方 壘,徐偉良

(1.杭州消防支隊(duì)濱江大隊(duì)浦沿中隊(duì),浙江杭州,310053;2.浙江工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院,浙江杭州,310014)

建筑鋼結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件的防火性能與抗火設(shè)計(jì)研究

方 壘1,徐偉良2

(1.杭州消防支隊(duì)濱江大隊(duì)浦沿中隊(duì),浙江杭州,310053;2.浙江工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院,浙江杭州,310014)

首先有針對(duì)性地對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外建筑鋼結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件的防火性能與抗火設(shè)計(jì)研究背景做了較系統(tǒng)分析,接著,通過有限元程序,對(duì)當(dāng)前應(yīng)用非常廣泛的半剛接門式剛架建筑在火災(zāi)高溫下的受力性能進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)非線性分析。計(jì)算結(jié)果表明:隨著溫度的升高,鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的剛度不斷下降,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剛度下降到不能約束與其連接的梁柱構(gòu)件時(shí),結(jié)構(gòu)將發(fā)生突然坍塌性破壞;由于在高溫下鋼材的屈服強(qiáng)度下降較快,半剛性連接性能雖然能使梁柱節(jié)點(diǎn)處的受力性能改善,但不能提高整體結(jié)構(gòu)的臨界溫度。

鋼構(gòu)件;防火性能;抗火設(shè)計(jì);有限元;剛度;臨界溫度

0 引言

21世紀(jì)的今天,隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,城市人口持續(xù)增多,土地資源日益緊缺,促使城市建筑逐步向高空發(fā)展,而鋼結(jié)構(gòu)由于自身的綜合優(yōu)勢(shì)—自重輕,承載力高,抗震性能好,工業(yè)化程度高,施工周期短,越來越受到設(shè)計(jì)師、房產(chǎn)開發(fā)商的青睞,鋼結(jié)構(gòu)建筑也如雨后春筍般在城市中不斷涌現(xiàn),有的城市標(biāo)志性建筑都采用了鋼結(jié)構(gòu)建筑,如法國(guó)的埃菲爾鐵塔、美國(guó)的世貿(mào)大樓、紐約的帝國(guó)大廈、中國(guó)上海的金茂大廈等。

最近二十年里,鋼結(jié)構(gòu)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用,一些大型的工業(yè)廠房、體育場(chǎng)館都是用鋼結(jié)構(gòu)建成的,在商業(yè)、住宅用房也有應(yīng)用。這些都?xì)w功于鋼結(jié)構(gòu)具有自重輕、施工快、抗震性能好及可以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)等特點(diǎn)。但鋼結(jié)構(gòu)的一個(gè)致命弱點(diǎn)是耐火性能差,就是高溫下鋼材的性能會(huì)變化很大,當(dāng)溫度在400℃的時(shí)候,鋼材的屈服強(qiáng)度降低至室溫的一半,溫度達(dá)到600℃的時(shí)候,鋼材基本上喪失全部強(qiáng)度和剛度,而一般火場(chǎng)的溫度達(dá)到800℃～1000℃,所以對(duì)于未采取防火措施的鋼結(jié)構(gòu),一旦發(fā)生火災(zāi),結(jié)構(gòu)很容易發(fā)生破壞。由此可見,結(jié)構(gòu)的抗火安全形勢(shì)十分嚴(yán)峻,對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的研究已經(jīng)成為工程界非常突出的問題。

1 國(guó)內(nèi)外的研究概況和發(fā)展趨勢(shì)

1.1 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀

國(guó)際上從20世紀(jì)50年代開始重視結(jié)構(gòu)抗火研究,但以結(jié)構(gòu)分析的方法進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的研究始于 1970年。90年代初,英國(guó)建筑研究院(BRE)在Cardington對(duì)一幢8層足尺鋼框架建筑模型做了6組火災(zāi)實(shí)驗(yàn),得到了許多具有開創(chuàng)意義的結(jié)果[1],認(rèn)識(shí)到,對(duì)于獨(dú)立的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件和結(jié)構(gòu)中受約束的鋼構(gòu)件而言,兩者的抗火性能有顯著的差別,在多數(shù)情況下,后者具有更好的抗火能力。在大量理論和試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,英國(guó)、日本、澳大利亞、歐盟等國(guó)家或國(guó)際組織都專門編制了鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火設(shè)計(jì)規(guī)范,或在鋼結(jié)構(gòu)和鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定了抗火設(shè)計(jì)內(nèi)容。由此鋼結(jié)構(gòu)和組合結(jié)構(gòu)抗火從研究已步入工程實(shí)用階段。

我國(guó)鋼結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)研究起步較晚,20世紀(jì)90年代同濟(jì)大學(xué)在總結(jié)國(guó)內(nèi)外有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)抗火研究的基礎(chǔ)上,并根據(jù)我國(guó)結(jié)構(gòu)鋼的特性,比較系統(tǒng)的研究了高溫下結(jié)構(gòu)鋼的性能。其研究工作主要有:高溫鋼材特性、各類鋼構(gòu)件、高溫螺栓連接節(jié)點(diǎn)和鋼框架結(jié)構(gòu)抗火性能的理論和實(shí)驗(yàn)研究。20世紀(jì)90年代中后期,同濟(jì)大學(xué)、哈爾濱建筑大學(xué)等單位開展了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的抗火研究?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)已有越來越多的單位從事鋼結(jié)構(gòu)的抗火研究,使得國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)抗火研究的水平與國(guó)際水平接近,在有的方面已與國(guó)際先進(jìn)水平一致[2]。

1.2 國(guó)外鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火性能的研究成果

國(guó)外對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的理論和試驗(yàn)研究開展的比較早,研究對(duì)象包括構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)和整體結(jié)構(gòu)等。在研究的早期階段,研究人員的工作主要集中在結(jié)構(gòu)鋼的材性和單根構(gòu)件的抗火性能分析。Pentti Makelaninen等[3,4]采用瞬態(tài)抗拉實(shí)驗(yàn)方法(恒載加溫)分別對(duì)S420M與S355結(jié)構(gòu)鋼在高溫下的材料性能作了全面系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,并將穩(wěn)態(tài)抗拉實(shí)驗(yàn)方法(恒溫加載)所得結(jié)果與瞬態(tài)抗拉實(shí)驗(yàn)方法所得結(jié)果進(jìn)行了比較,以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確性。Asif Usmani[5]給出了單根構(gòu)件火災(zāi)下分析的一些基本要素,并給出了考慮不同約束,不同溫度梯度和荷載分布的簡(jiǎn)單計(jì)算公式。Wang Y.C[6]分析了火災(zāi)下整體結(jié)構(gòu)中梁柱的反應(yīng),提出了以整體結(jié)構(gòu)為抗火分析對(duì)象的必要性,Najjar.S.R等[7]以鋼框架在常溫下的二維分析為基礎(chǔ),將其延伸到三維火災(zāi)下的鋼框架分析中去,經(jīng)過實(shí)際構(gòu)件的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與程序分析結(jié)果進(jìn)行比較,吻合較好,說明這種方法對(duì)三維火災(zāi)下鋼框架分析的可行性。總之,目前對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的材性和單根構(gòu)件的抗火性能分析己經(jīng)比較成熟,對(duì)整體結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)連接的抗火性能分析尚待進(jìn)一步深入。

1.3 國(guó)內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火性能的研究成果

國(guó)內(nèi)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)抗火性能的理論和試驗(yàn)研究也做了很多工作,早在上個(gè)世紀(jì)八十年代末,同濟(jì)大學(xué)、清華大學(xué)和一些鋼結(jié)構(gòu)公司對(duì)Q235和Q345結(jié)構(gòu)鋼、檁條用鋼SM41、20MnTiB高強(qiáng)度螺栓等,在高溫下的彈性模量、屈服強(qiáng)度、延伸率、應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了較為系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。同濟(jì)大學(xué)李國(guó)強(qiáng)教授的課題組對(duì)鋼梁、鋼柱、高強(qiáng)螺栓連接和鋼框架的抗火性能作了大量的理論和試驗(yàn)研究,取得了一定的成果,并在此基礎(chǔ)上編制了我國(guó)第一本地方性鋼結(jié)構(gòu)抗火法規(guī)——《建筑鋼結(jié)構(gòu)防火技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-008-2000)。以下是國(guó)內(nèi)一些學(xué)者對(duì)鋼結(jié)構(gòu)及其組件抗火性能的研究成果:

李國(guó)強(qiáng)等[8,9]系統(tǒng)地介紹了鋼結(jié)構(gòu)及鋼—混凝土組合結(jié)構(gòu)抗火設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本原理和實(shí)用方法。

趙金城等[10]為了分析高溫下鋼材力學(xué)性能的變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗火性能的影響,對(duì)基于不同材性模型下的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)抗火分析結(jié)果的精確性很大程度上依賴于所采用的高溫下材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

黃鈺倩等[11]應(yīng)用ANSYS程序,針對(duì)門式鋼剛架結(jié)構(gòu),變化各種參數(shù),進(jìn)行了不同算例的結(jié)構(gòu)整體抗火臨界溫度的計(jì)算。

2 門式剛架整體結(jié)構(gòu)分析有限元模型

本文嘗試用有限元分析程序ANSYS中的彈簧單元模擬門式剛架梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角(M-θ)非線性關(guān)系,以對(duì)梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化,梁柱采用兩節(jié)點(diǎn)梁?jiǎn)卧狟EAM188;梁柱之間的連接關(guān)系用非線性彈簧單元COMBINE39。這樣既可以降低計(jì)算難度,減少單元數(shù)量,又可以將連接節(jié)點(diǎn)的非線性特性考慮在整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中,王興武[12]采用此類方法模擬梁柱節(jié)點(diǎn),獲得了較好的效果。

2.1 材料本構(gòu)模型

分析模型中的梁、柱在常溫下的彈性模量均為2.06E5MPa,泊松比為0.3,但在高溫下結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量和屈服強(qiáng)度采用歐洲鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(ECCS)建議的計(jì)算公式[4]:

高溫下材料的本構(gòu)關(guān)系如圖1、2所示[4],鋼的熱膨脹系數(shù)取常數(shù)αs=1.4×10-5m/(m℃),在整體結(jié)構(gòu)的彈塑性分析中,按照三線性等向強(qiáng)化理論考慮,并采用Von Mises屈服準(zhǔn)則。

圖1 高溫下高強(qiáng)螺栓的本構(gòu)關(guān)系Fig.1 Constitutive relationship of high-strength bolts at high temperatures

圖2 高溫下普通結(jié)構(gòu)鋼的本構(gòu)關(guān)系Fig.2 Constitutive relationship of ordinary steel at high temperatures

2.2 有限元分析模型

圖3所示為一單跨門式剛架結(jié)構(gòu)有限元分析的計(jì)算簡(jiǎn)圖[13],柱腳鉸接,梁柱連接的非線性應(yīng)用COMBIN39單元進(jìn)行模擬,單元的實(shí)常數(shù)如表1所示。相關(guān)尺寸參數(shù)按下列常用數(shù)值取用:跨度20 m,柱距6 m,檐口高度6 m,屋面坡度1:10,屋面均布荷載q=10 kN/m。柱尺寸 H400 mm×200 mm×8 mm×10 mm,梁尺寸為 H400 mm×200 mm×6 mm×8 mm,且均為等截面 H型鋼。

本文為研究在高溫下節(jié)點(diǎn)半剛性對(duì)門式剛架整體受力性能的影響,建立四個(gè)有限元分析模型,梁梁節(jié)點(diǎn)全為剛接。模型一:梁柱節(jié)點(diǎn)為剛接;模型二:梁柱節(jié)點(diǎn)為半剛性(節(jié)點(diǎn)半剛性應(yīng)用COMBIN39進(jìn)行模擬,其實(shí)常數(shù)如表1所示);模型三:梁柱節(jié)點(diǎn)為半剛性(節(jié)點(diǎn)半剛性應(yīng)用COMBIN39進(jìn)行模擬,其實(shí)常數(shù)為表1所示的剛度進(jìn)行折減0.6倍);模型四:梁柱節(jié)點(diǎn)為半剛性(節(jié)點(diǎn)應(yīng)用COMBIN39進(jìn)行模擬,其實(shí)常數(shù)為表1所示的剛度進(jìn)行折減0.2倍)。

圖3 單跨門式剛架計(jì)算簡(jiǎn)圖及節(jié)點(diǎn)連接Fig.3 Diagram and node calculation connection for single span door type frame

2.3 端板連接節(jié)點(diǎn)剛度

1990年,N.Kishi,Y.Goto等人[14]對(duì)分別采用兩種端板連接形式的單跨1-3層門式框架進(jìn)行了試驗(yàn)研究,獲得節(jié)點(diǎn)彎矩與節(jié)點(diǎn)初始剛度、節(jié)點(diǎn)水平位移與節(jié)點(diǎn)初始剛度的關(guān)系,最后得出結(jié)論:

(1)平齊式端板連接節(jié)點(diǎn)的初始剛度:

屬于半剛性節(jié)點(diǎn)。

(2)外伸式端板連接節(jié)點(diǎn)的初始剛度:

可看作剛性節(jié)點(diǎn),若其初始剛度:

則屬于半剛性節(jié)點(diǎn)。

本文中試件連接的初始剛度為 Rki=2.62×104KN·m/rad,因此試件連接屬于半剛性節(jié)點(diǎn)。

表1 常溫下梁柱連接節(jié)點(diǎn)的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系Table 1 Moment-rotation relationship for beam-column joints at normal temperatures

3 門式剛架整體結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)果的比較

本文采用的火災(zāi)下結(jié)構(gòu)破壞的準(zhǔn)則:

本文認(rèn)為出現(xiàn)以下一種或者幾種情況同時(shí)出現(xiàn),即認(rèn)為結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

(1)柱失穩(wěn);(2)梁跨中相對(duì)位移超過跨度的1/25;(3)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的特征變形大于L2/400hx。

加載方法:先進(jìn)行靜力分析,然后分多個(gè)荷載步讀入熱分析結(jié)果文件實(shí)現(xiàn)溫度荷載的施加。

圖4 繞Y軸旋轉(zhuǎn)的彎矩圖Fig.4 Moment redistribution around Y axis

圖4為繞 Y軸旋轉(zhuǎn)的彎矩圖,常溫與高溫下破壞時(shí)的梁梁節(jié)點(diǎn)Mises屈服應(yīng)力云圖分別如圖5、圖6所示,常溫與高溫下破壞時(shí)的梁柱節(jié)點(diǎn)Mises屈服應(yīng)力云圖分別如圖7、圖8所示,圖9為跨中撓度曲線圖,表2為模型結(jié)果分析表。

如圖4所示,由于模型一的梁柱連接為剛接、模型二和模型三的梁柱連接為半剛性連接,模型一在梁柱節(jié)點(diǎn)處的彎矩比模型二和模型三的梁柱節(jié)點(diǎn)處的彎矩大,在梁梁節(jié)點(diǎn)處的彎矩則是模型二和模型三比模型一大。由于此單跨門式剛架為一次超靜定結(jié)構(gòu),模型四的梁柱節(jié)點(diǎn)剛度比較小,約束強(qiáng)度不夠,使結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度大大下降,因此模型四在常溫下就破壞了。

圖5 常溫下梁梁節(jié)點(diǎn)Mises屈服應(yīng)力云圖Fig.5 Mises yield stress cloud pictures for beam-beam joints at normal temperatures

圖6 高溫破壞時(shí)梁梁節(jié)點(diǎn)Mises屈服應(yīng)力云圖Fig.6 Mises yield stress cloud pictures for beam-beam joints which are destroyed at high temperatures

圖7 常溫下梁柱節(jié)點(diǎn)Mises屈服應(yīng)力云圖Fig.7 Mises yield stress cloud pictures for beam-column joints at normal temperatures

圖8 高溫破壞時(shí)梁柱節(jié)點(diǎn)Mises屈服應(yīng)力云圖Fig.8 Mises yield stress cloud picture for beam-column joints which are destroyed at high temperatures

圖9 跨中的撓度曲線Fig.9 Span deflection curves

如圖5至圖8所示,在常溫下,模型一在梁柱節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力比模型二和模型三在梁柱節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力大,在梁梁節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力則是模型二和模型三比模型一大。因此,模型一的破壞形式為梁柱節(jié)點(diǎn)處破壞而造成結(jié)構(gòu)整體失效,模型二和模型三的破壞形式為跨中梁梁節(jié)點(diǎn)處破壞而造成結(jié)構(gòu)整體失效。在高溫下,結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生重分布,模型一由于跨中梁梁節(jié)點(diǎn)處部分屈服和梁柱節(jié)點(diǎn)處全截面屈服而造成結(jié)構(gòu)整體失效,模型二和模型三由于跨中梁梁節(jié)點(diǎn)處部分屈服和梁柱節(jié)點(diǎn)處部分屈服而造成結(jié)構(gòu)整體失效。

如圖9所示,模型二和模型三的跨中撓度比模型一的撓度大,這說明梁柱節(jié)點(diǎn)剛接比梁柱節(jié)點(diǎn)半剛性連接的整體剛度要大。

由表2可知,節(jié)點(diǎn)連接剛度的不同造成結(jié)構(gòu)彎矩和應(yīng)力分布的不同,節(jié)點(diǎn)的剛度對(duì)整體結(jié)構(gòu)抗火臨界溫度幾乎沒有影響,但節(jié)點(diǎn)的剛度必須能夠?qū)α褐峁┳銐虻募s束,否則,由于結(jié)構(gòu)約束不足,使結(jié)構(gòu)過早破壞。

表2 四個(gè)模型結(jié)果分析表Table 2 Analysis results for four models

4 結(jié) 論

在結(jié)構(gòu)整體數(shù)值模擬分析中,為了既減少半剛性連接節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù),又保留連接節(jié)點(diǎn)的非線性特性,本文將梁柱端板節(jié)點(diǎn)整體模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。用ANSYS中的彈簧單元模擬梁柱端板連接節(jié)點(diǎn)的非線性關(guān)系,通過對(duì)單元實(shí)常數(shù)賦值來確定連接節(jié)點(diǎn)彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系(M-θ)的非線性特性。根據(jù)梁柱節(jié)點(diǎn)連接剛度不同建立四個(gè)模型,并將四個(gè)模型的模擬結(jié)果進(jìn)行了分析比較,得到如下結(jié)論:

(1)隨著溫度的升高,節(jié)點(diǎn)的剛度下降,當(dāng)節(jié)點(diǎn)的剛度下降到不能約束與其連接的梁柱時(shí),結(jié)構(gòu)將發(fā)生突然坍塌性破壞。

(2)在高溫下剛性與半剛性連接節(jié)點(diǎn)的破壞形式有所區(qū)別,當(dāng)梁柱連接為剛接時(shí),梁梁與梁柱節(jié)點(diǎn)同時(shí)破壞;當(dāng)梁柱連接為半剛性連接時(shí),梁柱節(jié)點(diǎn)處的受力性能得到改善,梁梁首先破壞。

(3)在高溫下鋼材的屈服強(qiáng)度下降較快,半剛性連接雖然能使梁柱節(jié)點(diǎn)處的受力性能改善,但不能提高整體結(jié)構(gòu)的臨界溫度。

通過理論研究與有限元軟件模擬鋼結(jié)構(gòu)建筑抗火設(shè)計(jì)的綜合分析,得出的結(jié)論對(duì)消防部門在撲救鋼結(jié)構(gòu)建筑火災(zāi)中具有重要的指導(dǎo)意義,也為進(jìn)一步深入對(duì)建筑鋼結(jié)構(gòu)中鋼構(gòu)件的防火性能與抗火設(shè)計(jì)研究打下扎實(shí)的理論研究基礎(chǔ),為下一步更好的研究和探索鋼結(jié)構(gòu)建筑受火作用下的受力性能奠定良好的基礎(chǔ)。

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Research on fire performance and fire resistance design of steel members in construction steel structures

FANG Lei1,XU Wei-liang2

(1.Hangzhou Binjiang Fire Team,Zhe Jiang,310053,China;
2.Zhejiang University Institute of Construction,Zhe Jiang,310014,China)

This paper first makes a summary on the current research status for the fire performance and fire resistance design of construction steel structure steel members,and then,it uses a finite element program to conduct a nonlinear analysis on the mechanical properties of the overall structure for the door type frame construction under high temperatures in fire.The results show that,with the increase of temperature,the stiffness of the steel members node decreases.When the stiffness of the node is not enough to support the structure constraint for the connected beam-column components,the structure will collapse.Due to that in high temperatures the strength of the steel decreases quickly,although the semi-rigid connection performance can improve the mechanical properties for the beam-column joints,the critical temperature for the failure of the overall structure could not be increased.

Steel structures;Fire performance;Fire resistance design;Finite element;Stiffness;Critical temperature

TU

A

1004-5309(2011)-0146-06

2011-05-24;修改日期:2011-06-27

方壘,男,漢族,助理工程師,杭州消防支隊(duì)濱江大隊(duì)浦沿中隊(duì)副中隊(duì)長(zhǎng),從事鋼結(jié)構(gòu)及其大跨度結(jié)構(gòu)研究。