鋼結(jié)構(gòu)火災損傷的有限元分析

李俞澤

（1.太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024；2.陽泉市消防支隊，山西 陽泉 045000）

鋼材的比強度遠大于混凝土，塑性和韌性又是混凝土所無法比擬的，所以鋼結(jié)構(gòu)建筑具有自重輕、抗震性能優(yōu)越、綜合經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，近年來得到了快速的發(fā)展。但是鋼結(jié)構(gòu)耐火性差是其無法忽視的缺點，一旦發(fā)生火災,鋼結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生倒塌或破壞，帶來巨大的損失。鋼結(jié)構(gòu)空間布置靈活，起火點位置也隨機不定。起火點位置不同，結(jié)構(gòu)造成的損害也往往相同。本文利用ANSYS有限元分析軟件，考慮結(jié)構(gòu)的幾何、材料非線性，對框架結(jié)構(gòu)在不同位置、不同受火面的火場作用下的傳熱—靜力藕合分析[1]，得出了鋼柱一面受火、三面受火、鋼梁三面受火時的失效特點和損傷規(guī)律。

1 計算模型的建立

文章建立一個雙層雙跨連續(xù)框架，層高3 m，柱間距5.5 m。鋼材采用Q235級，所有柱腳剛接，梁柱均采用H型截面，截面尺寸見表1，結(jié)構(gòu)模型見圖1。

圖1 結(jié)構(gòu)模型

表1 結(jié)構(gòu)尺寸 /mm

柱頂受集中荷載，荷載值為外側(cè)柱70.5kN，內(nèi)側(cè)柱為141 kN，所有橫梁受均布荷載22.5 kN/m。假定底層左端一防火間發(fā)生火災。

2 鋼結(jié)構(gòu)火災損傷有限元分析

2.1 邊柱受火分析結(jié)果

2.1.1 邊柱單邊受火分析結(jié)果

在進行傳熱學分析時，邊柱的構(gòu)造形式是柱腹板兩側(cè)有磚墻，且旁邊有防火板材，僅朝防火間的翼緣受到熱作用。因此，采用SOLID70單元，將邊柱內(nèi)翼緣全部節(jié)點定義為溫度邊界，這些節(jié)點按照標準升溫曲線[2]進行升溫。

標準升溫曲線見公式1，邊柱截面不同位置處的升溫曲線見圖2，圖中節(jié)點586為柱內(nèi)翼緣中部節(jié)點，節(jié)點590為柱內(nèi)翼緣邊緣節(jié)點，節(jié)點501為柱外翼緣邊緣節(jié)點。

通過本章的分析可以發(fā)現(xiàn)，柱受火翼緣的塑性變形是從邊緣逐漸向中間展開的，而且塑性應變?yōu)?.2%時的應力為沒有明顯屈服平臺的名義屈服強度。節(jié)點塑性應變達到0.2%時意味著該節(jié)點處鋼材已經(jīng)開始屈服或者接近屈服。所以對于柱直接受火的情況，規(guī)定柱底受火翼緣中間節(jié)點塑性應變達到0.2%為結(jié)構(gòu)失效的判斷依據(jù)。按此標準，經(jīng)過分析，該情況下結(jié)構(gòu)在620 s左右時失效。柱底翼緣中間節(jié)點塑性應變變化曲線見圖3。在結(jié)構(gòu)失效時，邊柱不同位置處的溫度分布見圖4，邊柱的Von-Mises應力分布見圖5。

圖2 邊柱不同位置處的升溫曲線

圖3 受火翼緣中間節(jié)點塑性應變

圖4 結(jié)構(gòu)失效時邊柱溫度分布圖

圖5 結(jié)構(gòu)失效時Mises應力分布圖

2.1.2 邊柱三邊受火分析結(jié)果

邊柱三邊受火分析模擬的是柱附近起火，柱腹板處沒有墻體的情況。具體方法是將用SOLID70單元建立的邊柱內(nèi)翼緣和腹板全部節(jié)點定義為溫度邊界，在該邊界上的節(jié)點按照標準升溫曲線進行升溫。邊柱截面不同位置處的升溫曲線見圖6。

經(jīng)過分析，該情況下結(jié)構(gòu)在400 s左右時失效。柱底翼緣中間節(jié)點塑性應變變化曲線見圖7。在結(jié)構(gòu)失效時，邊柱不同位置處的溫度分布見圖8，邊柱的Von-Mises應力分布見圖9。

圖6 邊柱不同位置處的升溫曲線

圖7 受火翼緣中間節(jié)點塑性應變

圖8 結(jié)構(gòu)失效時邊柱的溫度分布

圖9 Mises應力分布圖

2.2 中柱受火分析結(jié)果

2.2.1 中柱單邊受火分析結(jié)果

中柱單邊受火分析模擬的是中柱附近起火，柱腹板處有防火隔墻的情況。具體方法是將用SOLID70單元建立的中柱一側(cè)翼緣全部節(jié)點定義為溫度邊界，在該邊界上的節(jié)點按照標準升溫曲線進行升溫。中柱截面不同位置處的升溫曲線見圖10，其中節(jié)點10501為柱受火翼緣邊緣節(jié)點，節(jié)點10506為柱受火翼緣中間節(jié)點，節(jié)點10590為柱背火翼緣邊緣節(jié)點。

經(jīng)過分析，該情況下結(jié)構(gòu)在610 s左右時失效。柱底翼緣中間節(jié)點塑性應變變化曲線見圖11。在結(jié)構(gòu)失效時，中柱不同位置處的溫度分布見圖12，中柱的Von-Mises應力分布見圖13。

圖10 中柱不同位置處的升溫曲線

圖11 受火翼緣中間節(jié)點塑性應變

圖12 結(jié)構(gòu)失效時中柱的溫度分布

圖13 Mises應力分布圖

2.2.2 中柱三邊受火分析結(jié)果

中柱三邊受火分析模擬的是中柱附近起火，柱腹板處沒有墻體的情況。具體方法是將用SOLID70單元建立的柱一側(cè)翼緣和腹板全部節(jié)點定義為溫度邊界，在該邊界上的節(jié)點按照標準升溫曲線進行升溫。中柱截面不同位置處的升溫曲線見圖14。

經(jīng)過分析，該情況下結(jié)構(gòu)在420 s左右時失效。柱底翼緣中間節(jié)點塑性應變變化曲線見圖15。在結(jié)構(gòu)失效時，中柱不同位置處的溫度分布見圖16，中柱的Von-Mises應力分布見圖17。

圖14 中柱不同位置處的升溫曲線

圖15 翼緣中間節(jié)點塑性應變

圖16 結(jié)構(gòu)失效時中柱的溫度分布

圖17 Mises應力分布圖

2.3 梁三面受火分析結(jié)果

梁三面受火分析模擬的是梁下附近起火的情況。具體方法是將用SOLID70單元建立的梁下翼緣全部節(jié)點和腹板兩側(cè)以及上翼緣下部節(jié)點定義為溫度邊界，在該邊界上的節(jié)點按照標準升溫曲線進行升溫。梁截面不同位置處的升溫曲線見圖18。其中，N25008梁下翼緣節(jié)點，N25088是梁上翼緣節(jié)點。

對于梁受火的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)失效的判斷依據(jù)通常是梁撓度達到梁跨度的1/20。但對于本模型，當梁升溫到27 min時，梁全截面屈服，結(jié)構(gòu)破壞，程序退出計算。在結(jié)構(gòu)破壞前，受火梁跨中撓度變化見圖19，最大撓度120 mm，小于梁跨度的1/20（在本模型中即275 mm）。在結(jié)構(gòu)破壞前溫度分布見圖20，Von-Mises應力分布見圖21。

圖18 梁上下翼緣的升溫曲線

圖19 梁跨中撓度變化圖

圖20 結(jié)構(gòu)破壞前溫度分布

圖21 結(jié)構(gòu)破壞前Mises 應力分布

3 結(jié)論與分析

文章使用ANSYS大型有限元分析軟件，對不同位置處的火災對結(jié)構(gòu)造成的損傷進行了分析。通過對應力比為0.9左右的結(jié)構(gòu)各種情況下分析結(jié)果的總結(jié)和歸納，得出以下幾點結(jié)論：

（1）鋼柱一面受火時，經(jīng)過10 min左右，結(jié)構(gòu)就會失效；相比之下，中柱比邊柱失效時間略早。

（2）鋼柱三面受火時，經(jīng)過7 min左右，結(jié)構(gòu)就會失效；相比之下，中柱比邊柱失效時間略晚。

（3）鋼梁三面受火時，經(jīng)過27 min左右，鋼梁就會發(fā)生破壞；由于鋼梁懸鏈效應隨梁撓度的增大而逐漸明顯，所以使鋼梁的失效時間比鋼柱大大延遲。

（4）如果板件（構(gòu)件）并不直接受火而靠傳導升溫時，板件（構(gòu)件）的升溫速度很慢；當結(jié)構(gòu)失效時，間接受火板件（構(gòu)件）與直接受火板件（構(gòu)件）的溫度相差很大。

（5）某構(gòu)件與直接受火構(gòu)件相連時，損傷較大處僅限于與受火構(gòu)件相連的區(qū)域附近；梁柱節(jié)點區(qū)域是結(jié)構(gòu)抗火的薄弱環(huán)節(jié)，無論何種火災情況，梁柱節(jié)點區(qū)域均處于屈服或接近屈服狀態(tài)；梁柱節(jié)點處是結(jié)構(gòu)塑性變形很大的區(qū)域。

（6）沒有進行抗火設計的鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)失效時的時間遠小于一般結(jié)構(gòu)耐火極限的要求，所以必須對鋼結(jié)構(gòu)按照規(guī)范進行抗火設計。