陳 雷, 徐雁飛

(中船第九設(shè)計研究院工程有限公司,上海 200063)

0 引 言

鋼結(jié)構(gòu)住宅是當(dāng)前我國住宅現(xiàn)代化、環(huán)?；?、產(chǎn)業(yè)化的一個發(fā)展方向,結(jié)構(gòu)構(gòu)件可采用斷面經(jīng)濟的薄壁型材,圍護材料可采用輕質(zhì)節(jié)能的新型建材,整個住宅易于實現(xiàn)工廠標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和現(xiàn)場安裝。本文研究的低多層輕鋼住宅,其骨架結(jié)構(gòu)的梁柱采用高頻焊接H型鋼,墻樓板采用蒸壓輕質(zhì)加氣混凝土板(簡稱ALC板)。高頻焊接H型鋼具有生產(chǎn)效率高、翼緣和腹板寬大輕薄、翼緣板平直易于連接等優(yōu)點;ALC板具有輕質(zhì)、保溫和隔音性能好、施工方便等優(yōu)點,已在建筑工程中得到推廣應(yīng)用[1-4]。保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗火性能達到國家有關(guān)規(guī)范的要求,是鋼結(jié)構(gòu)住宅研發(fā)中的重要問題之一。

ALC墻板與鋼結(jié)構(gòu)的連接有2種形式：橫向連接(連接于柱)和豎向連接(連接于梁)。在工業(yè)建筑中的連接方式大多采用橫向連接,而在民用建筑中大多采用的是豎向連接。因此,在多層輕鋼結(jié)構(gòu)住宅中墻體與柱的連接方式為豎向連接,針對工程實際情況,本文選用ALC板的豎向連接形式進行分析。

在本文所討論的輕鋼住宅中,簡支高頻焊接H型鋼柱的一側(cè)翼緣與ALC墻板連接,認(rèn)為這一側(cè)翼緣不會受火;同時ALC外墻板與鋼柱采用的是豎向連接,ALC板是掛在框架梁上,這樣ALC板沒有與柱的翼緣有構(gòu)造連接,因此ALC墻板僅會影響鋼柱的升溫和截面溫度分布,使得鋼柱截面的平均溫度降低,但同時也造成截面上溫度分布不均勻,從而產(chǎn)生溫度附加應(yīng)力[4]。

本文利用通用有限元軟件Ansys分析研究有ALC墻板連接的高頻焊接H型鋼柱抗火承載力分布,同時進一步考慮其他參數(shù)對鋼柱抗火承載力的影響,并作參數(shù)分析。

1 基本假定、模型及判斷標(biāo)準(zhǔn)

1.1 基本假定

(1)鋼柱翼緣和腹板厚度很小,不考慮其厚度方向上的應(yīng)力與應(yīng)變的影響,在模型中用殼單元進行模擬。

(2)鋼柱翼緣溫度均勻分布,腹板溫度呈線性分布[5-6],如圖1所示。

圖1 截面溫度分布加載示意圖

(3)高頻焊接H型鋼內(nèi)部的溫度在各瞬時沿長度方向都是均勻分布的,僅考慮截面上溫度不均勻分布,溫度分布為二維問題。文獻[7-8]研究了沿著鋼柱方向溫度非均勻分布的破壞情況,指出沿著長度方向的溫度非均勻分布相對于均勻分布,提高了柱的臨界溫度,偏于安全,因此在本文中忽略這種提高效果。

1.2 計算模型

本文的計算模型如圖2所示,高頻焊接H型鋼截面尺寸為H200×200×6×8,柱的高度為2.9 m,作用到柱頂?shù)妮S壓力NT為：

其中n為荷載比;Np為常溫下構(gòu)件有限元計算中的穩(wěn)定承載力。在柱腳處的約束為強軸方向剛接,弱軸方向為鉸接,在柱上部的約束為限制水平方向的位移。在計算過程中考慮了材料的非線性;同時計算過程中考慮大變形效應(yīng),引入了幾何非線性和構(gòu)件的初始變形,最大初始變形為構(gòu)件長度的1/1000。因此,這是一個考慮了材料非線性和幾何非線性的問題。

抗火分析采用恒載升溫方案,首先在鋼柱上作用軸壓力NT,計算此時的結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài);進而對鋼柱的單元節(jié)點施加溫度荷載(見圖1),當(dāng)構(gòu)件達到極限狀態(tài)時認(rèn)為構(gòu)件發(fā)生破壞,此時截面平均溫度即為構(gòu)件的臨界溫度。

圖2 鋼柱有限元模型網(wǎng)格劃分圖

1.3 判斷標(biāo)準(zhǔn)

火災(zāi)下結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力極限狀態(tài)的判別標(biāo)準(zhǔn)為：①構(gòu)件喪失承載力,可以分為強度承載力和穩(wěn)定承載力,穩(wěn)定承載力包括整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定。②構(gòu)件達到不適于繼續(xù)承載的變形。在文獻[9]指出柱的變形破壞標(biāo)準(zhǔn)為：

其中,hx為構(gòu)件的截面高度。

在本文的有限元分析中增加一條判斷標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)認(rèn)為有限元軟件Ansys在分析過程中發(fā)散時認(rèn)為構(gòu)件達到承載力極限狀態(tài)。

2 材料參數(shù)

材料的基本特性為：鋼材材料取Q235鋼材,屈服強度為235 MPa(根據(jù)文獻[1]規(guī)定,在進行結(jié)構(gòu)抗火分析中,構(gòu)件的抗力取材料屈服強度的標(biāo)準(zhǔn)值);彈性模量2.06×1011N/m2,泊松比為0.3;膨脹系數(shù)為αs=1.4×10-5/℃。鋼材的本構(gòu)模型采用理想彈塑性雙線性模型[10]。

高溫下鋼材屈服強度采用ECCS[10]的建議：其中,fyT為溫度為ts時鋼材的屈服強度;fy為常溫下鋼材的屈服強度;ts為鋼材溫度。

3 計算結(jié)果分析

3.1 軸壓鋼柱繞弱軸方向的抗火承載力

在柱端施加的軸壓力(n=0.4)和溫度梯度G=1.33℃/mm作用下的截面溫度分布及變形圖,如圖3所示。截面溫度梯度G為鋼柱的上下翼緣溫差與截面高度的比值[1]。

圖3 柱繞軸失穩(wěn)破壞時的溫度分布及變形圖

從圖3看出,構(gòu)件破壞時柱的兩側(cè)翼緣沿著弱軸方向的變形不一致,從嚴(yán)格意義上來說由于溫度梯度G的存在,構(gòu)件破壞時的變形是彎扭變形,而不是單純的彎曲變形。這是因為G的存在使得靠近墻板一側(cè)的翼緣溫度低,另一側(cè)翼緣溫度高,溫度的升高使得鋼材的屈服強度和彈性模量都開始減小,這樣隨著溫度的升高,兩側(cè)翼緣繞弱軸方向的位移開始增大,但由于截面溫差G的存在,使得兩側(cè)翼緣的變形不一致,遠離墻板的一側(cè)翼緣由于溫度較高變形較大,靠近墻板一側(cè)的翼緣由于溫度較低變形較小,這樣最終構(gòu)件破壞時的變形模式為彎扭變形。

3.2 軸壓鋼柱繞強軸方向的抗火承載力

為了分析研究鋼柱繞強軸發(fā)生失穩(wěn)時的抗火承載力,對模型做了如下修改：限制鋼柱發(fā)生繞弱軸方向的位移,在柱端施加的軸壓力為NT=Npn(n=0.4),溫度梯度G=2.00℃/mm。截面變形和截面臨界溫度分布圖略。

4 計算結(jié)果比較

關(guān)于高溫下軸心受壓鋼構(gòu)件的抗火極限承載力計算,文獻[10]建議了一種方法,即認(rèn)為高溫下軸壓鋼桿的穩(wěn)定系數(shù)與常溫下相同,采用常溫下的穩(wěn)定系數(shù)與高溫下鋼材屈服強度的乘積作為高溫下軸心受壓鋼構(gòu)件的臨界應(yīng)力(極限承載應(yīng)力),但假定軸壓穩(wěn)定系數(shù)與溫度無關(guān)是不適宜的。文獻[11]中采用了一種高溫下軸心受壓穩(wěn)定系數(shù)計算的簡單方法,并給出極限承載力的驗算公式,其計算公式為：

其中,NT為火災(zāi)下構(gòu)件所受的軸壓力設(shè)計值;φT為高溫下軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù);A為柱的毛截面面積;fyT為高溫下鋼材屈服強度。

其中,ηT為高溫下鋼材強度折減系數(shù);γR為鋼材抗力系數(shù),γR=1.1。

其中,α為系數(shù),根據(jù)構(gòu)件的長細比和溫度按表1所列確定。

表1 系數(shù)α的確定

在常溫下,軸心受壓柱的極限承載力驗算公式[12]為：

本文主要研究的是火災(zāi)下的鋼柱抗火承載力分析,因此為了和火災(zāi)下的公式進行對比,將(6)式中的 f用fy來表示,即

設(shè)Np=γRN,荷載比n=NT/Np,結(jié)合(3)式和(4)式,可以得出：

本文根據(jù)文獻[11]中鋼柱的抗火極限承載力計算方法,分別計算了不同荷載比n下鋼柱破壞時的臨界溫度tL。

(1)鋼柱繞弱軸方向的穩(wěn)定承載力計算。文獻[11]計算結(jié)果與有限元結(jié)果的對比,見表2所列。

表2 鋼柱繞弱軸方向時的tL對比 ℃

(2)鋼柱繞強軸方向的穩(wěn)定承載力計算。文獻[11]計算結(jié)果與有限元結(jié)果的對比,見表3所列。

表3 鋼柱繞強軸方向時的tL對比 ℃

(3)比較結(jié)果。由上面計算結(jié)果的對比可以看出,有限元Ansys計算得到的臨界溫度與文獻[11]計算得到的臨界溫度很接近,因此可以驗證有限元分析是可靠的,可以用來分析有溫度梯度G的鋼柱截面[1]。

5 參數(shù)分析

5.1 不同參數(shù)對截面臨界溫度tL的影響

(1)荷載比n對截面臨界溫度tL的影響。鋼柱分別繞弱軸和強軸方向發(fā)生失穩(wěn),研究某一溫度梯度G下不同荷載比n對于截面臨界溫度tL的影響 。荷載比 n 變化范圍為 0.3、0.4、0.5、0.6 和0.7,計算結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出,不同的荷載比n對于鋼柱截面臨界溫度tL的影響較大,隨著荷載比n的增大,截面的臨界溫度tL隨著減小。

(2)溫度梯度G對截面臨界溫度tL的影響。本文在荷載比n給定的情況下分析不同溫度梯度G對于截面臨界溫度tL的影響,溫度梯度G的變化范 圍 為 0、0.33、0.67、1.00、1.33、1.67 和2.00℃/mm,計算結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出,溫度梯度G對于截面臨界溫度tL有不利的影響,在計算鋼柱截面臨界溫度tL必須考慮溫度梯度G,文獻[11]中不考慮溫度梯度G對臨界溫度tL的影響是偏于不安全的。

圖4 鋼柱繞軸失穩(wěn)n-tL關(guān)系

圖5 鋼柱繞軸失穩(wěn)G-tL關(guān)系

5.2 不同參數(shù)對截面溫差影響系數(shù)β的影響

從上述分析中看出,溫度梯度G的存在使得截面承載力降低,因此為了考慮溫度梯度G的影響,在(8)式中引入了截面溫差影響系數(shù) β,即

當(dāng)截面溫度均勻分布時(即G=0),β=1;當(dāng)G≠0時,β＜1。截面中的β值越小則對截面臨界溫度tL越不利。

(1)荷載比n對截面溫差影響系數(shù)β的影響,如圖6所示。

圖6 鋼柱繞軸失穩(wěn)n-β關(guān)系

從圖6可以看出截面溫差影響系數(shù)β在相同溫度梯度G下隨著荷載比n的增大而增大。

(2)溫度梯度G對截面溫差影響系數(shù)β的影響,如圖7所示。

圖7 鋼柱繞軸失穩(wěn)G-β關(guān)系

從圖7可以看出,截面溫差影響系數(shù)β在相同荷載比n下隨著溫度梯度G的增大而減小;同時在荷載比n=0.3和n=0.4這2條曲線幾乎是重合的。這可能是因為荷載比較小的時候,溫度梯度G引起的熱彎曲應(yīng)力也小的原因。

6 結(jié) 論

通過對有ALC墻板連接的高頻焊接H型鋼柱抗火承載力的有限元分析研究,可以得出如下結(jié)論。

(1)在一定的荷載比下,鋼柱截面溫度不均勻(在本文中主要是溫度梯度G)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力降低了鋼柱的抗火承載力,不考慮截面溫度不均勻的計算結(jié)果將偏于不安全(現(xiàn)有的規(guī)范或規(guī)程中不考慮截面溫度不均勻分布)。

(2)荷載比是影響構(gòu)件抗火承載力的重要因素,荷載比的大小將直接決定截面的臨界溫度。

(3)在鋼柱繞弱軸發(fā)生失穩(wěn)時,溫度梯度G的存在將會使得構(gòu)件的變形從彎曲變形變?yōu)閺澟ぷ冃巍?/p>

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