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      基于ANSYS的鋼梁抗火性能分析

      2015-12-25 01:43:28連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院江蘇連云港222006
      江西建材 2015年1期
      關(guān)鍵詞:翼緣梁端鋼梁

      ■王 會(huì),蘇 偉 ■連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 連云港 222006

      1 引言

      鋼結(jié)構(gòu)由于強(qiáng)度高,施工方便,近年來,廣泛被應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑。但由于鋼材易生銹、耐火性較差,存在較大的安全隱患。一旦發(fā)生火災(zāi),鋼材的強(qiáng)度將下降較快,鋼結(jié)構(gòu)建筑的整體承載能力大幅下降,最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞和倒塌,由于梁為鋼結(jié)構(gòu)建筑的主要構(gòu)件之一,因此研究鋼梁在火災(zāi)和荷載下的反應(yīng)為鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考價(jià)值[1]。

      2 鋼梁的熱—結(jié)構(gòu)耦合分析

      2.1 分析模型

      計(jì)算模型采用工字型鋼梁,長為3m,兩端采用剛性連接。梁上荷載為30KN/m,材料為Q335鋼,工字形截面尺寸如下表1所示。

      表1 工字型鋼梁的截面尺寸(m)

      在鋼結(jié)構(gòu)建筑中,因梁上鋪設(shè)樓板,假設(shè)鋼梁除上翼緣外,腹板和下翼緣各表面都受到火荷載的影響。在計(jì)算過程中,假定結(jié)構(gòu)周圍的初始環(huán)境溫度為20℃,熱對(duì)流系數(shù)和輻射率分別為25W/(m·℃)和 0.9,外界溫度按公式逐漸升高,可計(jì)算得到各時(shí)刻的塑性變形和截面溫度分布規(guī)律,以及鋼梁的薄弱部位[2]。鋼梁模型如下圖1所示。

      圖1 工字型鋼梁有限元模型

      2.2 溫度場(chǎng)分析

      下圖2為受火工字型鋼梁在跨中截面處各部位的溫度隨時(shí)間變化的曲線。從圖可知,上翼緣和其他部位相比較,溫度最低;而三者中由于腹板同時(shí)受到輻射、對(duì)流以及熱傳導(dǎo)共同作用,溫度最高;其次,由于鋼梁下翼緣受火面減少,其溫度低于腹板[3]。而上翼緣由于受到火荷載的影響最小,截面中溫度分布處于最小狀態(tài)。

      圖2 梁跨中截面不同部位的溫度—時(shí)間曲線

      2.3 結(jié)構(gòu)分析

      根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火設(shè)計(jì)原則,耐火極限為:當(dāng)構(gòu)件的最大撓度為時(shí),鋼梁就不能繼續(xù)承載[4]。根據(jù)該計(jì)算原則,其結(jié)構(gòu)破壞時(shí),跨中撓度應(yīng)為。

      從下圖3分析可知,當(dāng)工字型鋼梁的跨中撓度達(dá)到100mm時(shí),梁腹板的溫度約為550℃,時(shí)間為500s左右。

      圖3 梁跨中撓度—時(shí)間曲線

      圖4 工字型鋼梁的變形圖

      由上圖4可知,在火災(zāi)和外荷載共同作用下,鋼梁的跨中撓度最大,兩端撓度最小。

      而從下圖5和圖6以及計(jì)算過程表明,鋼梁抗火的薄弱部位于兩端剛接點(diǎn)處,盡管該處的溫度較低,但塑性區(qū)仍先發(fā)生在梁端根部翼緣部位,且應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。

      圖5 梁端節(jié)點(diǎn)的塑性應(yīng)變分布圖

      圖6 梁端節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布圖

      3 結(jié)論

      (1)在火災(zāi)發(fā)生的初期,工字型鋼梁的下翼緣和腹板溫差不大,但由于在上翼緣鋪壓型鋼板或混凝土板,其與下翼緣和腹板溫差比較大。隨著火災(zāi)的作用,梁腹板和上下翼緣的溫差逐漸變大,最終達(dá)到一個(gè)最大值,在火災(zāi)后期,隨著鋼梁內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用,三者的溫差逐漸減小,最后溫度趨于一致。

      (2)在鋼梁整個(gè)受火過程中,梁端根部翼緣最早進(jìn)入塑性,且應(yīng)力集中較為嚴(yán)重。因此鋼梁兩端的支座部位是梁的薄弱部位,對(duì)其進(jìn)行防火保護(hù)顯得尤為重要。

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