鋼梁在火災中的結構行為分析

楊愷

摘要：鋼結構具有重量輕、強度高、施工快等優點，廣泛應用于建筑工程、市政工程和水利工程。但鋼材本身不耐火，隨著鋼結構建筑的迅猛發展，火災條件下鋼結構的抗火性能研究變得越來越重要。以受火災的鋼梁為研究對象，采用ABAQUS有限元模擬分析了鋼梁結構在火災條件下的狀態和抗火性能。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、標準火和參數火不同條件下的應力應變、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計提供參考。

關鍵詞：鋼梁;ABAQUS;火災;應力應變;溫度;撓度

中圖法分類號：TU391

文獻標志碼：A

文章編號：1006-0081（2020）12-0053-06

鋼結構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。在鋼筋混凝土結構中，鋼筋通過承受拉力來幫助增強鋼筋混凝土結構的強度。盡管鋼材有重量輕、強度高、施工快等優點，但鋼材本身不耐火，易受火災影響。對于未受保護的鋼梁，在火災條件下可能會遇到溫度高于550℃導致結構強度失效以及溫度高于620℃產生結構過度形變等問題。有關研究表明，火災引起的高溫會導致鋼材的強度和剛度降低，鋼材過度變形從而導致結構失效。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，當溫度超過700℃時，鋼材基本喪失承載能力。

結構防火安全是高層建筑設計中最重要的考慮因素之一，其中鋼通常是結構構件的首選材料，如果建筑采用無防火保護措施的鋼結構，那么一旦發生火災，結構會在短時間內遭到破壞，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值仿真來對鋼材的抗火性能進行研究。叢術平等對采用軋制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試驗，而數值分析可以減少測試次數并縮小單個構件的結果與較大結構構件的結果之間的差距。因此，許多研究工作旨在開發數值模型，通過較便利的計算機模擬來預測遭受火災的鋼梁結構的實際行為。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作用下的溫度場仿真模型，為后續熱力耦合分析，將溫度荷載施加到結構分析中打下了基礎。李娟等以ANSYS為平臺，研究了火災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條件下鋼梁的抗火性能，使用發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、標準（ISO）火和參數火3種火災工況下鋼梁的應力應變、溫度和撓度進行了探討，對火災中鋼梁失效的影響因素進行了深入分析，在此基礎上提出了提升鋼梁防火效果的建議。

1分析方法

1.1鋼梁與火災條件設定

本文采用ABAQUS有限元程序對鋼結構建筑中的一根鋼梁進行結構分析。鋼框架結構為30m×30m，梁跨度7.5m，作用在鋼梁上的永久載荷G_k=2.9kN/m²，可變荷載Q_k=2.5kN/m²，分項安全系數分別為1.35和1.5，鋼梁規格為UB457×191×74，鋼材型號為S275，經規范計算的最大允許撓度為37.5mm，受保護鋼梁使用的發泡型防火涂料厚度d_p=15mm，密度ρ_p=430kg/m³，定壓熱容c_p=1200J/（kg·K），熱導率λ_p=0.17W/（m·K）。鋼梁橫截面參數見圖1。

室內火災溫升曲線主要有馬忠誠模型、ASCE模型、歐洲規范模型、瑞典模型和標準溫升曲線模型。以往研究通常基于標準溫升曲線分析鋼梁的火災響應特性，只有少數研究采用更接近實際火災場景的BFD自然溫升曲線。為了更全面地分析鋼梁在火災中的性態，本文考慮了線性火、標準火和參數火3種不同火災條件：線性火指使用每分鐘10℃的線性加熱速率來分析火災對鋼梁的影響;標準火是最常用的火，其通過預定義某些任意溫度一時間關系來表示火災，大多數真實的火災測試都使用標準火。通常分析標準火條件下的撓度、彎矩和軸向力;參數火是一種現實的火，它允許燃料負荷，通風口和墻襯材料的組合產生時間-溫度關系。

1.2ABAQUS建模

為了研究鋼梁在不同火災情況下的行為，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。假設鋼梁在線性火、標準火和參數火條件下被均勻加熱。

2火災中鋼梁結構分析

從鋼梁的應力應變、溫度和撓度3個方面對火災中的鋼梁結構行為進行分析。

2.1應力應變分析

（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）應力，不同的顏色表示不同的米塞斯應力的大小，其中紅色代表高米塞斯應力區域，藍色代表低米塞斯應力區域。在高溫和中跨荷載的共同作用下，鋼梁最終會發生相當大的形變。隨著溫度線性增加，鋼梁強烈變形，紅色區域主要集中在鋼梁中部，表明米塞斯應力在鋼梁中部非常大。

（2）標準火條件。圖4和圖5分別展示了受發泡型防火涂料保護和未受保護的鋼梁在標準火條件下的米塞斯應力。類似于線性火，標準火可以加熱鋼梁至失效，但標準火的溫度是在前50min內非常快速地增加，然后緩慢增加。從圖4可以看出，受保護條件下藍色區域較大，紅色區域很小，甚至基本沒有，表明受保護鋼梁的米塞斯應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構上。

由圖5所示，在標準火條件下未受保護的鋼梁中部（紅色區域）米塞斯應力非常大，鋼梁發生大幅形變，拱形的幅度明顯更大。對比受保護和未受保護鋼梁的抗火性能可知，防火材料可以強化鋼梁并改變材料性能，使鋼梁內部均勻傳熱，并保持較低的米塞斯應力，使鋼梁取得了更好的耐火效果。

此外，未受保護的鋼梁的兩個端部連接幾乎損壞。對比發現線性火條件下未受保護的鋼梁比標準火條件下的鋼梁損壞更為嚴重，這是因為線性火會把鋼梁加熱到更高的溫度，使鋼梁的強度和剛度隨溫度的升高而下降。

（3）參數火條件。圖6和圖7分別展示了受保護和未受保護的鋼梁在參數火條件下的米塞斯應力。參數火不會將梁加熱到失效，而只會加熱到結構梁失效時的臨界溫度。從圖6可以看出，參數火條件下鋼梁保持較低的米塞斯應力，且均勻分布。與標準火類似，受保護的鋼梁在高溫和中跨荷載的共同作用下發生偏轉，并且將梁中的力傳遞到其末端，再通過連接傳遞到支撐結構上。

圖7中未受保護的鋼梁在參數火條件下發生了相當大的偏轉，展示了幅度更大的形變和更高的米塞斯應力。

對比圖5和圖7可知，標準火條件下未受保護的鋼梁比參數火條件下的鋼梁損壞得更嚴重，而參數火不會加熱鋼梁至失效。

綜上可知，鋼梁在線性火中的損壞最嚴重，標準火次之，而參數火中損壞最輕。

2.2熱分析

2.2.1線性火條件

線性火條件溫度隨時間線性增加，因此溫度一時間曲線是一條通過原點的直線。與形變曲線和撓度曲線不同，線性火災中的熱分析僅顯示線性溫度一時間曲線。

2.2.2標準火條件

圖8為標準火條件下的溫度一時間曲線，包括氣體溫度、有保護鋼梁溫度和無保護鋼梁溫度。標準火溫度變化曲線是通過預先定義某些任意溫度一時間關系來表示火災的最簡單方法，這種關系與通風和邊界條件無關，因此標準火條件不符合真正的自然火災條件，使得標準火和實際火災之間的加熱速率和火災持續時間的差異可能導致不同的結構變化。

對于本文中的鋼梁，受保護和未受保護鋼梁的溫度都會隨著時間上升并持續增加。氣體溫度在前10min內迅速上升，然后均勻緩慢增加。未受保護的鋼梁溫度快速上升但比氣體溫度低，當溫度達到1000℃時，兩條曲線重合，表明鋼梁溫度與氣體溫度保持相同。此外，當超過臨界溫度646.1℃時，未受保護的鋼梁溫度增加得更慢，但在約20min后，溫度會以原始速度升高（圖8中曲線斜率代表溫度的增加速度，在臨界溫度附近，曲線平緩，鋼梁溫度增加緩慢）。受保護的鋼梁溫度比其他溫度上升慢，并且在達到臨界溫度之前類似于線性溫度，而當超過臨界溫度646.1℃時，受保護的鋼梁溫度增加得更慢，但在約20min后，溫度會恢復至原速度上升。氣體和未受保護鋼梁的最高溫度超過1000℃，而受保護鋼梁的最高溫度在800℃左右，遠低于未受保護鋼梁的最高溫度（兩者相差200℃）。由于標準火條件下的溫度只有溫升階段，沒有達到最高溫度之后的溫降階段，因此其溫度變化曲線與真實的自然火災存在差異。

然而，標準火條件并不能代表最嚴重的火災條件，因為現在的辦公室往往在裝飾、家具、計算機和電子設備中包含大量的碳氫化合物燃料，如聚合物、塑料、人造皮革和層壓板等，設計用于標準火條件下的結構構件可能無法抵御真實火災。

2.2.3參數火條件

圖9為參數火條件下的溫度一時間曲線。參數火條件下的溫度變化曲線考慮了隔間尺寸、燃料負荷、通風條件以及隔間墻壁和天花板的熱性能。與標準火條件相比，可以給出更真實的火災影響結果。

對于本文中的鋼梁，受保護和未受保護的鋼梁和氣體溫度達到最高溫度后再降低，溫度變化曲線為單峰函數。氣體溫度在最初的20min內迅速升高，溫度達到約660℃，然后在不到20min內迅速降至20℃。未受保護的鋼梁溫度快速上升至最高溫度約510℃，之后逐漸降至20℃。受保護的鋼梁溫度上升速度較慢，當溫度達到240℃后逐漸緩慢降至20℃。從圖9可以看出，當溫度升高時，氣體溫度比未受保護的鋼梁溫度上升快，而受保護的鋼梁溫度上升較慢。同樣，當溫度下降時，氣體溫度比未受保護的鋼梁溫度下降快，而受保護的鋼梁溫度下降亦較慢。簡而言之，氣體溫度陡升陡降，受保護鋼梁溫度緩升緩降，未受保護鋼梁溫度介于兩者之間。參數火條件下氣體的最高溫度約為660℃，未受保護的鋼梁最高溫度約為510℃，受保護的鋼梁最高溫度約為240℃，受保護鋼梁和未受保護鋼梁的最高溫度相差約270℃。

參數火條件下的溫度變化曲線清楚地表明總時間段可分為加熱和冷卻兩個階段。

2.3撓度分析

2.3.1線性火條件

在ABAQUS分析中，相對時間用于簡化結構行為：時間0-1表示負載施加周期，火從時間1開始施加。線性火條件下鋼梁溫度線性升高，但撓度不會線性增加。圖10展示了鋼梁在線性火條件下的撓度變化。起始值為22.005mm，當相對時間變為1.01時，偏差降低為21.995mm，然后偏轉增加。在相對時間1.5和1.7之間，偏轉再次減小然后立即增加到14989.4mm（對應相對時間為2），遠大于規范中最大允許撓度37.5mm，表明鋼梁在線性火災中失效。

2.3.2標準火條件

與線性火條件不同，標準火的實際時間是從相對時間轉移而來的。圖11為標準火條件下受保護鋼梁的撓度一時間曲線。由圖11可知，鋼梁初始撓度保持在22mm左右，300s后稍微下降持續約1min;500s后，當達到受保護鋼梁臨界溫度時，撓度迅速增加到26mm，直到1200s。標準火條件下受保護鋼梁的最大撓度為27mm，略高于室溫值22mm，但低于規范的最大允許撓度37.5mm。因此受保護鋼梁在標準火條件下是安全的。

圖12為標準火條件下未受保護鋼梁的撓度-時間曲線。由圖12可知，撓度變化曲線可大致分為3個階段，在前600s內撓度保持在22mm左右，之后緩慢增加，1000s后撓度增加得非常快，最終撓度增加到800mm，遠大于規范計算的37.5mm的最大允許撓度，因此未受保護鋼梁在標準火條件下失效。

2.3.3參數火條件

圖13為參數火條件下受保護鋼梁的撓度-時間曲線。由圖13可知，在前700s內，撓度從22.0mm減少到21.8mm，然后在1360s后撓度增加到24.5mm，略高于室溫值22.0mm，但低于規范的最大允許撓度37.5mm。因此受保護鋼梁在參數火條件下是安全的。

圖14為參數火條件下未受保護鋼梁的撓度-時間曲線。由圖14可知，在最初的300s內，撓度保持在22.0mm左右，之后緩慢且均勻地增加，直至撓度達到最大，其值達46.0mm，超過規范的最大允許撓度37.5mm，因此參數火條件下未受保護鋼梁失效。

3火災中鋼梁失效影響因素分析

本文在討論鋼梁結構行為后發現許多因素導致未受保護的鋼梁結構失效，主要影響因素如下。

（1）由于撓度過大導致失效。荷載作用在頂部翼緣的中間，頂部翼緣由混凝土保護，而鋼梁的另外3個表面暴露在火中，氣體溫度比鋼梁增加得快，會導致鋼梁的強度和剛度下降得更快。因此在火災初期，鋼梁的撓度增長主要是由鋼梁截面的溫度梯度引起的，且鋼梁中部沒有約束，在火災期間撓度很容易變得非常高，超過規范規定的最大允許撓度。

（2）由于溫度升高，鋼梁在火災中受到遠大于常溫時的附加應力，導致鋼梁底部凸緣朝x，y兩端方向移動，而鋼梁的兩端和整個頂部凸緣在腹板中沿x方向受到約束，端部連接無法承載過大的應力，且高溫下鋼梁的極限承載力較之常溫有很大的下降，因此鋼梁在高溫下容易失效。

4結論與建議

本文采用ABAQUS有限元程序對線性火、標準火和參數火3種不同火災條件下鋼梁的應力應變、溫度和撓度進行了研究，主要結論如下。

（1）線性火和標準火均可以將鋼梁加熱至失效，但線性火加熱溫度更高，因此線性火條件下的鋼梁比標準火條件下的鋼梁損壞得更嚴重;而參數火不會將鋼梁加熱到失效。因此，鋼梁在線性火中損壞最嚴重，標準火次之，參數火損壞最輕微。

（2）線性火溫度呈線性增加;標準火的溫度僅有一個溫升階段，達到最高溫度之后沒有溫降階段;參數火的溫度變化曲線分為加熱和冷卻兩個階段。由于參數火考慮了隔間尺寸、燃料負荷、通風條件以及隔間墻壁和天花板的熱性能，因此更加適用于真實的火災研究。

（3）未受保護的鋼梁最高溫度和最大撓度遠高于受保護的鋼梁，其易形變為較大角度的拱形且兩個端部連接幾乎被損壞，因此要增加鋼梁防火保護，確保鋼梁不會因撓度過大而失效。

根據本文研究成果，建議從以下幾點提升鋼梁防火設計。

（1）鋼梁防火設計中需重點關注鋼梁的端部連接，該處的米塞斯應力往往非常高。

（2）為防止火災加熱階段鋼梁的拉伸破壞，可通過增大鋼梁的尺寸，減小米塞斯應力值來實現。

（3）目前有許多防火技術可用于保護鋼結構，包括噴涂保護，用磚石、混凝土或其他防火覆層材料包裹等。此外，通過增加板的厚度可提供更好的熱傳遞，從而提升鋼梁的防火效果。

（編輯：李慧）