火災下鋼筋混凝土托梁轉換結構承載性能分析

傅傳國，孔維一，王玉鐲（.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南　500；.東南大學土木工程學院，江蘇南京　0096）

研究論文

火災下鋼筋混凝土托梁轉換結構承載性能分析

傅傳國1，孔維一2，王玉鐲1
（1.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南2501011；2.東南大學土木工程學院，江蘇南京210096）

文章采用ABAQUS大型有限元分析軟件，建立了一榀三層底部大空間鋼筋混凝土托梁轉換結構模型，對該轉換結構模型施加標準升溫及恒定豎向荷載的共同作用，進行了九種受火工況下轉換結構模型隨溫升時間的變形規律計算，得到了轉換結構模型觀測點位移與標準升溫時間的關系曲線。結果表明:在常溫豎向力學荷載作用下產生變形的基礎上，隨著不同受火工況標準升溫時間的增加，轉換結構模型皆產生了復雜的附加變形；隨著升溫時間的增加，轉換結構模型中底部托梁的撓度值在升溫過程前期60 min內增長較快，之后逐漸減緩，就同一升溫時刻引起的底部托梁的豎向撓度變形值來看，底部大空間和上部相鄰層同時受火的工況四最為顯著，其次是大空間上部相鄰層受火的工況二和大空間受火的工況一；隨著升溫時間的增加，不同受火工況下轉換結構模型兩側邊柱的水平側移逐漸增大，由于受火樓層橫梁受火膨脹變形的作用，受火樓層橫梁位置處邊柱向外凸出的側移明顯大于其他樓層；對于不對稱受火房間布置的工況，兩側邊柱的側移在底層托梁以上部分產生同向側移情形，這應是構件間約束作用的結果，表明在不對稱受火情形下，結構中會產生較劇烈的相互作用和內力重分布現象。

鋼筋混凝土；轉換結構；火災；承載性能

0　引言

隨著城市進程的加快，集住宅、辦公、商場、餐飲等不同功能于一體的多功能綜合性建筑應運而生，各類轉換結構不斷涌現。從當前轉換結構的應用現狀看，鋼筋混凝土梁式轉換結構具有傳力直接、受力性能好、構造簡單等優點，應用最為廣泛。目前，國內外專家學者對常溫下轉換結構的力學性能已進行了較深入的研究。但是，隨著火災威脅變得越來越大，建筑結構主要構件在火災高溫下的承載性能及抗火能力已成為建筑防災減災領域的重要和熱門研究課題［1-10］。結構轉換層作為承上啟下的關鍵傳力結構，轉換結構構件又通常具有數倍于上部結構的跨度，且承受巨大的豎向荷載，在火災高溫作用下，一旦出現破壞或較大的變形將嚴重危及整體結構的安全，因此，開展對火災高溫作用下鋼筋混凝土梁托柱轉換結構的承載性能研究具有重要的理論和現實意義。文章結合實際工程中常見的梁托柱轉換結構形式，采用ABAQUS大型有限元分析軟件，建立了一榀三層底部大空間鋼筋混凝土梁托柱轉換結構模型，對該轉換結構模型施加標準升溫及豎向荷載的耦合作用，考慮了九種受火工況，對每種工況下轉換結構模型的受力與變形狀態進行了計算分析，并在此基礎上對比、分析和總結了轉換結構模型的變形特點和規律。

1　轉換結構模型的建立

轉換結構模型為一榀三層底部大空間鋼筋混凝土梁托柱轉換結構。底層大空間跨度9.9 m，層高6.0 m，其余層高均為4.0 m，模型尺寸如圖1所示。模型中的混凝土強度等級為C30，縱向受力鋼筋和箍筋強度等級均采用HRB335，梁、柱主筋保護層厚度取25 mm。模型計算簡圖常溫下施加的線荷載每層均取27.36 kN/m，如圖2所示。模型各桿件截面配筋情況如圖3所示。利用ABAQUS有限元軟件自帶的前處理模塊，建立三維實體模型。

圖2　模型的豎向線荷載圖/（kN·m-1）

2　有限元分析參數的取值

采用ABAQUS軟件進行熱力耦合有限元分析中，混凝土的密度取ρ=2400 kg/m3，混凝土熱膨脹系數按文獻［11］推薦取值，高溫下混凝土彈性模量依據文獻［12］取值，高溫下混凝土的熱傳導系數、比熱容、抗壓強度以及抗壓本構關系按文獻［13］建議取值；混凝土在高溫下的抗拉強度按照文獻［3］建議取值，抗拉本構關系采用ABAQUS軟件用戶手冊中建議的曲線。鋼筋的質量密度取ρs=7850 kg/m3，高溫下鋼筋的熱傳導系數、比熱容、屈服強度、彈性模量及本構關系均按照文獻［14］建議取值，高溫下鋼筋的熱膨脹系數依據文獻［13］取值。升溫曲線采用文獻［15］中的標準升溫曲線，如圖4所示。模型中觀測點的布置如圖5所示。考慮到火災發生的偶然性，共設計了九種受火工況來進行分析，如圖6所示。

圖3　轉換結構模型桿件截面配筋圖/mm

圖4　ISO834國際標準升溫曲線圖

圖5　模型觀測點布置圖/mm

圖6　受火工況圖

3　托梁轉換結構的變形及分析

模型的坐標設置情況如圖7所示。豎向位移取沿y軸正向為正（向上為正），反之為負（向下為負）；水平位移取沿z軸正向為正，反之為負。

3.1底部托梁觀測點的豎向位移

圖7　有限元模型及其坐標系圖

對圖6中九種受火工況分別進行了熱力耦合分析計算，得到托梁中各觀測點的位移與升溫時間的關系曲線如圖8所示。從圖中看出，在受火工況1作用下，隨著升溫時間的增加，底部大空間托梁（桿件1-7）上觀測點2、3、4在恒定力學荷載作用產生位移的基礎上，均產生了正向位移，表明在該工況火災作用下轉換結構的熱膨脹變形導致轉換托梁沿豎向正位移大于豎向恒載作用下產生的沿豎向負位移。而在其他受火工況作用下，除受火工況4的觀測點2以外，托梁觀測點皆在豎向力學荷載作用的基礎上繼續產生向下的負方向位移，如圖8所示就托梁觀測點豎向位移的絕對值變化來說，各受火工況下觀測點豎向位移絕對值均隨著升溫時間的增加逐漸增大。而工況2和工況4中托梁各觀測點的豎向變形均大于其他受火工況，如圖8所示。

圖8　托梁觀測點豎向位移與升溫時間關系曲線圖

3.2底部托梁的豎向撓度變化曲線

基于托梁（1-7）中各觀測點變形值繪制了托梁撓度變化曲線，如圖9、10所示。從圖9中可以看出，隨著升溫時間的增加，托梁的撓度值不斷增大，升溫過程前期60 min增長較快，之后逐漸減緩。從圖10中可以看出，在受火工況1～6中，由于受火房間布置關于轉換結構模型中軸對稱，所以托梁的撓度曲線也呈對稱分布；而受火工況7～9的受火房間布置關于中軸不對稱，所以托梁的撓度曲線也呈非對稱分布，托梁的撓度曲線關于跨中中軸的對稱性與其所受的火災工況的對稱性一致。由圖10可見，受火工況4造成的底部托梁的撓度值最大，其次是受火工況2和1。

3.3邊柱的豎向變形及水平側移

轉換結構模型邊柱12-16中觀測點的豎向和水平側移與升溫時間的關系曲線分別如圖11、12所示。由圖11可以看出，部分火災工況下，觀測點1 8、12的豎向變形由負值（常溫時的豎向荷載作用）轉變為正值（向上），并隨著升溫時間的增加不斷增大。這是由于邊柱受熱膨脹發生的豎向伸長變形大于由豎向荷載對其產生的壓縮變形所致。初始升溫60 min內，豎向膨脹變形較快，其后逐步趨于平緩由圖12可見，多數工況下，模型邊柱12-16中觀測點1、8、12均發生了沿z軸正向的水平側移（向模型平面外側凸出），這應是轉換結構底部托梁和上層橫梁在高溫作用下產生軸向膨脹變形的推力所致。

圖9　不同升溫時刻托梁的撓度曲線變化圖

圖10　升溫時刻為180 min時托梁的撓度變化曲線圖

圖11　邊柱觀測點1、8、12的豎向變形與升溫時間關系曲線圖

圖12　邊柱觀測點1、8、12的水平側移與升溫時間關系曲線圖

圖13　柱12-16和柱15-17在不同升溫時刻的水平位移圖

不同受火工況下轉換結構模型兩側邊柱的水平側移情況如圖13所示。從圖中可以看出，隨著升溫時間的增加，邊柱的水平側移逐漸增大。對于托梁位置處的觀測點1來說，受火工況4引起的向外凸出側移最大，受火工況1次之。由于受火樓層橫梁受火膨脹變形的作用，受火樓層橫梁位置處邊柱向外凸出的側移明顯大于其他樓層。在工況1-6中，模型兩側邊柱的水平側移呈對稱分布；在工況7-9中，模型兩側邊柱的水平側移則呈現非對稱分布，這與受火工況的對稱性保持一致。比較圖13（e）、（f）與（g）、（h）可見，受火房間距離邊柱的距離遠近影響模型邊柱側移的大小，受火房間距離邊柱越近，邊柱的側移越大。觀察圖13（g）、（h）、（i）還可見，對于模型對稱軸的一側受火工況，兩側邊柱的側移在底層托梁以上部分產生同向側移，這是構件間約束作用的結果，這也意味著不對稱受火情形下，結構中會產生較劇烈的相互作用和內力重分布現象。

3.4模型的整體變形狀態

在各受火工況作用下，當受火180 min時模型的整體變形情況如圖14所示（為便于觀察，圖中變形放大了10倍）。

圖14　各受火工況作用下180 min時模型的整體變形狀態圖

4　結論

文章運用ABAQUS大型有限元分析軟件，通過對一榀三層底部大空間鋼筋混凝土托梁轉換結構模型進行火災高溫及荷載耦合作用下的變形計算與分析，其結論如下:

（1）轉換結構模型在常溫豎向荷載作用下的變形穩定后施加標準升溫，轉換結構模型將由于升溫作用而產生附加變形。在火災高溫及恒定豎向荷載耦合作用下，隨著升溫時間的增加，轉換結構模型內各觀測點的變形值將隨之發生顯著變化。

（2）隨著升溫時間的增加，轉換結構模型中底部托梁的撓度值在常溫豎向荷載作用的基礎上開始不斷增大，升溫過程前期60 min增長較快，之后逐漸減緩。撓度曲線關于轉換結構模型中軸的對稱性與受火工況的對稱性一致。就同一升溫時刻引起的底部托梁的豎向撓度變形值來看，底部大空間和上部相鄰層同時受火的工況4最顯著，其次是大空間上部相鄰層受火的工況2和大空間受火的工況1。

（3）部分火災工況下，轉換結構模型邊柱受熱發生的豎向膨脹變形會出現大于豎向荷載對其產生的壓縮變形的情形。

（4）隨著升溫時間的增加，不同受火工況下轉換結構模型兩側邊柱的水平側移逐漸增大。由于受火樓層橫梁受火膨脹變形的作用，受火樓層橫梁位置處邊柱向外凸出的側移明顯大于其他樓層。

（5）受火房間距離邊柱的距離遠近影響轉換結構模型邊柱側移的大小，受火房間距離邊柱越近，受熱膨脹變形對邊柱的側移影響越明顯。

（6）對于模型對稱軸的一側的受火工況布置，兩側邊柱的側移在底層托梁以上部分產生同向側移情形，這應是構件間約束作用的結果，表明在不對稱受火情形下，結構中會產生較劇烈的相互作用和內力重分布現象。

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［15］ ISO 834，International Standard［S］.Geneva:Frie-Resistanc TestsElementsofBuildingConstruction， Amendment1 Amendment 2，1980.

（學科責編：吳芹）

Bearing performance analysis of reinforced concrete structure with bearing column girder transfer floor under fire and coupling with vertical loads

Fu Chuanguo1，Kong Weiyi2，Wang Yuzhuo1
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The model of 3-story reinforced concrete structure with large space bearing column girder transfer floor at bottom is established.The nonlinear FEM software ABAQUS is used to analyze the deformation of the model which is exposed to fire and coupling with vertical loads.Based on the simulation results of 9 fire cases，the displacements of measured points and heating-up time curves are plotted.The numerical results show that based on the deformations under vertical loads at normal temperature，the transfer structure models produce complicated additive deformations with the heatingup time increasing.The deflections of the transfer girder are growing fast in 60 minutes of ignition，and then slow down gradually.As to the deflections of the transfer girder at the same moment，the fourth fire case has importance affect，followed by the second and the first fire cases.With the heating-up time increasing，the lateral displacements of two side columns of the model increasegradually in different fire cases.Because of the thermal expansion of the beam in burning floor，the lateral displacements outward of side columns in burning floors are significantly larger than other floors.In asymmetric fire room conditions，because of the constraint between members，two side columns above the transfer girder produce sway in the same direction.It shows that in asymmetric fire conditions，the structure will produce a violent interaction and the internal force redistribution phenomena.

reinforced concrete；transfer structure；fire；bearing performance

TU375

A

1673-7644（2015）06-0511-08

2015-07-03

國家自然科學基金項目（51278289）；國家自然科學基金項目（51478254）

傅傳國（1963-），男，教授，博士，主要從事工程結構基本理論及減災技術等方面的研究.E-mail:fcguo@sdjzu.edu.cn