火災高溫及荷載耦合作用下鋼筋混凝土托梁轉換結構的變形分析

宋師雷，蘇 兵，方 猛，戴立屹，孔維一

(山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101)

帶轉換層的建筑結構是復雜高層建筑中十分常見的一種結構，廣泛應用于現代商業、辦公或民居一體的綜合建筑中。為實現這類建筑功能的要求，必須進行結構的非常規設計［1］，在上部布置小開間，下部布置大空間，即上部多用剪力墻或小柱距，下部采用較大跨度的柱網。轉換層或轉換構件廣泛存在于現代高層建筑中，特別是綜合性建筑，因而加強對帶轉換層建筑的研究具有非常重要的意義。國內外學者對混凝土轉換構件的研究主要集中于抗震性能及承載力，很少涉及混凝土轉換結構的抗火研究。鑒于托梁轉換結構在框架中的關鍵作用，本文運用有限元軟件ABAQUS，模擬分析托梁轉換結構在高溫及荷載耦合作用下的受力變形。

圖1 框架模型節點編號及房間編號

1 受火工況及分析模型

1.1 火災工況設計

考慮火災發生的偶然性，共設計了14種工況進行分析，見圖1及表1。

表1 受火工況

工況1～4為單室火災，柱設計為三面受火，受火區上部梁為三面受火，下部梁為單面受火;工況5～8為兩房間火災，受火中柱為四面受火，其余梁柱同工況1～4;工況9～11為三房間火災，受火中柱及中梁為四面受火，其余梁柱同工況1～4;工況12～13為四房間火災，梁柱同工況9～11;工況14為整體火災，梁柱同工況9～11。

1.2 ABAQUS有限元分析模型

1)框架的有限元分析模型

框架的有限元分析模型見圖2。

2)鋼材的本構模型

鋼材的本構模型選用文獻［2］中的雙折線模型，服從Von Mises屈服準則。

3)混凝土的本構模型

隨著溫度的提高，高溫作用后混凝土的變形曲線漸趨扁平，峰點明顯下降且右移［3］。峰點比常溫下應力—應變曲線的峰點低得多。采用文獻［4］給出的應力應變曲線關系，全曲線表達式為

圖2 框架模型

式中 fc為混凝土軸心設計抗壓強度，N/mm2;fcT為溫度T時的混凝土軸心設計抗壓強度，N/mm2;σ為混凝土的壓應力;ε為混凝土的壓應變;ε0為混凝土壓應力達到fc時的混凝土壓應變，當ε0＜0.002時，取為0.002;ε0T為溫度T時的混凝土壓應力達到fc時的混凝土壓應變。

4)升溫曲線

采用國際標準化組織(ISO834)建議的結構構件抗火試驗曲線［5］，如圖3所示，具體公式為

式中 T0為試驗爐內的初始溫度;T為燃燒開始時間t后爐內空氣的平均溫度;t為升溫時間，min。

圖3 ISO834國際標準升溫曲線

2 有限元分析及結果

通過ABAQUS有限元軟件對托梁轉換結構框架模型進行非線性分析，分析結果見圖4～6。

圖4 托梁位移—時間曲線(托梁與邊柱交叉點，即節點10)

由圖4～6可知:

1)在荷載單獨作用下，節點10的豎向位移為－0.176 584 mm，節點11的豎向位移為－0.572 33 mm，而托梁跨中節點(節點10與11中間)的豎向位移為－0.411 481 mm。由此看來，在荷載單獨作用下，托梁轉換結構位移最大的是節點11，即托梁與中柱交叉點，也是托梁變形最大的節點。升溫前期，受火房間向外膨脹變形，導致周圍結構發生向上、向外膨脹變形，結構以熱膨脹變形為主。由于受火梁的熱膨脹，各柱發生明顯的向外膨脹變形。升溫后期，相對于常溫部分，結構受火部位的變形顯著增加，主要是由于材料高溫軟化所致。達到耐火極限時，結構受火部分相對常溫部分的變形進一步增加和集中，結構表現為局部變形過大而破壞。

圖5 托梁位移—時間曲線(托梁中點)

圖6 托梁位移—時間曲線(托梁與中柱交叉點，即節點11)

2)在火災高溫及荷載耦合作用下，工況4、8、11、14框架節點位移—時間曲線呈上升趨勢，且在100 min之前上升迅速，過了100 min曲線上升緩慢，這與標準升溫曲線的溫度上升有關，位移的變化與框架受火溫度有關，溫度上升快，相應的位移增長也相對較快。盡管受熱過程中梁經歷了橫向撓曲和材料軟化，仍表現為熱膨脹變形為主。由此可見，梁的熱膨脹變形仍是結構變形的主要因素。

3)工況4、8、11、14與其它工況明顯不同，從受火工況看，工況4、8、11、14中，托梁是受火梁，處于框架結構的底層，由于受火梁的熱膨脹，邊柱發生明顯的向外膨脹變形，從而導致托梁的豎向位移隨溫度升高而增大，受火影響比較明顯;其它工況托梁沒有直接受火，位移受火災的影響比較小。因此，結構的變形主要是由受火房間構件特別是三面受火梁的材料軟化和四面受火柱的失穩所致。

4)工況4的托梁與中柱交點位移明顯大于其它工況，主要是單室受火梁的熱膨脹所致，其它工況中，豎向位移明顯要比其它節點小，這與荷載及重力荷載作用有關。

3 托梁轉換結構抗火實用設計建議

1)單室火災下，當受火房間位于結構中部時，托梁中部撓度較大，結構損傷較為嚴重，常溫區結構抗火驗算時可將最不利火災布置在結構中部。

2)因為多室火災托梁耐火極限小于單室火災，而且多室火災耐火極限取決于四面受火柱的耐火極限，因此，在結構設計時，可選擇底層及二層的三室火災工況進行計算。

3)火災作用下，托梁與中柱交叉點是托梁變形最大的節點，因此進行托梁設計時，要特別加強梁柱節點配筋設計。

4 結論

1)達到耐火極限前，結構的變形模式主要受火梁和受火柱熱膨脹的影響，受火梁的熱膨脹變形是結構變形的主要原因。

2)受火后期，托梁結構的變形主要集中在受火部分(單室火災)及以上部分(多室火災)，結構的變形主要是由于受火房間構件特別是三面受火梁的材料軟化和四面受火柱的失穩所致。

3)托梁與中柱的交點受到荷載及重力荷載作用比較明顯，也是結構的薄弱環節。

4)多室火災，特別是當受火房間位于結構底層時，對整體結構的火災安全影響更大。

［1］唐興榮.高層建筑轉換層結構設計與施工［M］.北京:中國建筑工業出版社，2002.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50010—2010 混凝土結構設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2011.

［3］于德帥.預應力型鋼混凝土結構耐火性能試驗研究［D］.濟南:山東建筑大學，2011.

［4］陸洲導.鋼筋混凝土梁對火災反應的研究［D］.上海:同濟大學，1989.

［5］International Standard ISO834.Frie-Resistance Tests Elements of Building Construction［S］.