火災(zāi)下鋼筋混凝土托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承載性能分析

傅傳國，孔維一，王玉鐲（.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南　500；.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京　0096）

研究論文

火災(zāi)下鋼筋混凝土托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)承載性能分析

傅傳國1，孔維一2，王玉鐲1
（1.山東建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，山東濟(jì)南2501011；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京210096）

文章采用ABAQUS大型有限元分析軟件，建立了一榀三層底部大空間鋼筋混凝土托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型，對(duì)該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型施加標(biāo)準(zhǔn)升溫及恒定豎向荷載的共同作用，進(jìn)行了九種受火工況下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型隨溫升時(shí)間的變形規(guī)律計(jì)算，得到了轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型觀測(cè)點(diǎn)位移與標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間的關(guān)系曲線。結(jié)果表明:在常溫豎向力學(xué)荷載作用下產(chǎn)生變形的基礎(chǔ)上，隨著不同受火工況標(biāo)準(zhǔn)升溫時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型皆產(chǎn)生了復(fù)雜的附加變形；隨著升溫時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型中底部托梁的撓度值在升溫過程前期60 min內(nèi)增長較快，之后逐漸減緩，就同一升溫時(shí)刻引起的底部托梁的豎向撓度變形值來看，底部大空間和上部相鄰層同時(shí)受火的工況四最為顯著，其次是大空間上部相鄰層受火的工況二和大空間受火的工況一；隨著升溫時(shí)間的增加，不同受火工況下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型兩側(cè)邊柱的水平側(cè)移逐漸增大，由于受火樓層橫梁受火膨脹變形的作用，受火樓層橫梁位置處邊柱向外凸出的側(cè)移明顯大于其他樓層；對(duì)于不對(duì)稱受火房間布置的工況，兩側(cè)邊柱的側(cè)移在底層托梁以上部分產(chǎn)生同向側(cè)移情形，這應(yīng)是構(gòu)件間約束作用的結(jié)果，表明在不對(duì)稱受火情形下，結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生較劇烈的相互作用和內(nèi)力重分布現(xiàn)象。

鋼筋混凝土；轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；火災(zāi)；承載性能

0　引言

隨著城市進(jìn)程的加快，集住宅、辦公、商場(chǎng)、餐飲等不同功能于一體的多功能綜合性建筑應(yīng)運(yùn)而生，各類轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)。從當(dāng)前轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的應(yīng)用現(xiàn)狀看，鋼筋混凝土梁式轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)具有傳力直接、受力性能好、構(gòu)造簡單等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。目前，國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)常溫下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能已進(jìn)行了較深入的研究。但是，隨著火災(zāi)威脅變得越來越大，建筑結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件在火災(zāi)高溫下的承載性能及抗火能力已成為建筑防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的重要和熱門研究課題［1-10］。結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換層作為承上啟下的關(guān)鍵傳力結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)構(gòu)件又通常具有數(shù)倍于上部結(jié)構(gòu)的跨度，且承受巨大的豎向荷載，在火災(zāi)高溫作用下，一旦出現(xiàn)破壞或較大的變形將嚴(yán)重危及整體結(jié)構(gòu)的安全，因此，開展對(duì)火災(zāi)高溫作用下鋼筋混凝土梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的承載性能研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。文章結(jié)合實(shí)際工程中常見的梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)形式，采用ABAQUS大型有限元分析軟件，建立了一榀三層底部大空間鋼筋混凝土梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型，對(duì)該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型施加標(biāo)準(zhǔn)升溫及豎向荷載的耦合作用，考慮了九種受火工況，對(duì)每種工況下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型的受力與變形狀態(tài)進(jìn)行了計(jì)算分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比、分析和總結(jié)了轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型的變形特點(diǎn)和規(guī)律。

1　轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型的建立

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型為一榀三層底部大空間鋼筋混凝土梁托柱轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。底層大空間跨度9.9 m，層高6.0 m，其余層高均為4.0 m，模型尺寸如圖1所示。模型中的混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱向受力鋼筋和箍筋強(qiáng)度等級(jí)均采用HRB335，梁、柱主筋保護(hù)層厚度取25 mm。模型計(jì)算簡圖常溫下施加的線荷載每層均取27.36 kN/m，如圖2所示。模型各桿件截面配筋情況如圖3所示。利用ABAQUS有限元軟件自帶的前處理模塊，建立三維實(shí)體模型。

圖2　模型的豎向線荷載圖/（kN·m-1）

2　有限元分析參數(shù)的取值

采用ABAQUS軟件進(jìn)行熱力耦合有限元分析中，混凝土的密度取ρ=2400 kg/m3，混凝土熱膨脹系數(shù)按文獻(xiàn)［11］推薦取值，高溫下混凝土彈性模量依據(jù)文獻(xiàn)［12］取值，高溫下混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、抗壓強(qiáng)度以及抗壓本構(gòu)關(guān)系按文獻(xiàn)［13］建議取值；混凝土在高溫下的抗拉強(qiáng)度按照文獻(xiàn)［3］建議取值，抗拉本構(gòu)關(guān)系采用ABAQUS軟件用戶手冊(cè)中建議的曲線。鋼筋的質(zhì)量密度取ρs=7850 kg/m3，高溫下鋼筋的熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、屈服強(qiáng)度、彈性模量及本構(gòu)關(guān)系均按照文獻(xiàn)［14］建議取值，高溫下鋼筋的熱膨脹系數(shù)依據(jù)文獻(xiàn)［13］取值。升溫曲線采用文獻(xiàn)［15］中的標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線，如圖4所示。模型中觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖5所示。考慮到火災(zāi)發(fā)生的偶然性，共設(shè)計(jì)了九種受火工況來進(jìn)行分析，如圖6所示。

圖3　轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型桿件截面配筋圖/mm

圖4　ISO834國際標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線圖

圖5　模型觀測(cè)點(diǎn)布置圖/mm

圖6　受火工況圖

3　托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的變形及分析

模型的坐標(biāo)設(shè)置情況如圖7所示。豎向位移取沿y軸正向?yàn)檎ㄏ蛏蠟檎粗疄樨?fù)（向下為負(fù)）；水平位移取沿z軸正向?yàn)檎粗疄樨?fù)。

3.1底部托梁觀測(cè)點(diǎn)的豎向位移

圖7　有限元模型及其坐標(biāo)系圖

對(duì)圖6中九種受火工況分別進(jìn)行了熱力耦合分析計(jì)算，得到托梁中各觀測(cè)點(diǎn)的位移與升溫時(shí)間的關(guān)系曲線如圖8所示。從圖中看出，在受火工況1作用下，隨著升溫時(shí)間的增加，底部大空間托梁（桿件1-7）上觀測(cè)點(diǎn)2、3、4在恒定力學(xué)荷載作用產(chǎn)生位移的基礎(chǔ)上，均產(chǎn)生了正向位移，表明在該工況火災(zāi)作用下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的熱膨脹變形導(dǎo)致轉(zhuǎn)換托梁沿豎向正位移大于豎向恒載作用下產(chǎn)生的沿豎向負(fù)位移。而在其他受火工況作用下，除受火工況4的觀測(cè)點(diǎn)2以外，托梁觀測(cè)點(diǎn)皆在豎向力學(xué)荷載作用的基礎(chǔ)上繼續(xù)產(chǎn)生向下的負(fù)方向位移，如圖8所示就托梁觀測(cè)點(diǎn)豎向位移的絕對(duì)值變化來說，各受火工況下觀測(cè)點(diǎn)豎向位移絕對(duì)值均隨著升溫時(shí)間的增加逐漸增大。而工況2和工況4中托梁各觀測(cè)點(diǎn)的豎向變形均大于其他受火工況，如圖8所示。

圖8　托梁觀測(cè)點(diǎn)豎向位移與升溫時(shí)間關(guān)系曲線圖

3.2底部托梁的豎向撓度變化曲線

基于托梁（1-7）中各觀測(cè)點(diǎn)變形值繪制了托梁撓度變化曲線，如圖9、10所示。從圖9中可以看出，隨著升溫時(shí)間的增加，托梁的撓度值不斷增大，升溫過程前期60 min增長較快，之后逐漸減緩。從圖10中可以看出，在受火工況1～6中，由于受火房間布置關(guān)于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型中軸對(duì)稱，所以托梁的撓度曲線也呈對(duì)稱分布；而受火工況7～9的受火房間布置關(guān)于中軸不對(duì)稱，所以托梁的撓度曲線也呈非對(duì)稱分布，托梁的撓度曲線關(guān)于跨中中軸的對(duì)稱性與其所受的火災(zāi)工況的對(duì)稱性一致。由圖10可見，受火工況4造成的底部托梁的撓度值最大，其次是受火工況2和1。

3.3邊柱的豎向變形及水平側(cè)移

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型邊柱12-16中觀測(cè)點(diǎn)的豎向和水平側(cè)移與升溫時(shí)間的關(guān)系曲線分別如圖11、12所示。由圖11可以看出，部分火災(zāi)工況下，觀測(cè)點(diǎn)1 8、12的豎向變形由負(fù)值（常溫時(shí)的豎向荷載作用）轉(zhuǎn)變?yōu)檎担ㄏ蛏希㈦S著升溫時(shí)間的增加不斷增大。這是由于邊柱受熱膨脹發(fā)生的豎向伸長變形大于由豎向荷載對(duì)其產(chǎn)生的壓縮變形所致。初始升溫60 min內(nèi)，豎向膨脹變形較快，其后逐步趨于平緩由圖12可見，多數(shù)工況下，模型邊柱12-16中觀測(cè)點(diǎn)1、8、12均發(fā)生了沿z軸正向的水平側(cè)移（向模型平面外側(cè)凸出），這應(yīng)是轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)底部托梁和上層橫梁在高溫作用下產(chǎn)生軸向膨脹變形的推力所致。

圖9　不同升溫時(shí)刻托梁的撓度曲線變化圖

圖10　升溫時(shí)刻為180 min時(shí)托梁的撓度變化曲線圖

圖11　邊柱觀測(cè)點(diǎn)1、8、12的豎向變形與升溫時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖12　邊柱觀測(cè)點(diǎn)1、8、12的水平側(cè)移與升溫時(shí)間關(guān)系曲線圖

圖13　柱12-16和柱15-17在不同升溫時(shí)刻的水平位移圖

不同受火工況下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型兩側(cè)邊柱的水平側(cè)移情況如圖13所示。從圖中可以看出，隨著升溫時(shí)間的增加，邊柱的水平側(cè)移逐漸增大。對(duì)于托梁位置處的觀測(cè)點(diǎn)1來說，受火工況4引起的向外凸出側(cè)移最大，受火工況1次之。由于受火樓層橫梁受火膨脹變形的作用，受火樓層橫梁位置處邊柱向外凸出的側(cè)移明顯大于其他樓層。在工況1-6中，模型兩側(cè)邊柱的水平側(cè)移呈對(duì)稱分布；在工況7-9中，模型兩側(cè)邊柱的水平側(cè)移則呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，這與受火工況的對(duì)稱性保持一致。比較圖13（e）、（f）與（g）、（h）可見，受火房間距離邊柱的距離遠(yuǎn)近影響模型邊柱側(cè)移的大小，受火房間距離邊柱越近，邊柱的側(cè)移越大。觀察圖13（g）、（h）、（i）還可見，對(duì)于模型對(duì)稱軸的一側(cè)受火工況，兩側(cè)邊柱的側(cè)移在底層托梁以上部分產(chǎn)生同向側(cè)移，這是構(gòu)件間約束作用的結(jié)果，這也意味著不對(duì)稱受火情形下，結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生較劇烈的相互作用和內(nèi)力重分布現(xiàn)象。

3.4模型的整體變形狀態(tài)

在各受火工況作用下，當(dāng)受火180 min時(shí)模型的整體變形情況如圖14所示（為便于觀察，圖中變形放大了10倍）。

圖14　各受火工況作用下180 min時(shí)模型的整體變形狀態(tài)圖

4　結(jié)論

文章運(yùn)用ABAQUS大型有限元分析軟件，通過對(duì)一榀三層底部大空間鋼筋混凝土托梁轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行火災(zāi)高溫及荷載耦合作用下的變形計(jì)算與分析，其結(jié)論如下:

（1）轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型在常溫豎向荷載作用下的變形穩(wěn)定后施加標(biāo)準(zhǔn)升溫，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型將由于升溫作用而產(chǎn)生附加變形。在火災(zāi)高溫及恒定豎向荷載耦合作用下，隨著升溫時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)的變形值將隨之發(fā)生顯著變化。

（2）隨著升溫時(shí)間的增加，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型中底部托梁的撓度值在常溫豎向荷載作用的基礎(chǔ)上開始不斷增大，升溫過程前期60 min增長較快，之后逐漸減緩。撓度曲線關(guān)于轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型中軸的對(duì)稱性與受火工況的對(duì)稱性一致。就同一升溫時(shí)刻引起的底部托梁的豎向撓度變形值來看，底部大空間和上部相鄰層同時(shí)受火的工況4最顯著，其次是大空間上部相鄰層受火的工況2和大空間受火的工況1。

（3）部分火災(zāi)工況下，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型邊柱受熱發(fā)生的豎向膨脹變形會(huì)出現(xiàn)大于豎向荷載對(duì)其產(chǎn)生的壓縮變形的情形。

（4）隨著升溫時(shí)間的增加，不同受火工況下轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型兩側(cè)邊柱的水平側(cè)移逐漸增大。由于受火樓層橫梁受火膨脹變形的作用，受火樓層橫梁位置處邊柱向外凸出的側(cè)移明顯大于其他樓層。

（5）受火房間距離邊柱的距離遠(yuǎn)近影響轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)模型邊柱側(cè)移的大小，受火房間距離邊柱越近，受熱膨脹變形對(duì)邊柱的側(cè)移影響越明顯。

（6）對(duì)于模型對(duì)稱軸的一側(cè)的受火工況布置，兩側(cè)邊柱的側(cè)移在底層托梁以上部分產(chǎn)生同向側(cè)移情形，這應(yīng)是構(gòu)件間約束作用的結(jié)果，表明在不對(duì)稱受火情形下，結(jié)構(gòu)中會(huì)產(chǎn)生較劇烈的相互作用和內(nèi)力重分布現(xiàn)象。

［1］李國強(qiáng)，吳波，韓林海.結(jié)構(gòu)抗火研究進(jìn)展與趨勢(shì)［J］.建筑鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)展.2006，8（1）:1-13.

［2］李國強(qiáng)，韓林海，樓國彪，等.鋼結(jié)構(gòu)及鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)［M］.中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［3］過鎮(zhèn)海，時(shí)旭東.鋼筋混凝土的高溫性能及其計(jì)算［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［4］吳波.火災(zāi)后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能［M］.北京:科學(xué)出版社，2003.

［5］董毓利.混凝土結(jié)構(gòu)的火安全設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社2001.

［6］鄭文忠，陳偉宏，侯曉萌.火災(zāi)后配筋混凝土梁受力性能試驗(yàn)與分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2008（12）:1861-1867.

［7］王廣勇，張東明，韓蕊.鋼管混凝土框架約束鋼梁的耐火性能［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41（3）:388-394.

［8］陸洲導(dǎo)，朱伯龍，姚亞雄.鋼筋混凝土框架火災(zāi)反應(yīng)分析［J］.土木工程學(xué)報(bào)，1995，28（6）:18-27.

［9］王廣勇，武志鑫，張東明，等.平面框架結(jié)構(gòu)耐火性能對(duì)比研究［J］.消防技術(shù)與產(chǎn)品信息.2012（12）:47-51.

［10］傅傳國，王廣勇，王玉鐲.鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)抗火性能試驗(yàn)研究及理論分析［J］.東南大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，40（4）:822-828.

［11］李引擎，馬道貞，徐堅(jiān).建筑結(jié)構(gòu)防火設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造處理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1991.

［12］陸洲導(dǎo).鋼筋混凝土梁對(duì)火災(zāi)反應(yīng)的研究［D］.上海:同濟(jì)大學(xué)，1989.

［13］ENV 1994—1—2，Design of Composite and Concrete Structures Part 1.2:Struchural Fire Design［S］.Eurocode 4，1994.

［14］ ENV 1993—1—2，Design of Steel Structures，Part 1.2: Struchural Fire Design［S］.Eurocode 3:1993.

［15］ ISO 834，International Standard［S］.Geneva:Frie-Resistanc TestsElementsofBuildingConstruction， Amendment1 Amendment 2，1980.

（學(xué)科責(zé)編：吳芹）

Bearing performance analysis of reinforced concrete structure with bearing column girder transfer floor under fire and coupling with vertical loads

Fu Chuanguo1，Kong Weiyi2，Wang Yuzhuo1
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The model of 3-story reinforced concrete structure with large space bearing column girder transfer floor at bottom is established.The nonlinear FEM software ABAQUS is used to analyze the deformation of the model which is exposed to fire and coupling with vertical loads.Based on the simulation results of 9 fire cases，the displacements of measured points and heating-up time curves are plotted.The numerical results show that based on the deformations under vertical loads at normal temperature，the transfer structure models produce complicated additive deformations with the heatingup time increasing.The deflections of the transfer girder are growing fast in 60 minutes of ignition，and then slow down gradually.As to the deflections of the transfer girder at the same moment，the fourth fire case has importance affect，followed by the second and the first fire cases.With the heating-up time increasing，the lateral displacements of two side columns of the model increasegradually in different fire cases.Because of the thermal expansion of the beam in burning floor，the lateral displacements outward of side columns in burning floors are significantly larger than other floors.In asymmetric fire room conditions，because of the constraint between members，two side columns above the transfer girder produce sway in the same direction.It shows that in asymmetric fire conditions，the structure will produce a violent interaction and the internal force redistribution phenomena.

reinforced concrete；transfer structure；fire；bearing performance

TU375

A

1673-7644（2015）06-0511-08

2015-07-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51278289）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51478254）

傅傳國（1963-），男，教授，博士，主要從事工程結(jié)構(gòu)基本理論及減災(zāi)技術(shù)等方面的研究.E-mail:fcguo@sdjzu.edu.cn