基于ANSYS抗火分析的三面受火鋼梁防火研究

中建鋼構有限公司華東大區 靖江 214532

1 概況

超高層建筑中對于鋼結構的應用越來越多，而超高層建筑中的鋼梁大多是外露的。而鋼結構的耐火性能不如混凝土結構，所以我們需要對鋼結構的耐火性能進行研究來制定相應的鋼結構防火措施。

昆山金鷹二期大商業項目為混凝土核心筒外圍勁性柱框架結構，地下3層，地上55層，結構高度251.8 m。塔樓10層以上鋼梁均為三面受火的外露鋼梁，耐火極限為2 h。

2 鋼材材料模型建立

在鋼梁防火研究中，我們以ANSYS有限元分析軟件為基礎，選取H型鋼梁截面尺寸為300 mm×300 mm×10 mm×15 mm。考慮到現場鋼梁的上翼緣為混凝土樓板，不直接受火，溫度較低，故不考慮上翼緣上表面的熱傳導和熱輻射，所以將鋼梁熱邊界定為三面受火。荷載類型采用了跨中作用集中荷載的情況。為了較準確的模擬簡支梁，且不需要考慮其在高溫下的整體穩定，故在梁的一端腹板中點約束3個方向平動，另一端約束垂直梁軸線的2個方向的平動。選取荷載比為0.178和0.30，分別對應的集中力大小為100 kN和169 kN[1,2]。

溫度場采用solid70單元進行熱分析，此單元是具有1個自由度的八節點六面體（Brick8 node70），結構分析中轉化為solid45單元。首先把模型沿梁長分成60段。腹板沿厚度分成2層，沿寬度分成10段。翼緣沿厚度分成1層，沿寬度分成12段。如圖1所示。

3 熱分析

3.1 溫度分布

火災下，空氣與構件的熱傳遞包括熱輻射和熱對流2部分，一般梁的兩端有構件遮擋。故不考慮梁的兩端與空氣之間的熱輻射和熱對流。梁在三面受火條件下的溫度分布如圖2所示。可以看出，梁的兩端溫度最低。這是考慮到實際情況中的梁端部有柱子或者墻的遮擋，不會直接承受火災的作用。三面受火下翼緣的外邊緣、腹板中部溫度較高。這是由于這些位置微元的輻射角系數比其他位置大，接收的熱量多。

圖1 鋼梁有限元模型及網格劃分

圖2 鋼梁三面受火溫度分布

梁的跨中截面在30 min時的溫度分布如圖3所示，從圖3可以看出，三面受火溫差較大，在同一截面不同點的溫度分布不均勻，沿梁軸線方向在端部有比較大的變化。三面受火溫差最大可以達到200 K，這種溫差將對構件截面的應力場產生很大的影響，因而也就影響到構件和整個結構在火災下的反應[3,4]。

3.2 溫度-時間曲線

由于截面溫度分布不均，為了較全面地表示截面的溫度-時間曲線，在三面受火鋼梁上選擇了如圖4所示的5個點，這5個點的溫度-時間曲線如圖5所示（測點1對應于ANSYS中的node1，依次類推）。在三面受火鋼梁的跨中截面，不同點的溫差較大，隨著空氣的溫度升高，下翼緣和腹板升溫明顯快于上翼緣。在1 000 s左右時溫差達到最大，差值為300 K。隨著構件溫度升高，空氣與構件溫差變小，熱量在構件中的熱傳導作用加強，溫度逐漸趨于均勻。

圖3 鋼梁三面受火跨中截面溫度分布

圖4 鋼梁三面受火溫度 測點布置示意

在接近1 800 s時，下翼緣的溫度-時間曲線有一拐點，即斜率有增大的趨勢。腹板、上翼緣卻無此現象。此時下翼緣溫度約750 ℃，而腹板上翼緣及腹板溫度約700 ℃時。可能是由于采用的比熱容在735 ℃有一個極值點。達到此溫度的地方溫度上升緩慢，而超過735 ℃，比熱容迅速減少，升溫加快。

為了驗證此假設，采用2種比熱容，繼續對該三面受火鋼梁升溫至3 200 s，得到溫度-時間曲線如圖6所示。從圖6可以看出，各測點達到約750 ℃后，各點的溫度-時間曲線都出現拐點。如果按EC3推薦的鋼材比熱容為定值600 J/（kg·K）重新計算構件的溫度-時間曲線，則計算出的溫度-時間曲線的斜率一直減少，沒有出現拐點，如圖7所示。

圖5 鋼梁三面受火溫度-時間曲線

圖6 EC3精確比熱容計算的溫度- 時間曲線

4 結構分析

對結構進行火災下非線性分析的目的是確定火災條件下結構的破壞機理和臨界溫度，以及結構的耐火時間。根據我國標準《建筑構件耐火試驗方法》（GB/T 9978—2008），本實例的破壞準則為：最大撓度達到了0.05倍梁長，即150 mm。最大變形速率大于l2/900 h，即33.33 mm/s。

4.1 撓度-時間曲線

梁在三面受火下，承受100 kN的集中荷載，荷載比為0.178。在1 800 s時的變形和豎向撓度云圖如圖8所示。從云圖可以看出，同一截面的撓度基本相等。最大撓度發生在跨中，達到了0.149 m。可以認為該梁達到了破壞。

圖7 EC3推薦比熱容計算的溫度-時間曲線

圖8 鋼梁三面受火1 800 s時變形 和撓度云圖

跨中截面的5個測點的撓度-時間曲線如圖9所示。升溫過程中，荷載保持恒定，由于溫度作用，梁的撓度不斷增加。在升溫初期（梁下翼緣溫度小于400 ℃），鋼材的彈性模量下降得不是很大，在400 ℃時，為常溫彈性模量的70%，因此，由彈性模量弱化引起的撓度很小。同時，由于梁為三面受火，由圖8可知，梁橫截面上存在較大的溫度梯度，而梁的端部沒有約束，必然產生較大的膨脹變形。可見，在升溫初期，梁的撓度增大主要由于熱變形引起。升溫過程中，同一截面不同點的位移在小變形下基本同步，位于集中力作用點下的測點4在1 400 s左右后的位移大于其他點。可能是由于局部應力太大，應力集中使該點的位移明顯大于其他地方。在1 300 s左右，撓度-時間曲線也出現了一個拐點。這也和比熱容的變化有關，此時構件溫度達到了750 ℃左右，比熱容急劇增大，溫度上升變緩，構件剛度變化緩慢，位移出現如圖9所示的一個小平臺。

4.2 撓度-溫度曲線

跨中截面5個點的撓度-溫度曲線如圖10所示，雖然同一截面各點的撓度-時間曲線差別不大，但是由于同一截面溫度有一定的差別，故各點的撓度-溫度曲線有較大的差別，同一撓度下，上翼緣測點4和測點5的溫度比其他測點低，最大值達200 K。同一溫度下，上翼緣的撓度比其他點高。在該圖也可以看出，測點4的最終撓度在比同一截面的其他點的撓度大。

圖9 鋼梁三面受火5個測點的撓度-時間曲線

圖10 鋼梁三面受火 撓度-溫度曲線

支座截面的5個測點的撓度-時間曲線如圖11所示。在1 200 s以前，上翼緣的測點由于熱膨脹位移向上，下翼緣的測點向下膨脹。而跨中測點3位于支座處，位移為零。在1 200 s以后，上翼緣位移開始向下，而下翼緣向下的位移明顯加快。這是在升溫過程中，梁的變形主要由熱膨脹轉變成主要是由材料的剛度頹壞引起。

圖11 鋼梁三面受火端部節點撓度-時間曲線

4.3 高溫下的應力

在1 800 s時，梁上應力密度如圖12所示，應力繞梁軸線基本對稱。在集中荷載作用點和兩端支座約束點處的應力較高，在梁的端部翼緣處應力最低。

這5個點沿軸向的應力隨時間的關系如圖13所示。正值表示拉應力，負值表示壓應力。升溫開始后，由于下翼緣靠邊緣測點1和腹板中部測點3輻射角系數大，受空氣的輻射、對流作用強，升溫較快。上翼緣和翼緣與腹板交接處的測點2、4、5升溫較慢。測點1、3溫度高，受熱產生膨脹，測點2、4、5會約束其膨脹，故在測點1、3中產生膨脹壓應力，測點2、4、5產生膨脹拉應力。所以在升溫一開始，測點1、3應力降低，而測點2、4、5應力增加。隨著溫度的增加，截面溫度分布趨于均勻，膨脹也趨于均勻，各點的應力也向初始時刻的應力靠近[5,6]。

圖12 應力密度云圖

圖13 梁跨中截面應力-時間關系曲線

5 結語

通過基于ANSYS進行的三面受火鋼梁的抗火分析，我們發現三面受火鋼梁在受火初期，截面各點溫差較大，會產生自相平衡的內力，但仍然很快就會失去承載力。而且，在高溫下較小的荷載就可以引起鋼梁很大的變形。所以外露鋼結構施工時對防火涂料的施工要引起足夠的重視，以免發生火災時對結構造成不可逆轉的損害。