钢梁在火灾中的结构行为分析

　　摘要：钢结构具有重量轻、强度高、施工快等优点，广泛应用于建筑工程、市政工程和水利工程。但钢材本身不耐火，随着钢结构建筑的迅猛发展，火灾条件下钢结构的抗火性能研究变得越来越重要。以受火灾的钢梁为研究对象，采用ABAQUS有限元模拟分析了钢梁结构在火灾条件下的状态和抗火性能。深入分析了有防火措施和无防火措施条件下钢梁在线性火、标准火和参数火不同条件下的应力应变、温度和挠度及其影响因素，进一步提出了提升钢梁防火效果的建议。研究成果可为钢梁防火设计提供参考。

　　关键词：钢梁;ABAQUS;火灾;应力应变;温度;挠度

　　钢结构广泛使用于建筑工程、市政工程和水利工程中。钢的延性行为允许塑性变形(如屈服)而不会造成脆性破坏。在钢筋混凝土结构中，钢筋通过承受拉力来帮助增强钢筋混凝土结构的强度。尽管钢材有重量轻、强度高、施工快等优点，但钢材本身不耐火，易受火灾影响。对于未受保护的钢梁，在火灾条件下可能会遇到温度高于550℃导致结构强度失效以及温度高于620℃产生结构过度形变等问题。有关研究表明，火灾引起的高温会导致钢材的强度和刚度降低，钢材过度变形从而导致结构失效。另外，钢梁受热可以等效为增加了附加温度荷载，随着荷载的增大，挠度基本上按荷载增大的比例而线性增大。曹元元指出，高温下钢梁承载力较常温有显著降低，当温度超过700℃时，钢材基本丧失承载能力。

　　结构防火安全是高层建筑设计中最重要的考虑因素之一，其中钢通常是结构构件的首选材料，如果建筑采用无防火保护措施的钢结构，那么一旦发生火灾，结构会在短时间内遭到破坏，甚至倒塌，从而造成难以估量的损失。

　　目前，主要通过物理试验和数值仿真来对钢材的抗火性能进行研究。丛术平等对采用轧制H型钢的简支梁在不同荷载水平作用下的抗火性能进行了试验研究，试验中采用水平燃油炉对试件进行升温。由于物理试验耗时间、成本高，且需要进行大量重复试验，而数值分析可以减少测试次数并缩小单个构件的结果与较大结构构件的结果之间的差距。因此，许多研究工作旨在开发数值模型，通过较便利的计算机模拟来预测遭受火灾的钢梁结构的实际行为。近年来，许多文献介绍了用有限元分析法分析梁的受力成果。如郝聪龙等以ABAQUS为平台，提出了模拟钢-混凝土组合梁在火灾作用下的温度场仿真模型，为后续热力耦合分析，将温度荷载施加到结构分析中打下了基础。李娟等以ANSYS为平台，研究了火灾条件下不同温升速率对简支梁耐火时间的影响。

　　本文采用ABAQUS有限元程序研究了火灾条件下钢梁的抗火性能，使用发泡型防火涂料作为钢梁受保护条件，针对不受保护和受保护条件，对线性火、标准(ISO)火和参数火3种火灾工况下钢梁的应力应变、温度和挠度进行了探讨，对火灾中钢梁失效的影响因素进行了深入分析，在此基础上提出了提升钢梁防火效果的建议。

　　1分析方法

　　1.1钢梁与火灾条件设定

　　本文采用ABAQUS有限元程序对钢结构建筑中的一根钢梁进行结构分析。钢框架结构为30m×30m，梁跨度7.5m，作用在钢梁上的永久载荷Gk=2.9kN/m2，可变荷载Qk=2.5kN/m2，分项安全系数分别为1.35和1.5，钢梁规格为UB457×191×74，钢材型号为S275，经规范计算的最大允许挠度为37.5mm，受保护钢梁使用的发泡型防火涂料厚度dp=15mm，密度ρp=430kg/m3，定压热容cp=1200J/(kg·K)，热导率λp=0.17W/(m·K)。钢梁横截面参数见图1。

　　室内火灾温升曲线主要有马忠诚模型、ASCE模型、欧洲规范模型、瑞典模型和标准温升曲线模型。以往研究通常基于标准温升曲线分析钢梁的火灾响应特性，只有少数研究采用更接近实际火灾场景的BFD自然温升曲线。为了更全面地分析钢梁在火灾中的性态，本文考虑了线性火、标准火和参数火3种不同火灾条件：线性火指使用每分钟10℃的线性加热速率来分析火灾对钢梁的影响;标准火是最常用的火，其通过预定义某些任意温度一时间关系来表示火灾，大多数真实的火灾测试都使用标准火。通常分析标准火条件下的挠度、弯矩和轴向力;参数火是一种现实的火，它允许燃料负荷，通风口和墙衬材料的组合产生时间-温度关系。

　　1.2ABAQUS建模

　　为了研究钢梁在不同火灾情况下的行为，使用C3D8R元件类型在ABAQUS中建立了三维实体模型，见图2。工字型钢梁由下翼缘(底部凸缘)、腹板和上翼缘(顶部凸缘)组成，钢梁为简单支撑(承)。当钢梁受到板的约束时，钢梁在两端的腹板和整个顶部凸缘处沿x方向受到约束。假设钢梁在线性火、标准火和参数火条件下被均匀加热。

　　2火灾中钢梁结构分析

　　从钢梁的应力应变、温度和挠度3个方面对火灾中的钢梁结构行为进行分析。

　　2.1應力应变分析

　　(1)线性火条件。图3展示了线性火条件下未受保护钢梁的米塞斯(mises)应力，不同的颜色表示不同的米塞斯应力的大小，其中红色代表高米塞斯应力区域，蓝色代表低米塞斯应力区域。在高温和中跨荷载的共同作用下，钢梁最终会发生相当大的形变。随着温度线性增加，钢梁强烈变形，红色区域主要集中在钢梁中部，表明米塞斯应力在钢梁中部非常大。

　　(2)标准火条件。图4和图5分别展示了受发泡型防火涂料保护和未受保护的钢梁在标准火条件下的米塞斯应力。类似于线性火，标准火可以加热钢梁至失效，但标准火的温度是在前50min内非常快速地增加，然后缓慢增加。从图4可以看出，受保护条件下蓝色区域较大，红色区域很小，甚至基本没有，表明受保护钢梁的米塞斯应力较低且均匀分布在钢梁上。受保护的钢梁在高温和中跨荷载的共同作用下发生形变，并且将梁中的力传递到其末端，再通过连接传递到支撑结构上。

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文章名称： 钢梁在火灾中的结构行为分析

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