基于局部火災(zāi)情況下冷彎薄壁型鋼貨架立柱穩(wěn)定性研究

任 重，張 鵬，戴柳絲

(上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444)

近年來，隨著制造業(yè)和物流業(yè)高速發(fā)展，倉(cāng)儲(chǔ)體系需求也越來越大，同時(shí)對(duì)鋼貨架安全性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性也提出了更高要求。冷彎薄壁型鋼由于具有自重輕、強(qiáng)度高、節(jié)能環(huán)保、便于組裝拆卸和高效空間利用率等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于鋼貨架、鋼框架、桁架等結(jié)構(gòu)中。但是由于冷彎薄壁型鋼立柱截面的復(fù)雜化以及孔洞形式多樣化，貨架立柱軸壓性能極易受到局部屈曲、畸變屈曲、整體屈曲及其各屈曲間相互作用[1]的影響。為完善我國(guó)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)常溫下冷彎薄壁型鋼構(gòu)件穩(wěn)定性進(jìn)行大量研究[2-8]并將其成果寫入《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》中[9]。但是眾所周知，鋼材是一種不耐高溫的材料。由于鋼材熱傳導(dǎo)率高，一旦發(fā)生火災(zāi)，未加保護(hù)的鋼構(gòu)件在高溫作用下，屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和彈性模量都會(huì)迅速下降[10-12]，從而嚴(yán)重削弱其受力性能。歐洲、澳洲等地學(xué)者對(duì)于冷彎薄壁型鋼構(gòu)件研究起步較早，對(duì)常溫[13-16]和均勻高溫下[17-20]冷彎薄壁型鋼構(gòu)件已經(jīng)進(jìn)行大量研究，并據(jù)此形成了較完善的設(shè)計(jì)方法。然而，在實(shí)際火災(zāi)中，構(gòu)件及其周圍空氣溫度分布是不均勻的[21-24]，并且這種溫度梯度會(huì)對(duì)冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的破壞模式造成嚴(yán)重影響[23]。另外，冷彎薄壁構(gòu)件的設(shè)計(jì)方法主要為有效寬度法和直接強(qiáng)度法；由于有效寬度法并不適用于連續(xù)開孔且截面復(fù)雜的構(gòu)件，通常采用直接強(qiáng)度法對(duì)其承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)[25]。直接強(qiáng)度法由于具有簡(jiǎn)單高效的特點(diǎn)而被澳洲冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范和北美冷彎型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范采納，但是原始的DSM設(shè)計(jì)公式并沒有考慮到溫度梯度的影響。如果忽略溫度梯度而采用均勻高溫下的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法將低估冷彎薄壁型鋼承載力，從而降低其經(jīng)濟(jì)性。但是局部火災(zāi)下冷彎薄壁型鋼構(gòu)件設(shè)計(jì)方法尚未完善，加之其具有很高的熱傳導(dǎo)率和復(fù)雜的初始缺陷，冷彎薄壁型鋼構(gòu)件在局部火災(zāi)下受力性能更難以預(yù)測(cè)。因此，冷彎薄壁型鋼貨架立柱在局部火災(zāi)下的穩(wěn)定性研究具有重要的理論意義。

1 有限元模型的建立

本文采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)貨架立柱在局部火災(zāi)下的受力性能進(jìn)行數(shù)值分析，如圖1所示。有限元模型中的材料本構(gòu)關(guān)系設(shè)為理想彈塑性模型，在歐洲規(guī)范EN 1993-1-2的基礎(chǔ)上計(jì)算出高溫下冷彎薄壁型鋼的材料屬性，如表1所示。所有模型的邊界條件均為兩端鉸接(底部為U1=U2=U3=UR3=0，頂部為U1=U2=UR3=0)。為了實(shí)現(xiàn)軸向加載，首先在立柱頂部截面形心處設(shè)置一個(gè)參考點(diǎn)RP-1，然后將頂部截面與參考點(diǎn)RP-1進(jìn)行動(dòng)態(tài)耦合(Kinematic coupling)，并將RP-1作為加載點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)軸向加載。與立柱頂部做法類似，立柱底部也需要在底部截面形心處設(shè)置參考點(diǎn)RP-2，并將底部截面與參考點(diǎn)RP-2動(dòng)態(tài)耦合。所有的有限元分析模型都包含三個(gè)部分：

1) 熱傳遞分析。以歐洲規(guī)范EN 1991-1-2的局部火源模型為基礎(chǔ)，假設(shè)火焰高度為立柱高度的三分之一，火源的最大熱釋放率與大型商場(chǎng)類似為250 kW/m2，且達(dá)到最大熱釋放率的時(shí)間為150 s.與現(xiàn)有組合墻傳熱結(jié)果不同[26]，局部火災(zāi)情況下假設(shè)火源在貨架立柱底部，因此忽略立柱截面方向上的溫度梯度，只考慮沿立柱高度方向上的溫度不均勻分布。熱傳遞分析模型中的單元采用四結(jié)點(diǎn)傳熱四邊形殼單元(DS4)，可以準(zhǔn)確高效地用于局部火災(zāi)情況下的溫度場(chǎng)分析。

圖1 局部火災(zāi)下貨架立柱有限元分析模型

2) 特征值屈曲分析(Linear Perturbation).在第一步的基礎(chǔ)上，采用四結(jié)點(diǎn)曲面薄殼單元(S4R)對(duì)貨架立柱在局部火災(zāi)情況下的軸壓穩(wěn)定性進(jìn)行分析，并得到各模態(tài)下臨界荷載、屈曲模態(tài)及位移。

3) 材料幾何非線性分析(Riks).在第一步的基礎(chǔ)上將特征值屈曲分析結(jié)果中第一屈曲模態(tài)位移的L/1 000作為貨架立柱的初始缺陷導(dǎo)入并進(jìn)行材料幾何非線性分析。單元采用S4R.

表1 高溫下冷彎型鋼的材料屬性

2 有限元模型的驗(yàn)證及參數(shù)分析

由于局部火災(zāi)下立柱試驗(yàn)較少，為保證數(shù)值分析的準(zhǔn)確性，分3個(gè)部分對(duì)有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。

2.1 熱傳遞分析

利用CRAVEIRO et al[27]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，選取構(gòu)件C_PP_30LL_K1-3作為驗(yàn)證對(duì)象。以試驗(yàn)中的高溫爐內(nèi)溫度作為有限元模型的環(huán)境溫度，構(gòu)件周圍環(huán)境通過熱對(duì)流將熱量傳遞到構(gòu)件使其溫度升高。由于試驗(yàn)中a，b和c的升溫曲線基本一致，故選擇測(cè)點(diǎn)b的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)與有限元中構(gòu)件同一位置(構(gòu)件中部腹板處測(cè)點(diǎn)b)的升溫曲線如圖2所示，較好的吻合性說明熱傳遞分析結(jié)果具有可靠性。

圖2 溫度場(chǎng)分析與現(xiàn)有的熱傳遞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.2 特征值屈曲分析

利用YOUNG et al[28]的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證臨界荷載、半波長(zhǎng)個(gè)數(shù)和屈曲模態(tài)，將第一階模態(tài)下有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表2所示，有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

2.3 材料幾何非線性分析

利用ZHAO et al[1]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證軸壓冷彎薄壁型鋼貨架立柱的極限荷載，結(jié)果如表3所示，對(duì)比可得有限元分析的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。綜上可知，所建的模型能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)貨架立柱在局部火災(zāi)情況下的受力性能。

表2 特征值屈曲分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3 材料幾何非線性分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

本文采用已驗(yàn)證的數(shù)值分析方法對(duì)180個(gè)局部火災(zāi)下貨架立柱進(jìn)行數(shù)值分析，立柱參數(shù)包括8種異型截面、4種構(gòu)件長(zhǎng)度、5種最高溫度，結(jié)果如表4

表4 模型的幾何參數(shù)和最高溫度

所示，其幾何特征如圖3所示。所有模型采用統(tǒng)一的命名方式，如：100-60-1.8-2000-400代表構(gòu)件的腹板寬度b為100 mm，翼緣高度h為60 mm，截面厚度d為1.8 mm，構(gòu)件長(zhǎng)度L為2 000 mm，底部的最高溫度θ為400 ℃.

圖3 (a) 截面幾何參數(shù)(孔洞的相對(duì)位置已被標(biāo)記)，(b) 孔洞的尺寸

3 有限元分析結(jié)果

3.1 熱傳遞分析結(jié)果

圖4為75-55-1.8-2000立柱在局部火災(zāi)影響下，不同時(shí)間點(diǎn)立柱溫度沿高度方向的分布情況(a)及不同高度點(diǎn)的升溫曲線(b).火災(zāi)發(fā)生初期火源熱釋放率較低，立柱底部從20 ℃升至200 ℃大約需要56 s，由于鋼材的導(dǎo)熱率較高，立柱底部溫度從200 ℃升至800 ℃只需要大約69 s.由圖4可知，當(dāng)冷彎薄壁型鋼貨架立柱底部發(fā)生局部火災(zāi)時(shí)，立柱存在明顯的溫度梯度，并且局部火災(zāi)情況下火源對(duì)立柱底部的影響非常明顯，而對(duì)于立柱上部的影響較小。因此采用構(gòu)件整體升溫的設(shè)計(jì)方法對(duì)貨架立柱進(jìn)行設(shè)計(jì)將會(huì)低估其軸壓承載力，從而降低冷彎薄壁型鋼構(gòu)件的經(jīng)濟(jì)性。

圖4 75-55-1.8-2000的熱傳遞分析結(jié)果

3.2 特征值屈曲分析結(jié)果

特征值屈曲分析中第一階模態(tài)的臨界荷載(以下簡(jiǎn)稱臨界荷載)是立柱穩(wěn)定性的體現(xiàn)，臨界荷載較大說明其穩(wěn)定性較好。由圖5-圖7可得，貨架立柱的穩(wěn)定性受溫度、截面和構(gòu)件長(zhǎng)度影響較大。由于彈性模量隨著溫度升高而減小，因此立柱的臨界荷載隨溫度升高而下降，特別是600 ℃以后出現(xiàn)大幅度降低。通過20 ℃下1 500 mm長(zhǎng)度的3種截面(75-55-1.8,90-56-1.8和100-60-1.8)軸壓承載力(分別為88.7 kN,104.6 kN和152.9 kN)對(duì)比可知，增大立柱截面可以有效增強(qiáng)其穩(wěn)定性。減少立柱的計(jì)算長(zhǎng)度可以增強(qiáng)其穩(wěn)定性，但是當(dāng)立柱長(zhǎng)度較大(3 000 mm)時(shí)，溫度對(duì)其臨界荷載的影響相對(duì)較小。

圖5 不同溫度下75-55-1.8截面的臨界荷載對(duì)比

圖6 不同溫度下90-56-1.8截面的臨界荷載對(duì)比

圖7 不同溫度下100-60-1.8截面的臨界荷載對(duì)比

圖8為各種截面貨架立柱在高溫下的臨界荷載折減系數(shù)對(duì)比圖，其中pcr,1,θ代表溫度θ℃下立柱的臨界荷載，pcr,1,20代表20 ℃下立柱的臨界荷載。由圖8可以看出不同長(zhǎng)度的各種截面在不同溫度下的臨界荷載隨長(zhǎng)度變化呈帶狀分布，pcr,1,θ/pcr,1,20隨立柱長(zhǎng)度增加而增大，且離散性較小。

圖8 不同溫度下臨界荷載的折減系數(shù)

3.3 幾何非線性分析結(jié)果

采用弧長(zhǎng)法可以較準(zhǔn)確計(jì)算立柱軸壓承載力，并且可以考慮材料幾何非線性效應(yīng)和初始缺陷的影響。在弧長(zhǎng)法分析結(jié)果中得到的是弧長(zhǎng)-LPF(load proportionality factor)曲線，將LPF與荷載施加值相乘再與立柱的軸向位移關(guān)聯(lián)，形成位移-荷載曲線。位移-荷載曲線可以很方便準(zhǔn)確地表示受壓立柱的軸向變形能力及其荷載情況。對(duì)不同長(zhǎng)度的75-55-1.8截面立柱進(jìn)行常溫下弧長(zhǎng)法分析并選取荷載最大點(diǎn)的荷載值為立柱的軸壓承載力，結(jié)果如圖9所示，長(zhǎng)度增加不僅會(huì)降低立柱的軸壓承載力，還會(huì)影響最大荷載所對(duì)應(yīng)的軸向位移值。為了探究局部高溫對(duì)不同長(zhǎng)度立柱軸壓承載力的影響，分別分析長(zhǎng)度為1 500，2 000，2 400和3 000 mm的75-55-1.8截面立柱在不同溫度下的承載力，結(jié)果如圖10-圖13所示，局部火災(zāi)對(duì)貨架立柱軸壓承載力產(chǎn)生不同程度的不利影響。當(dāng)立柱長(zhǎng)度為1 500 mm時(shí)，局部高溫對(duì)其軸壓承載力影響較明顯；當(dāng)立柱長(zhǎng)度為2 000 mm時(shí)，200 ℃的局部高溫對(duì)其軸壓承載力的影響較小；當(dāng)立柱長(zhǎng)度為2 400 mm時(shí)，200 ℃的局部高溫幾乎不影響立柱軸壓承載力；當(dāng)立柱長(zhǎng)度為3 000 mm時(shí)，200 ℃的局部溫度幾乎不影響其軸壓承載力并且400 ℃的局部高溫對(duì)其軸壓承載力產(chǎn)生的影響也較小。

圖9 常溫下75-55-1.8截面的承載力對(duì)比

圖10 不同溫度下75-55-1.8-1500的承載力對(duì)比

圖11 不同溫度下75-55-1.8-2000的承載力對(duì)比

圖12 不同溫度下75-55-1.8-2400的承載力對(duì)比

圖13 不同溫度下75-55-1.8-3000的承載力對(duì)比

立柱的破壞模式對(duì)其軸壓承載力有較大的影響。為了更準(zhǔn)確分析立柱破壞模式，以位移-荷載曲線最高點(diǎn)的后一個(gè)點(diǎn)作為破壞模式的判斷依據(jù)。圖14-圖18為75-55-1.8-2000立柱在不同溫度下的Mises應(yīng)力云圖和屈曲截面變形圖(虛線是初始截面，實(shí)線為變形后截面)。由圖14可知，局部火災(zāi)對(duì)立柱的應(yīng)力分布有重要的影響，20～400 ℃時(shí)立柱的應(yīng)力最大值分布在立柱中部，而當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃和800 ℃時(shí)立柱的底部(受火處)出現(xiàn)了應(yīng)力的集中。局部高溫導(dǎo)致立柱底部的應(yīng)力集中不僅僅削弱了其軸壓承載力而且還改變了其破壞模式，如溫度為20～400 ℃時(shí)立柱的破壞模式為整體屈曲(FB)，當(dāng)溫度為600 ℃時(shí)立柱的破壞模式變成了整體與局部相關(guān)屈曲(FB+LB)，當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)其破壞模式變成了整體-局部-畸變相關(guān)屈曲 (FB+DB+LB)(為了便于觀察破壞模式而對(duì)模型的變形圖進(jìn)行放大3倍處理)。總體來說，由于局部高溫造成局部材料屬性的削弱從而導(dǎo)致立柱底部應(yīng)力集中和改變了破壞模式進(jìn)而嚴(yán)重影響其軸壓承載力。

圖14 75-55-1.8-2000-20的破壞模式(FB)

圖15 75-55-1.8-2000-200的破壞模式(FB)

圖16 75-55-1.8-2000-400的破壞模式(FB)

圖17 75-55-1.8-2000-600的破壞模式(FB+LB)

圖18 75-55-1.8-2000-800的破壞模式(FB+LB+DB)

4 局部火災(zāi)下冷彎薄壁型鋼貨架立柱DSM修正

由于研究的立柱為長(zhǎng)柱(1 500～3 000 mm)，破壞模式以整體屈曲為主，畸變屈曲和局部屈曲較少，所以不修正其DSM設(shè)計(jì)曲線。選取破壞模式為整體屈曲的立柱分析結(jié)果對(duì)原始的整體屈曲DSM設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行修正。由于原始的DSM設(shè)計(jì)公式并未考慮溫度梯度的影響，無法用于預(yù)測(cè)局部火災(zāi)下的貨架立柱軸壓承載力，如圖19所示，原始的整體DSM設(shè)計(jì)曲線對(duì)于立柱底部溫度為20 ℃和200 ℃的軸壓承載力可以較好地預(yù)測(cè)，但是對(duì)于立柱底部溫度在400 ℃以上時(shí)無法合理預(yù)測(cè)其軸壓承載力，尤其是局部高溫為800 ℃時(shí)。圖19和圖20中的pu代表有限元分析結(jié)果中立柱的最大荷載。py=Fy×Anet，F(xiàn)y為常溫下材料的屈服強(qiáng)度，Anet為立柱的凈截面面積(假設(shè)所有孔洞在同一截面上所計(jì)算的凈截面面積)。λc為立柱的長(zhǎng)細(xì)比，pcr,1,20為20 ℃下特征值屈曲分析結(jié)果中第一階模態(tài)的臨界荷載。

圖19 局部火災(zāi)下貨架立柱結(jié)果與原始整體DSM曲線對(duì)比

由于原始的設(shè)計(jì)曲線預(yù)測(cè)的局部火災(zāi)下貨架立柱軸壓承載力偏大，為了更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)局部火災(zāi)下冷彎薄壁型鋼貨架立柱的軸壓承載力，基于原始DSM整體設(shè)計(jì)曲線提出一條適用于局部火災(zāi)下此類立柱的修正設(shè)計(jì)曲線(800 ℃)，如圖20所示。通過修正DSM設(shè)計(jì)曲線可知，采用統(tǒng)一高溫模型計(jì)算結(jié)果將會(huì)過于保守(如整體溫度為800 ℃時(shí)材料的屈服強(qiáng)度折減到常溫屈服強(qiáng)度下的0.07倍，如表1，即py,800=0.07py,20，而修正曲線只需要降到常溫屈服強(qiáng)度的0.4倍，即py,800=0.4py,20，如圖20).

5 結(jié)論

采用已驗(yàn)證的有限元模型對(duì)不同長(zhǎng)度、不同截面和不同局部高溫下的冷彎薄壁型鋼貨架立柱構(gòu)件進(jìn)行穩(wěn)定性分析，得出以下結(jié)論：

圖20 局部火災(zāi)下立柱DSM修正與原始DSM曲線對(duì)比(整體屈曲)

1) 冷彎薄壁型鋼貨架立柱在遭受底部火災(zāi)時(shí)，最高溫度出現(xiàn)在立柱底部，且構(gòu)件的溫度沿長(zhǎng)度方向會(huì)呈現(xiàn)出非線性變化。

2) 由冷彎薄壁型鋼貨架立柱的臨界荷載對(duì)比結(jié)果可以得出，溫度、截面尺寸和立柱長(zhǎng)度是影響立柱穩(wěn)定性的三大主要因素。

3) 局部火災(zāi)不僅對(duì)冷彎薄壁型鋼貨架立柱的軸壓承載力有不同程度的影響，還可能使貨架立柱的破壞模式從整體屈曲變成整體-局部相關(guān)屈曲或者整體-局部-畸變相關(guān)屈曲。

4) 冷彎薄壁型鋼貨架立柱的軸壓承載力隨著局部溫度的升高而逐漸降低，并且當(dāng)立柱長(zhǎng)為1 500 mm時(shí)，溫度對(duì)其軸壓承載力的影響相對(duì)較大，而當(dāng)立柱長(zhǎng)度為3 000 mm時(shí)，溫度對(duì)其軸壓承載力的影響相對(duì)較小。

5) 基于均勻高溫的原始DSM設(shè)計(jì)曲線會(huì)低估局部火災(zāi)情況下冷彎薄壁型鋼貨架立柱軸壓承載力，而基于常溫的DSM設(shè)計(jì)曲線預(yù)測(cè)的立柱軸壓承載力結(jié)果偏大。

本文提出適用于整體屈曲的修正DSM設(shè)計(jì)曲線，能較精確地對(duì)局部火災(zāi)下(800 ℃)貨架立柱的軸壓承載力進(jìn)行預(yù)測(cè)。