火災下鋼框架耐火極限有限元分析

米琳琳 姜 靜 張瀚天

（1.牡丹江大學建筑工程學院，黑龍江 牡丹江 157011；2.佳木斯大學建筑工程學院，黑龍江 佳木斯 154000）

1 前言

鋼結構是當今建筑業的熱點之一，隨著鋼結構的廣泛應用，國內外關于鋼結構抗火失效的例子也隨之增多，給人民生命和社會財產造成巨大損失。鋼材雖不是可燃材料但其導熱系數大，在火災作用下力學性能顯著改變，使承載能力變弱，所以耐火性差是鋼材最主要缺點。近年來許多學者對鋼框架構件、節點等高溫后力學性能進行了研究，[1]-[4]得出的結果為鋼結構抗火設計提供了依據。本文應用有限元軟件建立三層三跨鋼框架結構，研究六個房間受火后溫度場分布、柱橫向位移、梁撓度變化。目的是得到鋼框架耐火時間和臨界溫度，為鋼結構防火設計提供參考。

2 有限元方法及驗證

本文應用有限元軟件ABAQUS，模擬文獻[5]中單層鋼框架火災試驗，模型見圖1。模型參數與試驗相同，溫度按ISO-834標準升溫曲線加載。模擬選擇順序耦合，即先進行熱分析再把熱分析結果導入力學模型中進行力學分析。在熱分析中，鋼材和混凝土的熱工性能按T.T.Lie[6]給出的參數選取，受火構件表面熱對流系數取25W/m2，熱 輻 射 取0.85W/m2，Stefan-Boltzmann常 數σ=5.67×10-8W/（m2·k4）。

試驗測點如圖2所示，從圖3～圖5中可看出模擬結果與試驗結果趨勢上吻合較好，說明ABAQUS軟件模擬的可行性。圖3、圖4中測點試驗溫度高于模擬溫度，隨著時間推移溫度差越來越小，最大誤差33%。誤差原因是試驗初始溫度高于室溫，在試驗過程中試驗爐內采用燃油點燃噴火裝置，雖然升溫采用的是ISO-834升溫曲線，但爐內溫度仍是高于升溫曲線。柱頂側向位移誤差25%，造成誤差的原因主要是模擬與試驗的溫度誤差導致產生的應力大小不同，此外鋼材含碳量、構件初始缺陷等也影響結果。

圖1 單層鋼框架模型

圖3 柱測點溫度-時間曲線對比

圖4 梁測點溫度-時間曲線對比

圖2 柱和梁測點位置圖

圖5 鋼框架柱頂側向位移-溫度曲線對比

3 火災下三層三跨鋼框架有限元分析

建立三層三跨鋼框架結構，層高2.8m，跨度3.6m。梁、柱尺寸分別為H250×125×6×9和H200×200×8×12，均為Q235鋼，柱線剛度大于梁線剛度，滿足抗震要求。柱頂部作用有軸心荷載，外側柱荷載100kN，內側柱荷載180KN，所有橫梁受均布荷載作用25kN/m，所有柱腳固定。假設材料為理想彈塑性體，鋼材容重7850kg/m3，初始彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度均為290MPa。高溫下鋼材的導熱、比熱以及熱膨脹系數均按歐洲規范EC3[7]和EC4[8]取值。

為研究火災下鋼框架耐火時間和臨界溫度，假設火災分別發生在六個房間。由于梁上部有混凝土板，柱腹部有防火墻，為了與實際情況相符合，故鋼梁三面受火，上部不受火，鋼柱一面受火。計算時，不考慮火源具體位置，假設同一截面上溫度相等。初始溫度為20℃，按ISO-834標準升溫曲線加載，60s為一個載荷步，加熱1500s。鋼框架模型見圖6。

火災下，判斷鋼結構整體或鋼構件達到極限承載力標準為：

（1）結構整體喪失穩定；

（2）受火梁跨中撓度f≥L/250（L為梁的跨度）；

（3）柱橫向位移δ≥H/30（H為層高）。

本文梁破壞撓度f≥3600mm/250=14.4mm，柱橫向破壞位移δ≥2800mm/30=93.33mm。

圖6 鋼框架模型

圖7 梁、柱截面溫度-時間曲線

3.1 溫度場分析

受火房間在不同時刻的溫度分布具有普遍規律，因此以一層邊跨為例研究受火房間溫度場分布。圖7反映的是受火梁、柱翼緣與腹板的溫度隨時間變化的關系。可看出，梁溫度總體上高于柱溫度。梁腹板溫度最高，下翼緣溫度略低于腹板，這是因為梁三面受火，腹板同時受到熱傳導和熱輻射的作用且腹板薄于翼緣。柱由內翼緣至外翼緣溫度依次降低，柱腹板的防火墻充分起到了阻隔火勢蔓延的作用，僅靠熱傳導作用外翼緣溫度上升緩慢，最終溫度僅為67℃。

3.2 變形分析

3.2.1 一層邊跨與一層中跨變形分析

受火房間變形見圖8、圖9。由圖10、圖11可知鋼框架受火后，隨著溫度的升高，梁、柱變形越來越大。

圖8 一層邊跨變形圖

圖9 一層中跨變形圖

（1)一層邊跨受火時梁在0s～1080s剛度下降使撓度緩慢增長，1080s～1140s強度顯著降低使撓度突然增大，在1140s時撓度增大到19.79mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時間是18min，臨界溫度743.10℃，梁構件失效。柱橫向位移先在0s～1080s增大，后1080s～1500s減少，因為梁、柱受熱膨脹使柱在X方向有位移，隨著梁在Y方向的撓度不斷增大對柱產生拉力，使得柱橫向位移逐漸減小，而在整個受火過程中柱橫向最大位移出現在梁柱節點處41.757mm＜93.33mm，整個鋼框架并未失穩。

（2）一層中跨受火時梁在0s～900s撓度緩慢增長，900s～960s撓度突然增大，960s增大到17.043mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時間是15min，臨界溫度708.877℃，梁構件破壞；柱橫向位移在0s～900s逐步增長，900s～1500s逐漸減小，最大位移出現的時間晚于邊跨且最大位移小于邊跨，是因為中跨柱受兩邊結構軸向力約束作用，限制其在橫向的發展。在整個受火過程中柱橫向最大位移出現在梁柱節點處16.927mm＜93.33mm，整個鋼框架保持穩定。

3.2.2 二層邊跨與二層中跨變形分析

受火房間變形見圖12、圖13。由圖14、圖15可知：

圖10 一層梁撓度-時間曲線

圖11 一層柱橫向位移-時間曲線

圖12 二層邊跨變形圖

圖13 二層中跨變形圖

二層邊跨受火時梁從0s～1080s撓度緩慢增長，1080s～1140s撓度突增，在1140s時撓度增大到17.295mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時間是18min，臨界溫度741.46℃，梁構件失效；柱橫向位移在0s~1080s增大，1080s～1500s減少，整個受火過程中柱橫向最大位移40.635mm＜93.33mm，整個鋼框架并未失穩。

二層中跨受火時梁從0s～1020s撓度緩慢增長，1020s～1080s撓度突然增大，增大到21.369mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時間是17min，臨界溫度730.552℃，梁構件破壞；柱橫向位移在0s～1020s逐步增長，1020s～1500s逐步減小，在整個受火過程中柱橫向最大位移18.152mm＜93.33mm，整個鋼框架仍然保持穩定。

圖14 二層梁撓度-時間曲線

圖15 二層柱橫向位移-時間曲線

2.2.3 三層邊跨與三層中跨變形分析

受火房間變形見圖16、圖17。由圖18、圖19可知：

（1）三層邊跨受火時梁在外力作用下先有向下撓度，由于上部沒有房間的約束作用，柱、梁受火膨脹，此時膨脹產生的向上位移大于外力產生的向下位移因此撓度向上，隨著溫度升高剛度、強度下降梁向下撓度不斷增大，在1440s時撓度增大到21.559mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時間是23min，臨界溫度792.01℃，梁構件失效；整個受火過程柱橫向最大位移51.816mm＜93.33mm，整個鋼框架并未失穩。

圖16 三層邊跨變形圖

圖17 三層中跨變形圖

圖18 三層梁撓度-時間曲線

圖19 三層柱橫向位移-時間曲線

（2）三層中跨受火時梁在1200s撓度增大到16.265mm＞14.4mm，所以梁耐火極限時間是19min，臨界溫度為752.303℃，梁構件破壞；柱橫向最大位移20.853mm＜93.33mm，整個鋼框架仍然保持穩定。

4 結論

（1）結合分析可知，不同房間發生火災對整個結構影響不同。本文每層邊跨耐火時間均長于中跨耐火時間。6個受火房間中，耐火時間最短的是底層中跨15min，應加強防火措施；耐火時間最長的是三層邊跨23min。

（2）整個受火過程中，梁均先于柱破壞，需適當加強梁構件防火措施。

（3）三層邊跨的邊柱變形最大，由于上部及左（或右）側沒有任何約束作用，使得柱橫向位移最大51.816mm，雖然沒達到極限狀態，但在抗火設計中為薄弱構件，需加強防火措施。