高軒能, 朱皓明, 黃文歡

(華僑大學土木工程學院,福建泉州 362021)

U型鋼-混凝土組合梁由冷彎薄壁型鋼截面填充混凝土或鋼筋混凝土組成,可充分發(fā)揮薄壁型鋼和混凝土2種材料的優(yōu)點,無需模板且易于澆灌混凝土,除具有外形整潔和施工快捷等優(yōu)點外,還具有降低樓層高度、承載力高、延性和抗震性能好等優(yōu)點,是一種經(jīng)濟美觀、節(jié)能省材、符合低碳經(jīng)濟發(fā)展趨勢并有廣闊應用前景的新型構件[1-2]。填充混凝土或鋼筋混凝土不僅改善了U型鋼的局部屈曲性能,提高了其整體承載力,而且對其熱工性能參數(shù)和耐火性能有很大影響。顯然,現(xiàn)有的結構耐火和抗火設計理論均不適用于此類構件。對于其在常溫下的靜力承載性能,國內外學者已有部分研究[3-5],但對其在火災高溫下的溫升特性及耐火性能的相關報道不多[6-9]。

火災下U型鋼-混凝土組合梁的傳熱是在非穩(wěn)態(tài)環(huán)境下多介質及復雜邊界條件下的非線性二維傳熱問題,構件的耐火性能與防火保護、材料熱工性能和受火情況等條件有關。本文采用在空間上運用有限單元與在時間上運用有限差分法相結合的方法,應用ANSYS熱分析程序,對薄壁 U型鋼-混凝土組合梁在標準火災下的耐火性能進行分析與計算。

1 熱分析模型的建立及驗證

1.1 分析條件及假定

研究簡支U型鋼-混凝土組合梁在室內火災環(huán)境下的耐火性能,采用ISO-834標準溫度-時間曲線描述構件的火災環(huán)境[10],升溫段公式為：

其中,t為時間;θg為 t時刻的空氣溫度;θg(0)為初始空氣溫度。

標準火災下,U型鋼-混凝土組合梁視為連續(xù)、各向同性、無內熱源的無限長梁,為二維溫度場問題,傳熱方式按對流換熱和輻射換熱考慮。

單位時間內,空氣向構件對流傳遞的熱量為：

其中,αc為對流傳熱系數(shù);θb為構件表面(或保護層)溫度。單位時間內,空氣向構件輻射傳遞的凈熱量為：

其中,φ為形狀系數(shù);εr為綜合輻射系數(shù),εr=εfεm,εf、εm 分別與著火房間、構件表面特性有關;σ為Stefan-Boltzmann常數(shù),5.67×10-8W/(m2?K4)。

構件內部則主要以導熱方式傳遞熱量,截面的導熱微分方程為：

其中,ρ為介質密度;c為介質比熱容;λ為介質的導熱系數(shù);θ為截面(x,y)處在時刻t的溫度。

為便于分析計算,對構件進行熱分析時做如下假定：①構件截面的溫度場與材料的應力、應變及開裂無關,即不考慮混凝土開裂或表層脫落后的截面局部變化引起的溫度重分布;②構件截面的溫度場是二維的,沿構件的軸線不變;③忽略鋼材與混凝土之間接觸熱阻對組合梁構件傳熱的影響;④忽略鋼筋體積對構件截面溫度場的影響;⑤一般情況下,不考慮水分蒸發(fā)對溫度場的影響。

1.2 參數(shù)選取及熱邊界條件

根據(jù)研究對象特性,本文在熱分析中采用輻射傳熱與對流傳熱分開考慮,參考文獻[11]的邊界條件假定和邊界參數(shù)取值,熱分析參數(shù)的具體取值見表1所列。

表1 熱分析系數(shù)

在計算模型中,采用PLANE55單元?？紤]到U型鋼-混凝土組合梁截面的對稱性,取梁截面的1/2進行分析。單元尺度大小取5 mm×5 mm左右,單元網(wǎng)格與熱邊界條件如圖1所示。

圖1 單元網(wǎng)格與熱邊界條件

1.3 熱分析模型的驗證

型鋼-混凝土組合扁梁截面在ISO-834標準火災作用下的溫度場結果[12],可以為本文計算模型提供驗證依據(jù)。組合扁梁截面尺寸和溫度-時間曲線計算點如圖2所示,計算時考慮了邊界的對流和輻射換熱、含水率及界面熱阻的影響。文獻[12]采用有限差分法計算,本文采用ANSYS建模進行模擬計算,結果的比較如圖3所示。

從圖3可見,本文熱分析模型的ANSYS計算結果與文獻[12]結果吻合很好,計算點1、2和3的溫度-時間歷程曲線幾乎完全吻合,表明本文所建立的傳熱模型合理,編制的計算程序適用于U型鋼-混凝土組合梁構件的耐火性能分析。

圖2 文獻[12]組合梁截面及溫度場計算點

圖3 本文模型與文獻[12]計算結果的比較

2 數(shù)值計算結果與討論

2.1 無防火保護組合梁的耐火特性計算

U型鋼梁寬b1=150 mm,翼緣寬b2=50 mm,混凝土板寬 b3=600 mm,混凝土板高h1=80 mm,U型鋼梁高h2=300 mm,鋼梁腹板及翼緣板厚d1=d2=3 mm,混凝土材料為硅質混凝土,火災環(huán)境溫度按ISO-834標準升溫曲線變化,無防火保護層。按本文上述方法建模,單元網(wǎng)格及熱邊界條件如圖1所示,熱分析參數(shù)見表1所列。組合梁截面的ANSYS熱分析計算結果如圖4所示。

從圖4a可以看出,對于無防火保護的U型鋼混凝土組合梁,在受火30 min時,截面角部鋼板(耐火最不利點)的溫度就可達到600℃以上,鋼梁截面開始喪失承載力,靠近鋼梁的內部混凝土溫度也可達到600℃以上,表明組合梁基本已達到其耐火極限,喪失了繼續(xù)承載的能力。

圖4 無防火涂層組合梁截面的溫度場

2.2 有防火保護組合梁的耐火特性計算

有防火保護組合梁的 b1、b2、b3 、h1 、h2 同無防火保護組合參數(shù),混凝土材料與火災環(huán)境溫度的變化同2.1,采用厚涂型防火涂料,dcover=6 mm,防火涂料的熱工性能為：λ=0.116 W/(m?K),c=1.047×103J/(kg?K),ρ=(400±20)kg/m3。編制ANSYS熱分析程序,計算了組合梁截面的溫度分布,如圖5所示。

圖5 有防火涂層組合梁截面的溫度場

從圖5可知,對于有厚涂型防火涂料保護的組合梁,在ISO-834標準火災下受火30 min時,組合梁截面的溫度升高很小,鋼梁的溫度不到300℃,截面在正常溫度范圍內工作;60 min時鋼梁和內部混凝土進入高溫工作階段,截面角部的溫度為250～450℃,組合梁的承載性能尚好;90 min時鋼梁和內部混凝土進入高溫工作階段,截面角部溫度為450～600℃,組合梁的承載性能開始進入極限狀態(tài);120 min時,曝火面保護層下的鋼板達到喪失其承載力的溫度,組合梁內部混凝土的溫度為500～650℃,組合梁喪失了承載能力,表明防火涂層可有效阻擋高溫的傳遞,但耐火時間取決于防火涂層厚度(本文僅為6 mm)。

2.3 填充混凝土對組合梁鋼板升溫的影響

U型鋼-混凝土組合梁的內填充混凝土對鋼板有吸熱作用,可改善組合梁的耐火特性。對該組合梁按不考慮填充混凝土吸熱和考慮混凝土吸熱2種情況在ISO-834標準火災條件下的溫升特性進行模擬,計算模型和邊界條件同前所述。構件的截面形狀系數(shù)F/V＜10時,鋼構件溫度按截面溫度非均勻分布計算,F/V＞300時,鋼構件溫度按等于空氣溫度考慮[10]。為了便于比較分析填充混凝土對 U型鋼-混凝土梁耐火性能的影響,選取如圖6所示U型鋼截面不同位置處的鋼板溫度作為計算點。ISO-834標準火災條件下,不考慮填充混凝土吸熱和考慮混凝土吸熱2種情況下的組合梁鋼板計算點的溫度變化情況見表2所列(U型鋼截面鋼板厚度d1=d2=3 mm)。

圖6 U型鋼截面鋼板溫度計算點

表2 填充混凝土對U型鋼-混凝土梁耐火特性的影響

從表2可以看出,填充混凝土時,U型鋼各個計算點處鋼板的溫度均顯著比不填充混凝土時低,特別是在火災升溫前期(受火前30 min內),填充混凝土的存在對組合梁的耐火性能非常有利。無填充鋼梁在ISO-834標準火災下10 min即達到678.43℃,15 min可達到730℃,基本喪失承載能力。而對于填充了混凝土的U型鋼-混凝土組合梁,以最不利位置角點C來說,由于混凝土的吸熱作用,無防火保護的組合梁在標準火災下受火10 min時,鋼梁的溫度降低約50%,受火20 min時降低約23%,受火30 min時升溫到730.89℃,降低約13%,約有15 min的溫升延時。而整個型鋼截面的溫度變化是不均勻的,截面的其他位置溫度降低更多。由此表明,由于混凝土的吸熱效應,無防火保護的U型鋼-混凝土組合梁的耐火性能比一般鋼-混凝土組合梁好。

3 結 論

本文通過在空間上運用有限單元與在時間上運用有限差分法相結合的方法,應用ANSYS編制熱分析程序,分析計算了U型鋼-混凝土組合梁在ISO-834標準火災下和不同防火保護條件下截面的溫度變化情況,可以得出如下結論。

(1)在ISO-834標準火災下,無論有無防火保護,填充混凝土都使 U型鋼-混凝土組合梁截面的溫度分布不均勻,該梁的耐火特性不同于普通型鋼-混凝土組合梁,也不同于鋼筋混凝土梁,用給定臨界溫度來判定組合梁是否達到耐火極限的方法偏于保守,并不完全適用。

(2)填充混凝土對改善U型鋼-混凝土組合梁的耐火性能有利,無論有無防火保護,混凝土的吸熱效應可有效降低鋼梁截面的溫度,產(chǎn)生溫升延時效應。在ISO-834標準火災升溫前期(約前30 min),無防火保護的U型鋼-混凝土組合梁考慮混凝土吸熱效應時,與鋼梁相比組合梁鋼板的溫升降低幅度可達到15%～60%,溫升延時可達15 min左右。

(3)U型鋼-混凝土組合梁應用于有防護要求的工程時,應進行防火保護。U型鋼外角點處為耐火性能最不利點,應特別注意該處的防火保護。研究結果可為U型鋼-混凝土組合梁的抗火性能研究提供參考。

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