110 kV變電站鋼框架結構的抗火性能

汪 洋，李 攀，顧 瑜，張 凱

(1.蘇州電力設計研究院有限公司，江蘇 蘇州 215000； 2.同濟大學土木學院地下建筑與工程系，上海 200092)

鋼結構具有強度高、塑性韌性好、易連接、機械化程度高、抗震性能好等優點，被廣泛應用于各類建筑中。如美國紐約的帝國大廈和舊金山的金門大橋，法國巴黎的埃菲爾鐵塔，以及中國北京的國家鳥巢體育場、首都國際機場航站樓和新央視大樓等都采用了大量的鋼結構。然而，鋼結構的一個非常顯著的缺點是抗火性能差。在實際情況，鋼結構在發生火災時往往只有十幾分鐘的支撐能力，之后建筑結構將會迅速倒塌[1]。

結構抗火問題是一個非常復雜的綜合性問題，影響鋼結構抗火性能的因素眾多。國內外抗火理論研究，主要包括火災下室內溫度場的研究、高溫下建筑結構鋼材物理性能和力學性能的研究，以及結構抗火性能設計與計算等。文獻[2]提出了的火災在全盛升溫過程中的溫度計算模型。歐洲規范EUROCODE[3]和美國土木工程師協會ASCE[4]分別給出了不同類型的火災下建筑結構空間的升溫計算模型。不同的經驗模型描述火災升溫過程雖有些差異，但整體變化趨勢一致。國外大多數建筑防火規范都采用解析法計算鋼構件表面的溫度，我國《建筑鋼結構防火技術規范》同樣采用解析法進行計算。在數值分析方法研究鋼構件升溫數值解時，多采用有限差分法和有限元法，有限差分法在應用上有些局限，有限元計算方法則有更好的適用性和通用性[5]。文獻[6]通過不同鋼材的拉伸試驗，給出了高溫下鋼材強度的折減系數。Renner研究了S275鋼的拉伸性能，指出鋼材高溫下的抗拉強度與應變速率相關。文獻[7]在試驗分析的基礎上，給出了高溫下鋼筋的強度擬合公式。文獻[8]對16Mn鋼、SM41鋼及S355鋼等進行了大量的火災高溫試驗，得出高溫下鋼材彈性模量的計算公式。

鋼結構的抗火研究主要有兩種方法，一種是采用同比例縮小尺寸的梁、柱或節點構件的試驗方法；另一種是根據構件或結構的實際承載和約束工況，應用有限元理論，采用商用有限元軟件進行等效模擬。兩種研究方法各有利弊：①試驗研究方法得到的結論只能適用于特定形式和工況下的結構設計，不具有普遍適用性，并且試驗環境與實際應用環境的偶然影響因素較為復雜，不能保證試驗工況能夠有效模擬，但是試驗研究具有易于操作和學習的優點；②有限元計算模擬方法適用于絕大部分的鋼結構抗火設計研究，無論研究的對象是構件亦或是結構整體，通過分析構件或結構實際工況下的荷載及約束情況，定義使用材料的性能和邊界條件，就可以有效模擬分析結構的性能。

建筑結構抗火，尤其是抗火性能較差的鋼結構，是一個特別需要關注的問題。變電站結構，關乎一個地區或城市的用電安全，影響區域經濟健康發展和社會穩定和諧。因此，變電站鋼結構的抗火性能更需要深入研究，首先研究鋼結構抗火的材料參數、火源模式等；然后采用熱結構耦合方式研究不同工況下的溫度場、結構變形、力學性能，并對耐火極限進行分析。

1 研究背景

以現行推廣的裝配式智能化變電站110 kV-A2-6方案為背景,開展變電站鋼框架的抗火計算分析。“裝配式變電站”，是指建筑鋼構件在工廠預制完成后運輸到工地，利用施工機械裝配而成的變電站結構。鋼結構建筑的抗震能力和預裝性能都很突出，已被公認為是未來建筑的發展方向。在變電站領域，鋼結構應用仍處于起步階段，在全國范圍內鋼結構變電站僅有少量應用實例。裝配式變電站使得變電站建筑物建設模式由傳統“鋼筋混凝土框架+砌體填充墻+現澆鋼筋混凝土屋面”現場建造模式，轉變為“鋼框架+成品墻板+壓型鋼板底模混凝土屋面”的工廠制造模式。裝配式建設常用的鋼結構主體結構及墻板構件的耐火極限不如傳統鋼筋混凝土及砌體填充墻的，因此需要研究變電站鋼結構的抗火性能，可為變電站抗火防護處理提供參考[9]。

本研究(裝配式智能化變電站110 kV-A2-6方案)變電站鋼框架整體結構如圖1所示，是一個兩層十榀的大型鋼框架結構。鋼框架一層高度4.5 m，二層高度8.0 m，每榀跨度從左至右分別為6，7.5，6，7.5，6，7.5，6，5，5 m，鋼架最大跨度19 m。結構柱采用寬翼緣H型鋼，框架主梁采用中翼緣H型鋼，次梁采用窄翼緣H型鋼，具體的材料尺寸及鋼材等級見表1。

圖1 變電站鋼框架整體結構

表1 鋼結構材料表

2 熱結構耦合方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS，采用熱結構耦合方法研究鋼結構的抗火性能。ANSYS軟件不僅能解決純粹的熱分析問題，還能解決與熱有關的其他諸多問題，如熱-應力、熱-電等。將這類涉及兩個或兩個以上的物理場之間的相互作用稱為耦合場。耦合場分析的過程依賴于所耦合的物理場，可分為直接耦合和順序耦合(間接耦合)兩大類。當進行直接耦合時，多個物理場(如熱-電)的自由度同時進行計算，適用于多個物理場各自的響應互相依賴的情況。間接耦合分析是以特定的順序求解單個物理場的模型，將前一個分析的結果作為后續分析的邊界條件。如在熱應力分析中，用戶可以先對結構進行熱分析，然后將熱分析所得到的節點溫度作為“體載荷”施加到結構的節點上，求解后就可以得到由于溫度分布不勻在結構上所產生的熱應力[10]。本文使用間接耦合方法進行建模計算，具體的建模思路如圖2 所示。

圖2 ANSYS熱-結構耦合計算思路

2.1 材料參數選取

鋼結構抗火計算相關性能主要有二個方面：一是高溫下鋼材的熱物理特性，主要用于鋼結構(構件)內溫度場的計算，具體包括高溫下鋼材的導熱系數、比熱容、密度等；二是高溫下鋼材的力學性能，主要用于高溫下鋼結構的內力計算、承載力驗算以及變形計算，具體包括鋼材的熱膨脹性能、強度、彈性模量、應力-應變本構關系及松弛與蠕變效應等[11]。參數選擇參考了相關規范，具體取值見圖3～7(未考慮鋼材的蠕變效應)。

圖3 熱膨脹系數隨溫度的變化

圖4 熱傳導系數隨溫度的變化

圖5 比熱容隨溫度的變化

圖6 彈性模量隨溫度的變化

圖7 應力-應變曲線隨溫度的變化

2.2 結構模型

本研究選取整體鋼框架最右側一榀平面結構為一個2層4跨連續鋼框架，一層高4.5 m，二層高8 m，柱間距從左至右分別為5，5，5.5，3.5 m。梁柱尺寸如前述，具體尺寸如表2所示。

表2 模型尺寸

防火間具有防止火災蔓延和隔絕熱量傳遞的作用，僅防火間內部的結構件會有明顯的溫度上升。為了能準確模擬截面的非均勻溫度分布和捕捉局部屈曲等現象，構成防火間的梁和柱將采用SOLID70單元用于傳熱分析，采用與SOLID70單元相對應的SOLID45單元用于結構分析。模型最終節點數53 515，單元數154 811。鋼框架模型及局部網格劃分情況如圖8～9所示。

圖8 鋼框架整體結構模型

邊界及荷載的施加情況如圖10所示。所有柱腳固定；所有橫梁都受均布荷載作用，荷載值為25 kN·m-1；柱頂受集中荷載作用，其中邊柱受集中荷載作用，荷載值為75.5 kN，中間柱受集中荷載作用，荷載值為151 kN。

圖9 結構梁柱節點模型

圖10 荷載及約束情況

2.3 火源模式

(1)標準升溫曲線。ISO 834《國際建筑材料耐火性能測定》給出的火災標準升溫模型如圖11所示。

圖11

該模型規定火定室內溫度與時間的關系如下：

T=T0+345lg(8t+1)

(1)

式中T——溫度，℃；T0——初始溫度，℃；t——時間，s。

(2) 受火位置。研究4種方式的火災模式，分別為一層邊緣房間受火(工況一)，一層邊緣及中間房間同時受火 (工況二)，見圖12。

圖12 不同工況下的受火位置

在進行傳熱學分析時，假定梁和柱的構造形式如下：柱的腹部有磚墻或隔板，因此，僅朝防火間的翼緣受到熱作用。梁上部托混凝土樓板，因此，除上翼緣外的所有表面均受到熱作用。熱量以對流和輻射的形式從熱空氣傳遞到結構表面，又以傳導的形式在結構內部傳播。

3 研究結果

3.1 溫度場分析

3.1.1 一層邊緣房間受火

一層邊緣扁間受火，鋼框架的不同時刻溫度云圖如圖 13所示。

圖13 一層邊緣房間受火時鋼框架不同時刻的溫度云圖

采用SOLID70三維八節點體單元，定義導熱系數、比熱容、密度等熱分析材料特性;定義截面尺寸，建立鋼框架的模型。定義受火作用的邊界，對受火邊界施加熱輻射、熱對流;定義瞬態分析的初始溫度為200 ℃，初始步長為20 s，然后按照ISO 834標準升溫曲線對構件進行溫度計算，得出每個荷載步(時間)下鋼框架沿截面和長度范圍內各個點的溫度，鋼框架相應時刻的溫度云圖。

由圖13可知，一層邊緣房間受火，隨著受火時間的延長，結構鋼框架的局部構件溫度持續增長，當受火時間為10 min時，鋼框架構件的最高溫度達到530.5 ℃，在20 min時，構件最高溫度達到722.34 ℃，在受火時間到達30 min時，構件的局部最高溫度已經達到802.39 ℃。GB 50017—2017《鋼結構設計標準》和GB 51249—2017《建筑鋼結構防火技術規范》要求在標準升溫曲線工況下，無防火保護結構鋼構件在受火30 min后的理論最高溫度為829.6 ℃。可見鋼框架在受火30 min時的最高溫度與理論最高溫度偏差在3.2%左右，基本滿足要求。不同受火位置溫度曲線如圖14所示。

圖14 一層邊緣房間受火時不同受火位置的溫度曲線

由圖14可知，受火的腹板與下翼緣溫度變化趨勢相似，其中腹板溫度略高于下翼緣，最終在30 min時，腹板溫度高于下翼緣40 ℃。在非受火的上翼緣，其溫度上升主要來源于熱傳導及熱對流，因此溫度明顯低于受火區域，最終溫度為702 ℃，與最高區域溫度相差100 ℃。

由圖13結構鋼框架的溫度云圖也可以看出，在距離受火區域較遠的梁柱構件，其溫度升高速度較慢，尤其是二層梁柱等位置，其梁柱構件溫度基本始終保持初始值，且結構的最低溫度也在這片區域范圍內。這是因為非散熱面構件的熱能是通過與溫度較高散熱面構件之間的熱傳遞作用獲得的，并且熱傳遞所傳輸的能量多少會隨著傳遞路徑的增加而衰減。因此，距離受火區較遠構件的溫度基本保持常溫狀態。

3.1.2 一層邊緣及中間房間同時受火

考慮兩間相鄰房間同時受火，使用ANSYS軟件進行熱分析，得出每個荷載步(時間)下鋼框架沿截面和長度范圍內各個點的溫度。鋼框架相應時刻的溫度云圖如圖15所示。不同受火位置的溫度曲線如圖16所示。

圖15 一層邊緣及中間房間同時受火時鋼框架不同時刻的溫度云圖

圖16 一層邊緣及中間房間同時受火時不同受火位置的溫度曲線

由圖16可知，受火的右側梁跨中下翼緣及腹板的溫度變化與單間受火情況的溫度變化規律一致，且同時刻腹板溫度都略高于中下翼緣溫度，在受火30 min后腹板溫度798 ℃，中下翼緣溫度782 ℃，相差16 ℃。受火的公共梁柱頂部與側 柱中點的溫度均隨著受火時間的延長穩步上升，20 min時梁柱頂部溫度為475 ℃，側柱中點位置溫度568 ℃。

3.2 結構變形及力學性能分析

3.2.1 結構變形分析

圖17 不同工況下受火30 min后的結構位移云圖

工況一。受火30 min后結構變形如圖17(a)所示，沿X軸方向，結構的位移極值發生在一層最左側的柱頂位置，大小為46.62 mm。沿Y軸方向，結構的最大位移發生在左側一層梁的跨中位置，大小為39.86 mm。沿Z軸方向的位移很小，可以忽略。最終整體結構的最大位移發生在一層的柱頂位置，極值為46.65 mm。

工況二。受火30 min后結構變形如圖17(b)所示，與單間受火不同，沿X軸方向，最大位移出現在左側受火房間的左側梁柱頂部，大小為63 mm。沿Y軸方向，結構的最大位移還是出現在受火梁的跨中位置，在兩間受火房間都出現梁跨中的向下變形，最大值為32.87 mm。最終整體結構的最大總位移發生在受火兩間房的公共梁柱節點位置，極值為92.72 mm。

不同于單間房間受火，相鄰房間同時受火時，結構出現平面外失穩，在受火30 min時，不加平面外約束的情況下，Z方向變形最大為86.51 mm，位于公共梁柱節點柱頂位置，結構在受火公共節點位置出現明顯的巨大內陷。

3.2.2 力學性能分析

不同工況下受火30 min后鋼框架的力學性能如圖18所示，鋼框架不同位置的最大變形曲線如圖 19所示。

圖18 不同工況下受火30 min后鋼框架的力學性能

圖19 不同工況下受火30 min后鋼框架不同位置的最大變形曲線

由圖18可知，當結構受火30 min后，受火區域的柱結構整體應力變大。從應力的發展過程來看，梁柱節點上部區域首先進入屈服，隨著溫度不斷升高節點上進入屈服階段的區域越來越多，整個過程中塑性區不斷擴展。伴隨著鋼梁的失效，柱的應力普遍增大，增長速度最快的是柱腳部分。梁的跨中、柱腳及梁柱連接節點區域都是火災中比較薄弱的環節，它們的“薄弱”是結構上受力和火災發生時產生的高溫共同造成的，需要重點關注。

由圖19可知，左側一層柱頂從升溫開始至23 min水平位移直線增加，之后趨于穩定，30 min時為46.65 mm。梁跨中節點是向下豎向位移最大的位置，6 min內沒有明顯變化，6～20 min開始逐步增加，20 min后位移增加斜率增大，30 min時位移值為39.86 mm。左側邊柱中點是豎向位移向上的最大點，為7.11 mm。

3.3 火災后鋼框架結構性能評估

在火災下，結構的整體承載能力極限狀態的判別標準如下。

(1)結構喪失整體穩定性。

當一層邊跨及中間房間同時發生火災時，在0～16.6 min時，水平位移不斷增大，最終達到63 mm；結構受火膨脹，受火位置之上的結構柱豎向位移一直在緩慢平穩增加，最大值為31.37 mm。梁跨中豎直向下的位移在16 min之前較小，16.6 min以后快速增加，在30 min達到32.87 mm。平面外的位移在20 min之前并不明顯，20 min以后發生劇烈變形，在20～30 min內快速產生86.51 mm的變形。當撓度為20 mm時，對應的時間為23.3 min，此時的梁跨中溫度約為642 ℃，此時結構已經出現平面外失穩情況，Z向位移為25mm。

4 結語

(1) 不同火源模式下，結構不同位置的溫度、變形、力學性能明顯不同，其中，梁跨中、柱腳及梁柱連接節點為抗火薄弱環節。

(2) 梁下翼緣及腹板高于上翼緣及柱受火面，不同火源模式下的溫度變化趨勢趨于一致，但是由于框架不同位置約束情況不同，因此受火后的結構變形存在差異。

(3) 一層邊緣房間受火時結構破壞耐火時間為21.6 min，一層邊緣及中跨房間同時受火時，16 min之后結構變形迅速升高。因此鋼框架單跨受火時需要在20 min內迅速采取措施控制火情，雙跨同時受火時則需要在16 min內采取措施控制火情，減輕對框架整體的破壞。

另外，出于最大安全考慮，本文未考慮防火涂層材料對結構整體抗火的影響。實際工程中會通過使用絕熱、耐火材料來阻隔火焰直接灼燒鋼結構，降低熱量傳遞的速度，以推遲鋼結構升溫、強度變弱的時間等，進而將鋼結構的耐火極限提高到設計規范規定的極限范圍，防止鋼結構在火災中迅速升溫發生形變塌落。針對涂層材料、涂層結構等有必要進一步深入研究。