，造成重大經濟損失。因此，對鋼結構采取有效的防火保護，提高鋼結構在火災下的安全性已成為國內外的研究熱點［1］。

鋼結構的抗火分析是溫度和應力的耦合分析，將其用于設計有一定難度。目前，國內外鋼結構的抗火設計主要是基于構件設計，其設計的一般步驟為:在正常使用條件下，根據結構的實際受力進行彈性分析，求出構件的內力，再根據設計要求的耐火極限，防火涂料的性能，確定保護層的厚度。

這種設計方法存在明顯的問題。首先，火災發(fā)生后，隨著溫度的升高結構(超靜定)的變形受到約束將產生很大的內力和變形，此時構件的內力與正常使用狀態(tài)下的內力已有很大不同;其次，構件達到承載能力極限狀態(tài)并不能等同于整體結構遭到破壞，結構的整體抗火更具有實際意義［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。梁柱截面尺寸如圖2所示。

圖1 分析模型

圖2 構件尺寸

計算中采用以下假定:

1)梁柱連接均為剛性連接，結構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力和初始缺陷。

3 極限狀態(tài)

根據GB 50068-2001建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準中3．0．2條關于承載能力極限狀態(tài)定義:結構或結構構件達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，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(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 αs=1．4 ×10－5。

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

鋼材的比熱容Cs及導熱系數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，屈服強度取fy=275 N/mm2。

鋼材的高溫彈性模量降低系數和強度降低系數采用EC3數據。

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

5 數值模擬

本文采用了三維實體Solid70八節(jié)點六面體單元進行溫度場分析，在應力分析時將Solid70轉換為Solid45單元［4］。假定結構單元均由防火墻分隔，故僅分析局部發(fā)生火災，而其他結構單元不受溫度影響。發(fā)生火災的房間內框架柱單面臨火，框架梁三面臨火(圖2中防火涂層)。其傳熱過程為:室內溫度按照標準火災曲線變化，并通過對流和輻射的方式傳遞到梁柱表面再通過熱傳導在梁柱內傳遞。由于鋼材的熱工參數如導熱系數、比熱等是溫度的函數，因此，鋼結構的熱分析是一個非線性瞬態(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:5．67 ×10－8W/(m2·K4);α 為對流系數，W/(m2·K4);Tg為火災中房間內火焰流體溫度。

為了便于對比和研究，本文選取常用的標準火災曲線(ISO-834)，其表達式如下:

其中，t為時間，min;Tg為t時刻室內環(huán)境溫度，℃。

本文對不同保護層厚度的框架進行了抗火分析，其結果見表1。通過分析可知:無保護層的鋼框架在火災中很容易遭到破壞，其耐火時間約為840 s，由于結構的極限狀態(tài)皆為梁控制，因而對于帶保護層的鋼框架的耐火極限主要取決于梁的保護層厚度。在本文中梁保護層厚度為10 mm，15 mm，20 mm時，其耐火極限分別達到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，此時鋼材的屈服強度降低系數為0．2，彈性模量降低系數約為0．1，結構的力學性能已嚴重破壞。

表1 框架抗火極限表

6 結語

本文根據歐洲規(guī)范推薦的高溫下鋼材的強度和彈性模量，并采用不考慮強化的三折線應力—應變關系，利用ANSYS的熱分析和非線性分析模塊，對不同溫度保護層厚鋼框架進行抗火分析。分析模型采用三層三跨鋼框架結構，柱腳均考慮剛結，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)火災發(fā)生后，結構材料達到的最高溫度以及材料在該溫度下的力學性能將直接影響到結構的抗火性能;

2)對于有防火隔墻的鋼框架結構，增加梁保護層厚度可以提高耐火極限時間，而增加柱子保護層厚度對耐火極限影響不大。

［1］張 毅．平面鋼框架結構的抗火性能數值模擬［D］．沈陽:沈陽建筑大學學位論文，2008．

［2］李國強，金福安．火災時鋼框架結構的極限狀態(tài)分析［J］．土木工程學報，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．火災下建筑構件內溫度場數值模擬基礎［M］．北京:科學出版社，2010．