基于ANSYS的鋼梁抗火性能分析

■王 會，蘇 偉 ■連云港職業技術學院，江蘇 連云港 222006

1 引言

鋼結構由于強度高，施工方便，近年來，廣泛被應用于工業與民用建筑。但由于鋼材易生銹、耐火性較差，存在較大的安全隱患。一旦發生火災，鋼材的強度將下降較快，鋼結構建筑的整體承載能力大幅下降，最終導致結構破壞和倒塌，由于梁為鋼結構建筑的主要構件之一，因此研究鋼梁在火災和荷載下的反應為鋼結構的設計和施工提供一定的參考價值［1］。

2 鋼梁的熱—結構耦合分析

2．1 分析模型

計算模型采用工字型鋼梁，長為3m，兩端采用剛性連接。梁上荷載為30KN/m，材料為Q335鋼，工字形截面尺寸如下表1所示。

表1 工字型鋼梁的截面尺寸(m)

在鋼結構建筑中，因梁上鋪設樓板，假設鋼梁除上翼緣外，腹板和下翼緣各表面都受到火荷載的影響。在計算過程中，假定結構周圍的初始環境溫度為20℃，熱對流系數和輻射率分別為25W/(m·℃)和 0．9，外界溫度按公式逐漸升高，可計算得到各時刻的塑性變形和截面溫度分布規律，以及鋼梁的薄弱部位［2］。鋼梁模型如下圖1所示。

圖1 工字型鋼梁有限元模型

2．2 溫度場分析

下圖2為受火工字型鋼梁在跨中截面處各部位的溫度隨時間變化的曲線。從圖可知，上翼緣和其他部位相比較，溫度最低;而三者中由于腹板同時受到輻射、對流以及熱傳導共同作用，溫度最高;其次，由于鋼梁下翼緣受火面減少，其溫度低于腹板［3］。而上翼緣由于受到火荷載的影響最小，截面中溫度分布處于最小狀態。

圖2 梁跨中截面不同部位的溫度—時間曲線

2．3 結構分析

根據鋼結構構件抗火設計原則，耐火極限為:當構件的最大撓度為時，鋼梁就不能繼續承載［4］。根據該計算原則，其結構破壞時，跨中撓度應為。

從下圖3分析可知，當工字型鋼梁的跨中撓度達到100mm時，梁腹板的溫度約為550℃，時間為500s左右。

圖3 梁跨中撓度—時間曲線

圖4 工字型鋼梁的變形圖

由上圖4可知，在火災和外荷載共同作用下，鋼梁的跨中撓度最大，兩端撓度最小。

而從下圖5和圖6以及計算過程表明，鋼梁抗火的薄弱部位于兩端剛接點處，盡管該處的溫度較低，但塑性區仍先發生在梁端根部翼緣部位，且應力集中較為嚴重。

圖5 梁端節點的塑性應變分布圖

圖6 梁端節點的應力分布圖

3 結論

(1)在火災發生的初期，工字型鋼梁的下翼緣和腹板溫差不大，但由于在上翼緣鋪壓型鋼板或混凝土板，其與下翼緣和腹板溫差比較大。隨著火災的作用，梁腹板和上下翼緣的溫差逐漸變大，最終達到一個最大值，在火災后期，隨著鋼梁內部的熱傳導作用，三者的溫差逐漸減小，最后溫度趨于一致。

(2)在鋼梁整個受火過程中，梁端根部翼緣最早進入塑性，且應力集中較為嚴重。因此鋼梁兩端的支座部位是梁的薄弱部位，對其進行防火保護顯得尤為重要。