真實火災下鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結構的耐火性能分析

李雪微，黃 凱，徐 蕾

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連116650)

火災是最嚴重、最頻發的災害之一。其中建筑火災更是對人們的生命財產造成嚴重的危害，所以對于建筑結構的抗火性能研究尤為重要。數十年來，研究人員對各類構件、節點以及框架結構的耐火性能進行了一系列的研究。例如章晴雯[1]利用ABAQUS軟件對型鋼混凝土柱進行了溫度場分析，重點研究受火后柱的溫度分布特點及其主要影響因素。呂俊利等[2]針對處于實際框架中的組合梁的耐火性能開展了火災試驗。Hong，Varma[3]對鋼管混凝土柱的抗火性能進行了有限元分析。結果表明，隨著鋼材屈服強度、含鋼率以及截面高寬比的增加，耐火極限有降低的趨勢。馬云玲，白曉紅等[4]分析了在五種不同的受火條件下，三跨鋼筋混凝土連續梁的混凝土與鋼筋的應力、梁的變形以及位移變化情況。在真實火災下框架結構的耐火性能研究方面，韓林海等[5]進行了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁組合平面框架的真實火災試驗。得出結論：受火時，梁受節點區域的約束作用，引起懸鏈線效應，加劇了受力柱的重力二階效應，從而使得柱先發生破壞；火災結束后，梁底部冷卻收縮易產生裂縫。

目前國內外對結構的耐火性能研究方面取得了大量的研究成果，許多研究成果在工程中得到廣泛的應用，但是對真實火災下鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結構耐火性能的研究還很少見，因此本文利用ABAQUS有限元平臺對這類結構在真實火災場下的整體耐火性能進行初探，獲得真實火災場中不同受火工況下框架結構中梁的跨中撓度變形，框架節點豎向位移和水平位移，構件的應力變形分析等參數，以此得到框架結構的耐火極限，并與標準火災場下的耐火極限進行對比分析。

1 有限元模型建立

1.1 鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結構模型

以某民用建筑為研究背景，采用其中三層兩跨的框架結構模型，其中該結構的各構件截面尺寸分別為，鋼筋混凝凝土柱：500 mm×500 mm，鋼梁：450 mm×200 mm×9 mm×14 mm，層高為3 m，跨度為6 m，鋼材均選取Q345鋼，混凝土的強度等級為C35。框架模型節點設計圖如圖1。

圖1 框架節點設計圖

Z1Z2Z3為柱，N1N2N3分別為柱頂所受的集中荷載，q為梁所受均布荷載，荷載工況見表1。框架梁設置3處不同的測點位置，測點位置如圖2。其中ABC三點為框架梁柱節點設計處，DE為梁的跨中，受火工況如圖3。受火工況分為三種，分別是一層受火(I區域)、二層受火(Ⅱ區域)、三層受火(Ⅲ區域)，節點設計參考文獻[6]。

圖2 鋼梁截面測點圖

表1 荷載工況

a)Ⅰ區域 b)Ⅱ區域 c)Ⅲ區域圖3 不同火災工況

1.2 溫度場模型

本文通過ABAQUS先建立鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結構的溫度場模型，根據框架尺寸和不同受火工況建立相關模型部件及材料信息，其中邊柱三面受火，中柱四面受火，鋼梁上翼緣背火，上翼緣以下均受火，受火面熱輻射系數0.5，輻射系數分布一致，表面熱交換膜層散熱系數25。鋼梁和鋼筋混凝凝土柱之間用Tie綁定，鋼筋骨架embed嵌入混凝土區域，混凝土部件選用DC3D8實體單元，鋼筋骨架選用DC1D2單元。環境溫度分別按標準溫度曲線和FDS模擬的真實火災下溫度曲線來進行對比。FDS模擬真實火災溫度曲線和標準溫度曲線如圖4～5。

圖4 FDS模擬真實火災溫度-時間曲線圖

圖5 標準溫度-時間曲線

1.3 力學模型

建立力學模型，將溫度場模型計算的結果數據庫文件導入力學模型的預定義場。鋼梁和鋼筋混凝凝土柱之間仍用Tie綁定，鋼筋骨架embed嵌入混凝土區域，鋼梁和柱之間接觸采用面與面接觸，鋼梁為從表面，柱為主表面，摩擦包括法向行為和切向行為，法向行為采用“硬接觸”，切向行為采用庫倫摩擦，罰函數，摩擦系數取0.6。在此力學分析中，柱上端只允許豎直位移和平面內轉動，柱下端只允許平面內轉動；梁端限制平面外運動。柱上端通過參考點耦合施加集中力，每根梁上表面通過Pressure施加均布荷載。實體部件網格選用C3D8R實體單元，鋼筋骨架選用T3D2桁架單元。

2 抗火性能分析

2.1 溫度場分析

分別將兩種溫度曲線引入到溫度場計算中，3種工況框架的整體溫度場分布云圖如圖6。梁ABC各測點的溫度曲線變化如圖7、圖8。

圖8 鋼梁溫度-時間關系曲線(ISO)

以I區域底層受火為例，展示了鋼梁在FDS模擬的真實火災溫度曲線和ISO標準升溫曲線下的三處測點溫度-時間變化圖如圖7、圖8。FDS曲線下先上升之后降溫到400℃后趨于平緩。而ISO曲線下三個測點整體趨勢基本保持一致，整體呈上升趨勢。由圖可以看出，測點B即鋼梁腹板溫度最高，測點C即鋼梁下翼緣溫度最低。邊柱三面受火柱和中柱四面受火柱溫度場分布云圖如圖9、圖10。可以看出四面受火柱由四面結點溫度最高，向內結點溫度逐漸呈降低趨勢，柱芯溫度最低，分布均勻。三面受火柱由受火的三面溫度最高，不受火面和柱芯溫度最低。

圖9 三面受火柱溫度場分布云圖

圖10 四面受火柱溫度場分布云圖

2.2 力學模型分析

將溫度場計算出來不同受火工況結果數據庫溫度文件引入力學模型，并設置好相應的參數和部件模型，計算得到組合框架不同受火工況的力學模型變形云圖如圖11。火災模擬的溫度場數據各受火區域對于框架的破壞主要集中在鋼梁的跨中變形破壞，而柱在整個過程中幾乎沒有發生變形，這是因為鋼材的熱膨脹系數比混凝土大，所以在此變形云圖中，鋼梁跨中呈現的變形最大，處于紅色中心區，鋼梁由中心向兩邊逐漸降低變形度。

a)Ⅰ區域 b)Ⅱ區域 c)Ⅲ區域圖11 框架結構變形云圖

2.2.1 梁跨中撓度變形及應力分析

(1)鋼梁跨中撓度曲線。組合框架鋼梁的跨中撓度曲線如圖12。D點、E點分別為梁跨中左右側面中點。FDS曲線下是跨中撓度處于Ⅲ區域時最大，ISO曲線下處于Ⅱ區域時最大，且兩邊梁D、E點變化基本一致。ISO曲線下D點、E點跨中撓度變化最為一致，幾乎重疊為一條直線，跨中最大位移為295.7 mm。FDS和ISO曲線下梁跨中位移見表2。

a)Ⅰ區域(FDS) b)Ⅰ區域(ISO)

c)Ⅱ區域(FDS) d)Ⅱ區域(ISO)

e)Ⅲ區域(FDS) f)Ⅲ區域(ISO)圖12 鋼梁跨中撓度-時間關系曲線

表2 各區域梁跨中位移 /mm

根據《建筑構件耐火試驗標準》(GB/T9978-2008)[7]，當梁、板最大撓度達到撓度變形量超過 L/30(mm)后(L 為梁板計算跨度)，即可判斷梁達到耐火極限。由曲線圖和計算結果表可知如下結論，FDS曲線下Ⅲ區域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域都未達到耐火極限；ISO曲線下Ⅱ區域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ區域未達到耐火極限，Ⅱ、Ⅲ區域達到耐火極限，耐火極限=8 690s=2.41 h。

(2)鋼梁應力分析。鋼梁在I區域受火時，測點A、B、C三點應力-時間變化曲線如圖13～14。FDS曲線下應力發生變化較大，ISO曲線下是先上升再趨于平緩的趨勢。鋼梁腹板火災下應力變化最大，且在真實火災下比ISO曲線下應力變化更大。FDS曲線下，測點A對應的屈服強度為263 MPa，測點B對應的屈服強度為287 MPa，測點C對應的屈服強度為244 MPa。ISO曲線下測點A對應的屈服強度為267 MPa，測點B對應的屈服強度為267 MPa，測點C對應的屈服強度為263 MPa。

圖13 鋼梁應力-時間關系曲線(FDS)

圖14 鋼梁應力-時間關系曲線(ISO)

2.2.2 柱頂豎向位移

柱頂豎向位移變化圖如圖15，圖中各曲線測點如圖1。A點、B點、C點分別為左邊柱、中柱、右邊柱所在測點。由上圖可知，在這兩種溫度曲線下各柱均發生了膨脹位移，其中測點B即中柱Z2的膨脹位移要明顯大于測點AC，因為受火時中柱溫度最高，且為四面受火柱，所以發生的膨脹位移最大。FDS曲線下，在急速升溫階段，豎向位移迅速增加，在緩慢降溫階段位移逐漸減少，ISO曲線下豎向位移逐漸增加。

a)Ⅰ區域(FDS) b)Ⅰ區域(ISO)

c)Ⅱ區域(FDS) d)Ⅱ區域(ISO)

e)Ⅲ區域(FDS) f)Ⅲ區域(ISO)圖15 柱頂豎向位移-時間關系曲線

根據《建筑構件耐火試驗標準》(GB/T9978-2008)[8],當柱沿長度方向壓縮變形超過 H/100(mm)(H為柱的受火高度)，即可判斷柱達到耐火極限。由上分析可知如下結論，兩種曲線下I區域豎向位移最大，FDS曲線下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域均未達到耐火極限，ISO曲線下，Ⅱ、Ⅲ區域未達到耐火極限，I區域測點B達到耐火極限，耐火極限=3808 s=1.05 h。各區域柱頂豎向位移見表3。

表3 各區域柱頂豎向位移 /mm

2.2.3 梁柱節點水平位移

兩種溫度曲線下，水平位移由于中柱四面受火，邊柱三面受火，呈對稱分布。Ⅱ區域水平位移變化最大，在多層框架結構受火時，可以增加中間層的保護層厚度，以達到更好的抗火效果，如圖16。

a)Ⅰ區域(FDS) b)Ⅰ區域(ISO)

c)Ⅱ區域(FDS) d)Ⅱ區域(ISO)

e)Ⅲ區域(FDS) f)Ⅲ區域(ISO)圖16 梁柱節點水平位移-時間關系曲線

3 結 論

通過ABAQUS軟件對鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架建立溫度場和力學模型，得到溫度場溫度變化云圖和應力云圖，分析框架結構在真實火災下的耐火性能，梁柱節點豎向位移、水平位移以及梁跨中撓度變化、應力變化等，并對比ISO標準升溫曲線與真實火災曲線數據下，各項參數的不同點，得到以下結論：

(1)梁跨中撓度。FDS曲線下Ⅲ區域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區域均未達到耐火極限；ISO曲線下Ⅱ區域梁的跨中撓度變化最大，I區域未達到耐火極限，Ⅱ、Ⅲ區域達到耐火極限，耐火極限=8690 s=2.41 h。

(2)鋼梁應力。鋼梁腹板火災下應力變化最大，且在真實火災下比ISO曲線下應力變化更大。

(3)柱頂豎向位移。兩種曲線下I區域豎向位移最大，FDS曲線下I、Ⅱ、Ⅲ區域均未達到耐火極限，ISO曲線下，Ⅱ、Ⅲ區域未達到耐火極限，I區域測點B達到耐火極限。

(4)梁柱節點水平位移。兩種溫度曲線下，水平位移由于中柱四面受火，邊柱三面受火，呈對稱分布。Ⅱ區域水平位移變化最大。