防火保護缺陷下H型鋼梁溫度場的有限元分析

摘要：為了研究帶有防火保護缺陷H型鋼梁的抗火性能，使用有限元軟件ABAQUS建立了基于ISO 834火災標準升溫條件下的防火涂層脫落模型，對涂層脫落簡化模型進行驗證，分析了防火涂層脫落位置、脫落長度、涂層厚度、受火時間等諸多因素對鋼梁溫度場的影響，得到了熱流分布規律。結果表明：涂層脫落僅影響距離脫落位置一定區域內的溫度分布，跨長對鋼梁溫度影響不大；隨著涂層脫落長度、厚度的逐級增加，受涂層脫落影響的區域也隨之擴大；涂層臨界脫落長度為108 mm。

關鍵詞： 鋼梁；防火涂料；抗火

中圖分類號：TU391 """""""""""""""文獻標識碼：A """""""""""文章編號：

Finite Element Analysis of Temperature Field of H-Shaped Steel Beam under Fire Protection Defect

JING Yiran，LIU Fang*

（School of Civil Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin 130118，China）

Abstract： In order to study the fire resistance performance of H-shaped steel beam under fire protection defect，finite element software ABAQUS was used to establish a model of fire protection coating shedding based on the ISO 834 fire standard heating conditions， and the simplified model of coating shedding was verified to analyze the influence of many factors， such as the location of the fire protection coating shedding， the length of the shedding， the thickness of the coating， and the time of the fire on the temperature field of the beams， and to get the law of the distribution of the heat flow. The results show that the coating shedding only affects the temperature distribution within a certain area from the shedding location， and the span length has little effect on the temperature of the steel beam; with the step-by-step increase in the length and thickness of the coating shedding， the area affected by the coating shedding is also enlarged; and the critical shedding length of the coating is 108 mm.

Keywords： steel beams;fire retardant coating; fire resistance

0 引言

鋼結構具有強度高、自重輕、抗震性能優良、工業化程度高等特點，被廣泛應用于建筑結構中。但是與混凝土結構相比，鋼結構的耐火性能較差，力學性能受高溫影響明顯。有關研究表明：室內發生火災時，空氣溫度將在幾分鐘內可迅速達到1 000 ℃，沒有防火保護措施的鋼構件，約20 min會喪失其承載能力導致發生破壞[1]。

防銹層與防火層兼容是鋼結構防火保護的技術難題之一[2]。施工過程中的人為因素、日常運行中的事故及長期的風化作用都會引起防火保護涂層的開裂、空鼓甚至脫落。在火災發生后，空氣中的熱量將直接傳遞到有防火保護缺陷的部位，使其溫度在短時間內急劇上升，這對鋼梁的穩定性和結構性構成嚴重威脅。

目前，國內外學者針對帶有防火保護缺陷的鋼構件進行了相關研究。Xu等[3]提出了一種計算局部火災下膨脹型防火涂料保護鋼構件非均勻溫度場的方法。Chen等[4]通過試驗測試獲得了防火涂料的力學性能和與鋼基體之間的粘接性能。李國強等[5][]、王衛永等[][6]對火災下防火涂料破損后鋼柱的極限承載力和穩定承載力進行了計算，得到了鋼柱臨界溫度的計算方法。王衛永等[7]用連續體模型和有限元方法研究防火涂料局部破損后鋼柱的抗火性能，并進行破損試驗，得到了外荷載作用下防火涂料的破損模式和防火涂料破損后鋼柱的抗火性能。

本文基于ABAQUS建立防火保護缺陷下H型鋼梁的有限元模型，進行溫度場模擬，探究帶有防火涂層脫落情況的鋼梁在火災作用下的熱響應，為進一步研究鋼梁在火災過程中的結構響應提供參考。

1 有限元分析模型

本文的研究對象為H型鋼梁，鋼材采用Q355b，截面尺寸為HN250 mm×125 mm×6 mm×10 mm，跨度L=5 400 mm，防火保護采用非膨脹型防火涂料，厚度為18 mm。在真實火災中，鋼梁上翼緣通常被混凝土板或壓制鋼板覆蓋保護，并不直接暴露在火場中。為模擬真實的火災情景，本文選取三面受火的火熱模型進行分析，火災中空氣升溫符合ISO 834標準升溫曲線。圖1為帶有防火保護層的H型鋼梁截面尺寸及溫度測點布置。

鋼材密度為7 850 kg/m？；比熱容和導熱系數采用歐洲規范EC3規定，并考慮溫度影響。防火涂料的熱工參數均滿足我國《鋼結構防火涂料應用技術規程》[2]的有關規定，其中密度取410 kg/m？，導熱系數0.116 W/（m·℃），比熱1 000 J/（kg·℃）。鋼梁和涂料選擇三維實體傳熱單元DC3D8。鋼梁上翼緣頂部設定為絕熱條件，其余邊界設置為熱對流與熱輻射，根據《建筑鋼結構防火術規范》[8]，對流傳熱系數取25 m2·℃，輻射系數取0.7，初始環境溫度為20 ℃。鋼梁外表面與防火涂料內表面采用綁定約束tie定義，忽略鋼梁與涂料之間的接觸熱阻，熱量視為完全傳遞。

2 參數分析

2.1 防火涂層脫落位置對鋼梁溫度場的影響

如圖2所示，鋼梁上的防火涂層脫落位置包括：①Case1：防火涂層在下翼緣跨中脫落108 mm。②Case2：防火涂層在下翼緣兩端各脫落54 mm。③Case3：防火涂層在腹板跨中兩側脫落54 mm。有限元模型命名為Case*-*`，Case*是指涂層脫落位置，后綴-*`是指溫度測點位置，例如Case1-1表示為溫度測點1在脫落位置Case1下的溫度。

如圖3所示，在同一脫落位置下，溫度測點1、3沿構件長度方向的溫度分布基本一致；對于同一溫度測點，脫落位置Case3溫度最高，Case1，Case2的沿構件長度方向溫度分布曲線一致。

由4圖可知，在同一時間，防火涂層脫落區域最內端截面溫度略高于最外端截面溫度。當二者同時暴露在火場中，由于最內端截面靠近涂層完整區域，熱量通過鋼材內部的熱傳導實現熱量傳遞。溫度測點Case3-1～Case3-3的溫度均比較高，其原因是相較于翼緣，腹板厚度較小，在鋼梁內部熱量傳遞速度快，最終導致溫度高。對于同一溫度測點，脫落位置Case1與Case2的時間-溫度曲線一致，鋼梁溫度會在涂層脫落處迅速上升，涂層在下翼緣和腹板脫落對上翼緣的溫度影響不大。

李國強等[9]對防火涂料局部脫落的鋼柱溫度場進行了分析，提出“防火涂料局部脫落發生在構件中部時，構件溫度分布相當于半長的破損發生在構件端部時的情況”。周威等[10]對防火涂料局部脫落的鋼管混凝土柱溫度場進行了有限元分析，提出涂料在構件兩端脫落和跨中脫落的工況可根據對稱性簡化為一端脫落。為了驗證文獻9、10中涂層脫落簡化模型對于H型鋼梁的適用性，進行有限元模擬。

圖5為不同涂層脫落位置下的溫度云圖，由云圖可知，涂層在跨中脫落和兩端脫落時，溫度分布沿中線對稱分布。為了進一步驗證簡化模型對H型鋼梁的適用性，選取防火涂層脫落最外端截面、最內端截面及涂層完整區域梁末端截面的時間-曲線進行分析，如圖6所示，防火涂層脫落區域和涂層完整區域在標準升溫3 h下溫度測點的時間-溫度曲線基本重合。在鋼梁三面受火的情況下，梁的兩端及上翼緣處于絕熱狀態，熱量沿著梁的長度方向，從涂層脫落部分向涂層完整部分傳遞。防火涂層脫落部分的鋼梁在火災下溫度均勻分布，防火涂層完整部分的鋼梁在火災下溫度均勻分布。所以涂層在兩端脫落和跨中脫落都可以簡化為基于對稱性的涂層在一端脫落的情況計算[12]。為簡化計算，本文計算均取跨長的1/2進行計算。

2.2 防火涂層脫落長度對鋼梁溫度場的影響分析

2.2.1 脫落長度

為探究防火涂層脫落長度對鋼梁溫度場的影響，設置不同脫落長度的數值模擬（見表1）。

圖7～圖8為在標準升溫2 h下，不同涂層脫落長度沿梁長度方向和高度方向的溫度分布曲線。曲線可分為3個區域：脫落段、影響段、平穩段。在脫落段，溫度從涂層脫落起始處到涂層脫落終止處緩慢降低；在影響段，溫度從涂層脫落終止處沿著構件長度和高度方向開始迅速下降；在平穩段，溫度逐漸穩定，沿著構件長度方向不再變化，與涂層完整時的溫度基本一致。

2.2.2 影響范圍

防火涂層的局部脫落只影響距離脫落終止處一定距離內的構件溫度，在此范圍之外，與防火涂層完整時情況基本相同。受脫落影響的區域被定義為涂層脫落影響區，區間長度為影響長度Ly[11]。

1） 脫落長度對Ly的影響

圖9為下翼緣端部涂層局部脫落時，不同脫落長度在標準升溫2 h下，涂層脫落段、影響段和平穩段占跨長百分比。Ly隨著脫落長度的增加而增加，但是增長的程度并不成正比，例如當脫落長度由108 mm增加到270 mm時，同比增加了150%，而Ly增加了0.9%。

2） 升溫時間對Ly的影響

圖10為脫落長度為54 mm時，在標準升溫1 h～3 h下，影響區域的長度Ly。在標準升溫1 h～3 h下，影響長度先是經歷緩慢的下降，這是因為熱量隨著時間的增加從涂料脫落的翼緣端部沿著構件長度向另一端動態傳遞，熱量完全傳遞需要一定的時間。當受火達到3 h時，最終影響長度達到712 mm，對于更遠處距離的構件無影響，與涂層完整時的溫度一致。

3） 防火涂層厚度對Ly的影響

圖11為脫落長度為54 mm時，在標準升溫2 h下，不同厚度下Ly占跨長百分比的情況。從圖中看出涂層厚度在9 mm和18 mm時，其影響區域范圍一致，超過18 mm后，隨著涂層厚度的逐漸增加，其影響范圍也隨之擴大，最高溫度逐漸減小。

4） 構件長度對Ly的影響

圖12為脫落長度為54 mm時，在標準升溫2 h下，Ly占跨長百分比的情況。由計算可得：當脫落長度為54 mm，梁長為2 700 mm時的Ly為511.159 mm；梁長為3 600 mm時的Ly為510.864 mm；梁長為4 500 mm時的Ly為510.689 mm；梁長為5 400 mm時的Ly為510.573 mm，說明構件長度對影響區域長度無關。

2.2.3 臨界脫落長度

文獻[9]中提出臨界脫落長度的概念，將其定義為當構件表面防火涂層的脫落長度Lt大于該數值時，破壞各截面的溫度值及其分布不隨脫落長度的變化而變化。

圖13為防火涂層脫落區域最外端和最內端截面的時間-溫度曲線。可以看出隨著Lt的增加，構件表面的最大溫度隨之上升，當Lt 達到108 mm時，其溫度值及其分布不隨脫落長度的變化而變化，脫落段各截面的溫度分布基本相同，當Lt 為108 mm時，此時達到了臨界脫落長度。

4 結論

1） 防火涂層脫落發生在腹板處時較危險；在跨中脫落或兩端脫落都可以等同于在一端脫落的情況，涂層脫落簡化模型同樣適用H型鋼梁。

2） 火災下防火涂層脫落區域的截面溫度可以按照無防火保護的構件進行升溫計算；在涂層脫落區域與涂層完整區域的交界面附近，溫度分布有較小的（約700 mm）影響區域，超出影響區域的范圍，鋼梁的溫度分布與涂層完整時的溫度相同，可以按照有防火保護的構件進行升溫計算。

3） 涂層脫落影響區域與脫落長度、涂層厚度呈現正相關趨勢，鋼梁跨度對影響區域無明顯影響；隨受火時間的增長，影響區域范圍動態變化。

4） 當脫落長度達到108 mm時，脫落區域各截面的溫度分布基本相同，不再隨脫落長度的變化而變化，此時達到臨界脫落長度。

參 考 文 獻

[1]李國強，王衛永.鋼結構抗火安全研究現狀與發展趨勢[J].土木工程報，2017，50（12）：1-8.

[2]應急管理部四川消防研究所.鋼結構防火涂料應用技術規程：T/CECS 24—2020[S].北京：中國計劃出版社，2020.

[3]Xu Q， Li G Q，Wang Y C.A simplified method for calculating non-uniform temperature distributions in thin-walled steel members protected by intumescent coatings under localized fires[J].Thin-Walled Structures，2021，162（2）：1-13.

[4]Chen S， Jiang L，Usmani A，et al.Damage mechanisms in cementitious coatings on steel members under axial loading[J].Construction and Building Materials，2015，90（4）：18-35.

[5]李國強，王衛永，陳素文.火災下防火涂料破損后鋼柱的極限承載力[J].工程力學，2008，25（12）：1-7．

[6]王衛永，李國強，王培軍.火災下防火涂料破損后約束柱的穩定承載力[J].力學季刊，2008，29 （1）：120-126.

[7]王衛永，李國強.防火涂料局部破損后鋼柱抗火性能研究[J].土木工程報，2009，42（11）：49-54.

[8]中華人民共和國公安部.建筑鋼結構防火技術規范：GB 51249—2017[S].北京：中國計劃出版社，2017.

[9]李國強，王佳，王衛永.防火涂料破損對鋼構件溫度分布的影響[J].建筑結構，2009，39（4）：84-86.

[10]周威，畢穎，趙磊.防火涂料局部脫落的鋼管混凝土柱溫度場有限元分析[J].建筑防火設計，2022，41（1）：41-47.

編輯：王國巖