摘要：鋼結(jié)構(gòu)具有重量輕、強度高、施工快等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于建筑工程、市政工程和水利工程。但鋼材本身不耐火，隨著鋼結(jié)構(gòu)建筑的迅猛發(fā)展，火災(zāi)條件下鋼結(jié)構(gòu)的抗火性能研究變得越來越重要。以受火災(zāi)的鋼梁為研究對象，采用ABAQUS有限元模擬分析了鋼梁結(jié)構(gòu)在火災(zāi)條件下的狀態(tài)和抗火性能。深入分析了有防火措施和無防火措施條件下鋼梁在線性火、標(biāo)準(zhǔn)火和參數(shù)火不同條件下的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和撓度及其影響因素，進一步提出了提升鋼梁防火效果的建議。研究成果可為鋼梁防火設(shè)計提供參考。

　　關(guān)鍵詞：鋼梁;ABAQUS;火災(zāi);應(yīng)力應(yīng)變;溫度;撓度

　　鋼結(jié)構(gòu)廣泛使用于建筑工程、市政工程和水利工程中。鋼的延性行為允許塑性變形(如屈服)而不會造成脆性破壞。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋通過承受拉力來幫助增強鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強度。盡管鋼材有重量輕、強度高、施工快等優(yōu)點，但鋼材本身不耐火，易受火災(zāi)影響。對于未受保護的鋼梁，在火災(zāi)條件下可能會遇到溫度高于550℃導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度失效以及溫度高于620℃產(chǎn)生結(jié)構(gòu)過度形變等問題。有關(guān)研究表明，火災(zāi)引起的高溫會導(dǎo)致鋼材的強度和剛度降低，鋼材過度變形從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。另外，鋼梁受熱可以等效為增加了附加溫度荷載，隨著荷載的增大，撓度基本上按荷載增大的比例而線性增大。曹元元指出，高溫下鋼梁承載力較常溫有顯著降低，當(dāng)溫度超過700℃時，鋼材基本喪失承載能力。

　　結(jié)構(gòu)防火安全是高層建筑設(shè)計中最重要的考慮因素之一，其中鋼通常是結(jié)構(gòu)構(gòu)件的首選材料，如果建筑采用無防火保護措施的鋼結(jié)構(gòu)，那么一旦發(fā)生火災(zāi)，結(jié)構(gòu)會在短時間內(nèi)遭到破壞，甚至倒塌，從而造成難以估量的損失。

　　目前，主要通過物理試驗和數(shù)值仿真來對鋼材的抗火性能進行研究。叢術(shù)平等對采用軋制H型鋼的簡支梁在不同荷載水平作用下的抗火性能進行了試驗研究，試驗中采用水平燃油爐對試件進行升溫。由于物理試驗耗時間、成本高，且需要進行大量重復(fù)試驗，而數(shù)值分析可以減少測試次數(shù)并縮小單個構(gòu)件的結(jié)果與較大結(jié)構(gòu)構(gòu)件的結(jié)果之間的差距。因此，許多研究工作旨在開發(fā)數(shù)值模型，通過較便利的計算機模擬來預(yù)測遭受火災(zāi)的鋼梁結(jié)構(gòu)的實際行為。近年來，許多文獻介紹了用有限元分析法分析梁的受力成果。如郝聰龍等以ABAQUS為平臺，提出了模擬鋼-混凝土組合梁在火災(zāi)作用下的溫度場仿真模型，為后續(xù)熱力耦合分析，將溫度荷載施加到結(jié)構(gòu)分析中打下了基礎(chǔ)。李娟等以ANSYS為平臺，研究了火災(zāi)條件下不同溫升速率對簡支梁耐火時間的影響。

　　本文采用ABAQUS有限元程序研究了火災(zāi)條件下鋼梁的抗火性能，使用發(fā)泡型防火涂料作為鋼梁受保護條件，針對不受保護和受保護條件，對線性火、標(biāo)準(zhǔn)(ISO)火和參數(shù)火3種火災(zāi)工況下鋼梁的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和撓度進行了探討，對火災(zāi)中鋼梁失效的影響因素進行了深入分析，在此基礎(chǔ)上提出了提升鋼梁防火效果的建議。

　　1分析方法

　　1.1鋼梁與火災(zāi)條件設(shè)定

　　本文采用ABAQUS有限元程序?qū)︿摻Y(jié)構(gòu)建筑中的一根鋼梁進行結(jié)構(gòu)分析。鋼框架結(jié)構(gòu)為30m×30m，梁跨度7.5m，作用在鋼梁上的永久載荷Gk=2.9kN/m2，可變荷載Qk=2.5kN/m2，分項安全系數(shù)分別為1.35和1.5，鋼梁規(guī)格為UB457×191×74，鋼材型號為S275，經(jīng)規(guī)范計算的最大允許撓度為37.5mm，受保護鋼梁使用的發(fā)泡型防火涂料厚度dp=15mm，密度ρp=430kg/m3，定壓熱容cp=1200J/(kg·K)，熱導(dǎo)率λp=0.17W/(m·K)。鋼梁橫截面參數(shù)見圖1。

　　室內(nèi)火災(zāi)溫升曲線主要有馬忠誠模型、ASCE模型、歐洲規(guī)范模型、瑞典模型和標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線模型。以往研究通常基于標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線分析鋼梁的火災(zāi)響應(yīng)特性，只有少數(shù)研究采用更接近實際火災(zāi)場景的BFD自然溫升曲線。為了更全面地分析鋼梁在火災(zāi)中的性態(tài)，本文考慮了線性火、標(biāo)準(zhǔn)火和參數(shù)火3種不同火災(zāi)條件：線性火指使用每分鐘10℃的線性加熱速率來分析火災(zāi)對鋼梁的影響;標(biāo)準(zhǔn)火是最常用的火，其通過預(yù)定義某些任意溫度一時間關(guān)系來表示火災(zāi)，大多數(shù)真實的火災(zāi)測試都使用標(biāo)準(zhǔn)火。通常分析標(biāo)準(zhǔn)火條件下的撓度、彎矩和軸向力;參數(shù)火是一種現(xiàn)實的火，它允許燃料負(fù)荷，通風(fēng)口和墻襯材料的組合產(chǎn)生時間-溫度關(guān)系。

　　1.2ABAQUS建模

　　為了研究鋼梁在不同火災(zāi)情況下的行為，使用C3D8R元件類型在ABAQUS中建立了三維實體模型，見圖2。工字型鋼梁由下翼緣(底部凸緣)、腹板和上翼緣(頂部凸緣)組成，鋼梁為簡單支撐(承)。當(dāng)鋼梁受到板的約束時，鋼梁在兩端的腹板和整個頂部凸緣處沿x方向受到約束。假設(shè)鋼梁在線性火、標(biāo)準(zhǔn)火和參數(shù)火條件下被均勻加熱。

　　2火災(zāi)中鋼梁結(jié)構(gòu)分析

　　從鋼梁的應(yīng)力應(yīng)變、溫度和撓度3個方面對火災(zāi)中的鋼梁結(jié)構(gòu)行為進行分析。

　　2.1應(yīng)力應(yīng)變分析

　　(1)線性火條件。圖3展示了線性火條件下未受保護鋼梁的米塞斯(mises)應(yīng)力，不同的顏色表示不同的米塞斯應(yīng)力的大小，其中紅色代表高米塞斯應(yīng)力區(qū)域，藍色代表低米塞斯應(yīng)力區(qū)域。在高溫和中跨荷載的共同作用下，鋼梁最終會發(fā)生相當(dāng)大的形變。隨著溫度線性增加，鋼梁強烈變形，紅色區(qū)域主要集中在鋼梁中部，表明米塞斯應(yīng)力在鋼梁中部非常大。

　　(2)標(biāo)準(zhǔn)火條件。圖4和圖5分別展示了受發(fā)泡型防火涂料保護和未受保護的鋼梁在標(biāo)準(zhǔn)火條件下的米塞斯應(yīng)力。類似于線性火，標(biāo)準(zhǔn)火可以加熱鋼梁至失效，但標(biāo)準(zhǔn)火的溫度是在前50min內(nèi)非常快速地增加，然后緩慢增加。從圖4可以看出，受保護條件下藍色區(qū)域較大，紅色區(qū)域很小，甚至基本沒有，表明受保護鋼梁的米塞斯應(yīng)力較低且均勻分布在鋼梁上。受保護的鋼梁在高溫和中跨荷載的共同作用下發(fā)生形變，并且將梁中的力傳遞到其末端，再通過連接傳遞到支撐結(jié)構(gòu)上。

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