鋼梁的火災(zāi)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(guó)網(wǎng)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(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055）

1 引言

鋼結(jié)構(gòu)具有工廠化、標(biāo)準(zhǔn)化、裝配化等優(yōu)點(diǎn)，符合國(guó)家電網(wǎng)公司提出的全面推行變電站模塊化建設(shè)的要求。變電站主廠房采用裝配式鋼結(jié)構(gòu)已有較多的工程實(shí)踐，但是鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能較差，一旦發(fā)生火災(zāi)，就可能引起鋼結(jié)構(gòu)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(dǎo)熱性極好，當(dāng)溫度達(dá)到一定的程度時(shí)，其材性會(huì)在高溫條件下急劇降低，造成鋼構(gòu)件的損壞及整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。因此，有必要研究鋼構(gòu)件的耐火性能及其影響因素。

鋼梁作為鋼結(jié)構(gòu)中重要的鋼構(gòu)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(jiǎn)支的獨(dú)立構(gòu)件來(lái)考慮，但在實(shí)際工程中，鋼梁并不等同于獨(dú)立構(gòu)件，需考慮其受到相鄰梁柱的約束作用。工程中對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)及其構(gòu)件的防火措施普遍采用防火涂料，將火源產(chǎn)生的熱輻射和熱傳導(dǎo)以及空氣中的熱對(duì)流通過(guò)防火涂料與鋼梁隔絕開來(lái)，從而提高鋼梁的耐火性能。本文基于文獻(xiàn)[7]中的鋼梁火災(zāi)試驗(yàn)，應(yīng)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(chǎng)分布和梁撓度變化，在此基礎(chǔ)上，以不同種類和厚度的防火涂料為參數(shù)，分析了影響鋼梁耐火性能的因素。

2 鋼梁火災(zāi)行為分析

2.1 模型概況

文獻(xiàn)[7]中鋼梁的火災(zāi)試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。試驗(yàn)中的受火H型鋼梁長(zhǎng)度為3m，橫截面尺寸為209.6mm?205.8mm?14.2mm?9.4mm，鋼材規(guī)格為Q235，常溫下的彈性模量和屈服強(qiáng)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(shè)有分配鋼梁，以使其受到20kN/m的線荷載。

圖1 加載裝置

試驗(yàn)中的受火鋼梁相當(dāng)于兩端受到拉力、上表面受到均布荷載的簡(jiǎn)支鋼梁，其有限元簡(jiǎn)化模型如圖2，為更好地符合實(shí)際試驗(yàn)中受火鋼梁兩端的約束條件，在受火鋼梁兩端設(shè)置彈簧單元，彈簧剛度經(jīng)過(guò)試算確定。有限元模擬中，采用順序熱力耦合對(duì)鋼梁進(jìn)行分析，即先對(duì)鋼梁進(jìn)行熱分析，得到鋼梁的溫度場(chǎng)分布結(jié)果，再將熱分析結(jié)果作為預(yù)定義場(chǎng)，導(dǎo)入鋼梁的力學(xué)模型中進(jìn)行力學(xué)分析。在對(duì)鋼梁進(jìn)行熱力耦合分析時(shí)，鋼材的熱工性能、高溫下屈服強(qiáng)度與彈性模量折減系數(shù)均按EC3給出的參數(shù)選取，高溫下鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型如圖3，升溫曲線與試驗(yàn)中的一致，均為ISO-834標(biāo)準(zhǔn)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(duì)流系數(shù)取值為25W/m，熱輻射取值為 0.7W/m，Stefan-Boltzmann常數(shù)取值為σ=5.67×10W/（m·k）。

圖2 有限元計(jì)算模型

圖3 高溫下鋼材的應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)模型

2.2 結(jié)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(shí)間曲線。鋼梁腹板、下翼緣、上翼緣的溫度試驗(yàn)值與有限元計(jì)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(jì)算，且其定義的參數(shù)與實(shí)際仍有一定差異，網(wǎng)格的劃分也會(huì)影響計(jì)算結(jié)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(jì)算值與試驗(yàn)值總體趨勢(shì)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(shí)間曲線

圖4中，無(wú)論是計(jì)算值還是試驗(yàn)值，鋼梁受火后的最高溫度均出現(xiàn)在梁的腹板中部，其次是鋼梁的下翼緣，鋼梁的上翼緣相對(duì)較低。原因是鋼梁的腹板中部雖然與下翼緣同時(shí)受熱輻射、熱對(duì)流和熱傳導(dǎo)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(zāi)作用，其上表面為絕熱面，因此鋼梁在整個(gè)受火過(guò)程中的溫度大小排序?yàn)楦拱澹鞠乱砭墸旧弦砭墶Ｖ?，由于鋼梁?nèi)部熱傳遞的作用，其腹板與下翼緣的溫度差值會(huì)隨著升溫時(shí)間的推移不斷減小，并不斷接近ISO-834標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線值，鋼梁上翼緣亦同。圖5中，試驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果都表明鋼梁的撓度隨著升溫時(shí)間的增加而增大，其變形特征為由剛開始的緩慢增長(zhǎng)到隨后的快速增大，再到最后的迅速增長(zhǎng)。由圖4及圖5中的數(shù)據(jù)得出了鋼梁跨中的撓度與溫度的關(guān)系曲線，如圖6。

圖6 鋼梁撓度-溫度曲線

在鋼梁的整個(gè)升溫過(guò)程中，鋼梁的撓度根據(jù)其材料強(qiáng)度的損耗發(fā)生了相應(yīng)的改變，在溫度上升初期，鋼梁受到的溫度響應(yīng)較低，其材料強(qiáng)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(shí)間的延長(zhǎng)，鋼梁表面的溫度不斷升高，沿截面出現(xiàn)溫度梯度，鋼梁的膨脹受到軸向約束，產(chǎn)生了軸向壓力，成為了壓彎構(gòu)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(zhǎng)；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(chǎn)生了拉力，鋼梁由壓彎構(gòu)件變?yōu)槔瓘潣?gòu)件，出現(xiàn)了“懸鏈線效應(yīng)”。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(zāi)具有突發(fā)性，一旦發(fā)生會(huì)使火源周邊的空氣迅速上升到1000℃，空氣中的熱量會(huì)通過(guò)熱對(duì)流和輻射傳遞給鋼結(jié)構(gòu)，而鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)部會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式實(shí)現(xiàn)熱量傳遞，普通鋼結(jié)構(gòu)在其自身溫度達(dá)到600℃時(shí)便會(huì)喪失大部分的強(qiáng)度和剛度，從而喪失其承載能力。因此鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能是對(duì)其安全性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能主要通過(guò)其耐火時(shí)間反應(yīng)，即耐火極限。

目前工程中提高鋼結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及其構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jī)理均是將火災(zāi)產(chǎn)生的熱量和鋼結(jié)構(gòu)隔絕開來(lái)，即防火涂料通過(guò)自身的物理作用或化學(xué)反應(yīng)來(lái)減緩或阻擋熱量向鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞。

防火涂料的類型 表1

防火涂料的材性參數(shù)主要有密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)，其中的導(dǎo)熱系數(shù)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(jié)的基礎(chǔ)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(duì)鋼梁耐火性能的影響。鋼梁僅在設(shè)置有防火涂料的一面受火，與防火涂料通過(guò)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(dǎo)熱系數(shù)如表2。

防火涂料參數(shù) 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(dāng)受火時(shí)間為7200s時(shí)，未設(shè)置防火涂料的鋼梁受火面溫度為1040℃，涂有1號(hào)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(hào)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(hào)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(dǎo)熱系數(shù)對(duì)鋼梁表面溫度的影響較大，導(dǎo)熱系數(shù)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(shí)，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(chǎng)中的溫度上升較為平緩，保證了工程人員有一定的時(shí)間處置火災(zāi)災(zāi)害，避免鋼結(jié)構(gòu)的損壞。因此，在工程應(yīng)用中，對(duì)有防火需求的鋼結(jié)構(gòu)建筑，宜優(yōu)先采用導(dǎo)熱系數(shù)較小的防火涂料，提升鋼結(jié)構(gòu)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(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的耐火性能產(chǎn)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(shì)。涂有10mm，15mm，20mm，25mm，30mm厚度防火涂料的受火鋼梁，在受火時(shí)間為7200s時(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)的溫度下降率相減，得到其相對(duì)的提升值分別為10.3%，6.4%，4.3%，3.1%，可以看出，防火涂料對(duì)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(guò)厚會(huì)導(dǎo)致脫落和開裂問(wèn)題，因此在設(shè)計(jì)防火涂料的厚度時(shí)，應(yīng)綜合考慮其經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，必要時(shí)可以結(jié)合不同類型的防火涂料來(lái)提升鋼結(jié)構(gòu)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(zāi)行為是復(fù)雜的非線性過(guò)程，火災(zāi)的發(fā)生均是從局部火災(zāi)開始，火源對(duì)鋼梁不同部位的輻射角度和距離有所差異，由于熱對(duì)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(nèi)部的溫度場(chǎng)存在不均勻分布，進(jìn)而產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力，對(duì)鋼梁的耐火性能造成較大影響。

鋼梁的約束條件也會(huì)對(duì)其耐火性能有較大影響，與簡(jiǎn)支鋼梁相比，兩端受到約束的鋼梁因?yàn)榧s束作用的存在，使其在與簡(jiǎn)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(jiǎn)支鋼梁，約束鋼梁的耐火性能與其受到約束的大小相關(guān)。

由于鋼梁的截面形狀會(huì)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(huì)有所差別，截面形狀系數(shù)越小，鋼梁的溫度發(fā)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(zāi)中的受力性能變得復(fù)雜，進(jìn)一步影響到鋼梁的耐火性能。

4 結(jié)論

①火災(zāi)初期，鋼梁內(nèi)部的溫度分布不均勻，隨著受火時(shí)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(zāi)行為更加復(fù)雜，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(zāi)響應(yīng)過(guò)程，保證火災(zāi)處置時(shí)間。防火涂料的導(dǎo)熱系數(shù)是其具有耐火功能的主要因素，導(dǎo)熱系數(shù)越小的防火涂料，對(duì)鋼梁耐火性能的提升效果越明顯。

④防火涂料的厚度對(duì)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性，避免僅通過(guò)增加防火涂料厚度的方法來(lái)提升鋼梁的耐火極限。