鋼梁的火災行為及耐火影響因素研究

朱文博，文波，田欣雨，季子越，康永康

（1.國網陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055）

1 引言

鋼結構具有工廠化、標準化、裝配化等優點，符合國家電網公司提出的全面推行變電站模塊化建設的要求。變電站主廠房采用裝配式鋼結構已有較多的工程實踐，但是鋼結構的耐火性能較差，一旦發生火災，就可能引起鋼結構建筑物的局部破壞或整體倒塌。鋼材本身并不是可燃物，但其導熱性極好，當溫度達到一定的程度時，其材性會在高溫條件下急劇降低，造成鋼構件的損壞及整體結構發生破壞。因此，有必要研究鋼構件的耐火性能及其影響因素。

鋼梁作為鋼結構中重要的鋼構件之一，其耐火性能已有較多的研究，以往的研究大多是將鋼梁作為兩端簡支的獨立構件來考慮，但在實際工程中，鋼梁并不等同于獨立構件，需考慮其受到相鄰梁柱的約束作用。工程中對于鋼結構及其構件的防火措施普遍采用防火涂料，將火源產生的熱輻射和熱傳導以及空氣中的熱對流通過防火涂料與鋼梁隔絕開來，從而提高鋼梁的耐火性能。本文基于文獻[7]中的鋼梁火災試驗，應用有限元軟件ABAQUS建立了受火鋼梁的模型，研究了鋼梁受火后的溫度場分布和梁撓度變化，在此基礎上，以不同種類和厚度的防火涂料為參數，分析了影響鋼梁耐火性能的因素。

2 鋼梁火災行為分析

2.1 模型概況

文獻[7]中鋼梁的火災試驗裝置見圖1。試驗中的受火H型鋼梁長度為3m，橫截面尺寸為209.6mm?205.8mm?14.2mm?9.4mm，鋼材規格為Q235，常溫下的彈性模量和屈服強度分別為1.98?10MPa和235MPa。鋼梁置于鋼筋混凝土支架上，兩端受到200kN的拉力，鋼梁頂面設有分配鋼梁，以使其受到20kN/m的線荷載。

圖1 加載裝置

試驗中的受火鋼梁相當于兩端受到拉力、上表面受到均布荷載的簡支鋼梁，其有限元簡化模型如圖2，為更好地符合實際試驗中受火鋼梁兩端的約束條件，在受火鋼梁兩端設置彈簧單元，彈簧剛度經過試算確定。有限元模擬中，采用順序熱力耦合對鋼梁進行分析，即先對鋼梁進行熱分析，得到鋼梁的溫度場分布結果，再將熱分析結果作為預定義場，導入鋼梁的力學模型中進行力學分析。在對鋼梁進行熱力耦合分析時，鋼材的熱工性能、高溫下屈服強度與彈性模量折減系數均按EC3給出的參數選取，高溫下鋼材的應力-應變本構模型如圖3，升溫曲線與試驗中的一致，均為ISO-834標準升溫曲線。鋼梁三面受火，即其下翼緣、腹板及上翼緣的下表面為受火面，表面熱對流系數取值為25W/m，熱輻射取值為 0.7W/m，Stefan-Boltzmann常數取值為σ=5.67×10W/（m·k）。

圖2 有限元計算模型

圖3 高溫下鋼材的應力-應變本構模型

2.2 結果分析

圖4為鋼梁不同部位溫升曲線，圖5為鋼梁跨中的撓度-時間曲線。鋼梁腹板、下翼緣、上翼緣的溫度試驗值與有限元計算值誤差分別為0.3%，10.6%，11.3%，撓度誤差為14%，誤差原因是有限元分析本身屬于近似計算，且其定義的參數與實際仍有一定差異，網格的劃分也會影響計算結果。雖然存在一定的誤差，但從圖4及圖5可以看出，用有限元軟件模擬的計算值與試驗值總體趨勢上吻合度較好，印證了有限元模擬的正確可行性。

圖4 鋼梁不同部位溫升曲線

圖5 鋼梁撓度-時間曲線

圖4中，無論是計算值還是試驗值，鋼梁受火后的最高溫度均出現在梁的腹板中部，其次是鋼梁的下翼緣，鋼梁的上翼緣相對較低。原因是鋼梁的腹板中部雖然與下翼緣同時受熱輻射、熱對流和熱傳導的作用，但是鋼梁腹板的迎火面面積比下翼緣的迎火面面積更大，而鋼梁的上翼緣只有下表面受到火災作用，其上表面為絕熱面，因此鋼梁在整個受火過程中的溫度大小排序為腹板＞下翼緣＞上翼緣。之后，由于鋼梁內部熱傳遞的作用，其腹板與下翼緣的溫度差值會隨著升溫時間的推移不斷減小，并不斷接近ISO-834標準升溫曲線值，鋼梁上翼緣亦同。圖5中，試驗結果和有限元結果都表明鋼梁的撓度隨著升溫時間的增加而增大，其變形特征為由剛開始的緩慢增長到隨后的快速增大，再到最后的迅速增長。由圖4及圖5中的數據得出了鋼梁跨中的撓度與溫度的關系曲線，如圖6。

圖6 鋼梁撓度-溫度曲線

在鋼梁的整個升溫過程中，鋼梁的撓度根據其材料強度的損耗發生了相應的改變，在溫度上升初期，鋼梁受到的溫度響應較低，其材料強度的損耗較少，鋼梁的變形主要以微小的受熱膨脹為主，撓度的變化并不明顯；隨著受火時間的延長，鋼梁表面的溫度不斷升高，沿截面出現溫度梯度，鋼梁的膨脹受到軸向約束，產生了軸向壓力，成為了壓彎構件，其材性損失變大，承載力逐步降低，鋼梁撓度也隨之快速增長；受火后期，鋼梁的材性大幅損失，在外部荷載和兩端約束的作用下，鋼梁撓度迅速變大，軸向產生了拉力，鋼梁由壓彎構件變為拉彎構件，出現了“懸鏈線效應”。受火鋼梁的最終變形如圖7。

圖7 鋼梁變形

3 鋼梁耐火影響因素分析

火災具有突發性，一旦發生會使火源周邊的空氣迅速上升到1000℃，空氣中的熱量會通過熱對流和輻射傳遞給鋼結構，而鋼結構的內部會通過熱傳導的方式實現熱量傳遞，普通鋼結構在其自身溫度達到600℃時便會喪失大部分的強度和剛度，從而喪失其承載能力。因此鋼結構的耐火性能是對其安全性評價的重要指標，鋼結構的耐火性能主要通過其耐火時間反應，即耐火極限。

目前工程中提高鋼結構耐火性能的主要措施為涂刷或噴涂防火涂料。防火涂料是影響鋼結構及其構件耐火性能的重要因素。

3.1 防火涂料的種類

表1為防火涂料的類型，鋼結構防火涂料的類型劃分方法較多，不同種類的防火涂料各有利弊，但不論是何種防火涂料，其作用機理均是將火災產生的熱量和鋼結構隔絕開來，即防火涂料通過自身的物理作用或化學反應來減緩或阻擋熱量向鋼結構進行傳遞。

防火涂料的類型 表1

防火涂料的材性參數主要有密度、比熱容和導熱系數，其中的導熱系數是影響防火涂料隔熱性的主要因素。本文選取了3種不同的防火涂料，在第2小節的基礎上，建立了受火鋼梁下翼緣下表面涂有防火涂料的有限元模型，分析防火涂料的種類對鋼梁耐火性能的影響。鋼梁僅在設置有防火涂料的一面受火，與防火涂料通過綁定約束。3種防火涂料的密度與比熱容相等，分別為500kg/m和1000 J/（kg·℃）。導熱系數如表2。

防火涂料參數 表2

3種防火涂料的厚度均為10mm，圖8為涂有不同類型防火涂料的鋼梁溫升曲線。由圖8可以看出，受火鋼梁使用防火涂料后，其受火面溫度大幅降低。當受火時間為7200s時，未設置防火涂料的鋼梁受火面溫度為1040℃，涂有1號防火涂料的鋼梁受火面溫度為639℃，溫度降低了38.6%；涂有2號防火涂料的鋼梁受火面溫度為560℃，溫度降低了46.2%；涂有3號防火涂料的鋼梁受火面溫度為453℃，溫度降低了56.4%。防火涂料的導熱系數對鋼梁表面溫度的影響較大，導熱系數越小的防火涂料，其防火性能越好，使鋼梁受火面的溫度越低。此外，未采取防火措施的鋼梁在受火時，其表面溫度上升迅速，而采用了防火涂料的鋼梁，其受火面在火場中的溫度上升較為平緩，保證了工程人員有一定的時間處置火災災害，避免鋼結構的損壞。因此，在工程應用中，對有防火需求的鋼結構建筑，宜優先采用導熱系數較小的防火涂料，提升鋼結構的耐火性能。

圖8 不同類型防火涂料的鋼梁溫升曲線

3.2 防火涂料的厚度

防火涂料的厚度也會對鋼結構的耐火性能產生較大影響。圖9為涂有不同厚度防火涂料的鋼梁溫升曲線。由圖9可以看出，同一種防火涂料，隨著其厚度的增加，受火鋼梁表面的溫度呈不斷下降的趨勢。涂有10mm，15mm，20mm，25mm，30mm厚度防火涂料的受火鋼梁，在受火時間為7200s時其表面溫度分別為454℃，347℃，281℃，236℃，204℃，與未涂有防火涂料的鋼梁相比，溫度分別下降了56.3%，66.6%，73%，77.3%，80.4%，防火涂料的厚度越大，其對鋼梁耐火性能的提升作用越明顯。但將以上不同厚度防火涂料對應的溫度下降率相減，得到其相對的提升值分別為10.3%，6.4%，4.3%，3.1%，可以看出，防火涂料對鋼梁耐火性能的提升作用隨厚度的增加逐漸變緩，且防火涂料過厚會導致脫落和開裂問題，因此在設計防火涂料的厚度時，應綜合考慮其經濟性和實用性，必要時可以結合不同類型的防火涂料來提升鋼結構的耐火性能。

圖9 不同厚度防火涂料的鋼梁溫升曲線

3.3 其他因素

鋼梁的火災行為是復雜的非線性過程，火災的發生均是從局部火災開始，火源對鋼梁不同部位的輻射角度和距離有所差異，由于熱對流的原因，鋼梁周圍的空氣溫度也并非均勻分布，這都使得鋼梁內部的溫度場存在不均勻分布，進而產生相應的溫度應力，對鋼梁的耐火性能造成較大影響。

鋼梁的約束條件也會對其耐火性能有較大影響，與簡支鋼梁相比，兩端受到約束的鋼梁因為約束作用的存在，使其在與簡支梁撓度相等的情況下仍具有較高的承載力，因此，受約束鋼梁的耐火性能不同于簡支鋼梁，約束鋼梁的耐火性能與其受到約束的大小相關。

由于鋼梁的截面形狀會影響其溫度分布情況，因此不同截面形狀的鋼梁，其耐火性能又會有所差別，截面形狀系數越小，鋼梁的溫度發展越慢，臨界溫度越高。

除此之外，鋼梁的受火面、初始缺陷、材料屬性、載荷組合等都將使其火災中的受力性能變得復雜，進一步影響到鋼梁的耐火性能。

4 結論

①火災初期，鋼梁內部的溫度分布不均勻，隨著受火時間的增加，鋼梁各部位溫度差異逐漸減小，最終接近升溫曲線。

②具有軸向約束的鋼梁，因受熱后軸向力的變化，使其火災行為更加復雜，在設計時應充分考慮軸向約束的作用。

③防火涂料能夠大幅提升鋼梁的耐火性能，延緩鋼梁的火災響應過程，保證火災處置時間。防火涂料的導熱系數是其具有耐火功能的主要因素，導熱系數越小的防火涂料，對鋼梁耐火性能的提升效果越明顯。

④防火涂料的厚度對鋼梁耐火性能也有較大的影響，但其影響效率隨厚度的增大逐漸降低，因此在設計時，應充分考慮經濟性與實用性，避免僅通過增加防火涂料厚度的方法來提升鋼梁的耐火極限。