米琳琳 張瀚天 姜 靜

（1.牡丹江大學土木工程學院，黑龍江 牡丹江 157011；2.佳木斯大學建筑工程學院，黑龍江 佳木斯 154000）

1 引言

20世紀初，國外已開始對鋼結(jié)構抗火性能進行研究，各國專家對火災下鋼構件和鋼結(jié)構整體進行抗火性能的試驗研究和模擬分析，取得了一定的研究成果。[1]-[3]我國對鋼結(jié)構抗火研究起步較晚，隨著鋼結(jié)構的廣泛應用，經(jīng)過學者們的不懈努力，我國關于鋼材耐火時間、判斷抗火失效準則等研究逐漸成熟。但是，對于鋼板剪力墻抗火性能的研究較少，這直接影響整個結(jié)構安全性，更影響鋼板剪力墻在實際工程中的應用。本文應用ABAQUS有限元軟件建立三層三跨鋼框架內(nèi)嵌鋼板剪力墻結(jié)構，研究不同位置起火對整個結(jié)構抗火性能的影響，找出受火最不利位置和薄弱構件，為抗火設計提供參考。

2 有限元方法及驗證

本文應用有限元軟件ABAQUS模擬文獻[4]中單層鋼框架火災試驗，溫度按ISO-834標準升溫曲線加載，ISO-834標準升溫曲線見圖1。

圖1 ISO-834標準升溫曲線

對比模擬結(jié)果與試驗結(jié)果（見圖2-圖4）發(fā)現(xiàn)趨勢上吻合較好，說明應用ABAQUS軟件模擬鋼結(jié)構抗火性能的可行性。溫度最大誤差在測點5的10min，誤差最大為33%，誤差原因是試驗初始溫度高于室溫，在試驗過程中試驗爐內(nèi)采用燃油點燃噴火裝置，雖然升溫采用的是ISO-834升溫曲線，但爐內(nèi)溫度仍是高于升溫曲線。柱頂側(cè)向位移最大誤差為25%，造成誤差的原因主要是模擬與試驗的溫度誤差導致產(chǎn)生的應力大小不同，此外鋼材含碳量、構件初始缺陷等也影響結(jié)果。

圖2 柱溫度-時間曲線

圖3 梁溫度-時間曲線

圖4 柱頂側(cè)向位移-溫度曲線

3 有限元分析

建立三層三跨鋼框架內(nèi)嵌鋼板剪力墻結(jié)構，層高3m，跨度5.4m，鋼板尺寸5×2.64×0.01m，梁截面尺寸H360×200×10×15.8mm，柱截面尺寸H400×300×13.5×24mm，鋼材均采用Q235。對梁柱連接節(jié)點以及梁腹板限制平面外位移，梁上作用有均布荷載39kN/m，軸壓比0.4。假設材料為理想彈塑性體，鋼材容重7850kg/m3，初始彈性模量2.06×105MPa，泊松比0.3，屈服強度290MPa。鋼材的熱工性能按歐洲規(guī)范選取，[5][6]力學性能按李國強教授[7]給出的公式選取。鋼板單面受火，初始溫度為20℃，按ISO-834標準升溫曲線加載，加熱1500s。

為研究不同位置受火對整個結(jié)構抗火性能的影響，由于結(jié)構具有對稱性，因此建立六種工況，鋼板單面受火，工況設置見圖5，對比分析火災下六種工況結(jié)構變形（梁撓度、柱側(cè)向位移）和內(nèi)力變化（鋼板應力）。

圖5 工況1-工況6受火示意圖

火災下，判斷鋼結(jié)構整體達到極限承載力標準為：

（1）結(jié)構喪失整體穩(wěn)定性；

（2）結(jié)構達到不適合繼續(xù)承載的變形，計算公式如下：

從火災發(fā)生到結(jié)構構件或結(jié)構整體達到極限承載狀態(tài)所用時間即為結(jié)構構件或結(jié)構整體的耐火時間。本文梁撓度限值；柱側(cè)向位移限值，即當梁撓度、柱側(cè)向位移超過對應極限值時，視為構件破壞或結(jié)構失穩(wěn)。

4 結(jié)構分析

4.1 梁撓度分析

鋼梁在常溫下無明顯變形，但隨著溫度的升高，梁撓度呈非線性變化。從圖6可知工況1、2、4、5變形趨勢一致，工況3、6趨勢一致且變形最大，這是因為工況3、6直接與梁連接，鋼板受熱膨脹對梁產(chǎn)生向上推力，撓度增大塑性增強。當鋼板溫度升到一定時，溫度開始由高溫部位向低溫部位傳遞，同時兩側(cè)鋼柱有側(cè)向位移對梁產(chǎn)生拉力抑制梁的變形。工況3、6達到變形極限0.02m時，對應的破壞時間分別是675s、608s，根據(jù)失效標準當起火點位于工況3、6時對結(jié)構最不利，梁構件破壞是由于鋼板膨脹變形導致的，雖然整個結(jié)構仍然保持受力狀態(tài)并未失穩(wěn)，但也應加強梁構件和鋼板的防火保護。

圖6 不同工況梁撓度曲線圖

圖7 不同工況柱側(cè)向位移曲線圖

4.2 柱側(cè)向位移分析

剛度隨溫度的升高而降低，從圖7可知柱側(cè)向變形越來越大，工況1、2、3變形趨勢一致且側(cè)向變形最大，原因是工況1-3位于邊跨，柱左側(cè)缺少約束，尤其是工況3位于頂層邊跨，缺少上部和左側(cè)的約束作用使得柱側(cè)向變形最大，隨著時間增長曲線有變緩趨勢說明鋼板升溫到一定時，溫度將從高溫鋼板向周圍低溫構件傳遞，鋼板膨脹變形減弱，此時柱變形趨于穩(wěn)定，側(cè)向位移分別為20.44mm、19.90mm、25.4mm，未達到變形極限，可繼續(xù)承載。工況4、5、6變形曲線呈先增大后減小趨勢，這是因為鋼板受熱膨脹對柱有側(cè)向推力，又對梁有向上推力，使得梁向上變形時對柱產(chǎn)生拉力，同時工況4、5、6位于結(jié)構中跨，柱變形受周圍構件約束作用。說明起火源位于邊跨，尤其是位于頂層邊跨，結(jié)構產(chǎn)生的側(cè)向位移最大，雖然沒達到柱變形極限，但柱為抗火關鍵構件，在抗火設計時仍需多加考慮。

4.3 鋼板受火面應力分析

圖8 不同時刻工況1應力分布云圖

不同工況應力變化具有相似性，選取工況1應力變化為例進行分析，見圖8。0s時結(jié)構處于室溫狀態(tài)，在外力作用下柱存在初始應力；受火初期，鋼板和鋼框架應力最大，隨著溫度升高傳熱加劇，應力重新分布并且分布比常溫復雜，受火結(jié)束時應力主要集中在梁柱節(jié)點，同時也是彎矩最大的地方，鋼板應力最小，這符合鋼板只承受水平荷載不承受豎向荷載的設計要求。由上述分析可知，梁柱節(jié)點是受火薄弱部位應加強節(jié)點保護；不同工況受火將增大相鄰間的應力，在做防火設計時應進行考慮。

5 結(jié)論

（1）高溫下梁撓度最大的是工況6即頂層中跨，破壞時間是608s；其次是工況3，位于頂層邊跨，破壞時間是675s。研究表明起火源越靠近梁，梁變形越大，對梁構件越不利。雖然整個結(jié)構仍然保持受力狀態(tài)并未失穩(wěn)，但也應加強梁構件和鋼板的防火保護。

（2）六種工況在高溫環(huán)境中，柱側(cè)向位移最大的工況1、2、3，分別為20.44mm、19.90mm、25.4mm，側(cè)向位移未達到變形極限，可繼續(xù)承載；工況4、5、6變形較小，說明變形與起火源位置和約束條件有關，邊跨受火對結(jié)構側(cè)向變形最不利。

（3）在外力作用下鋼板存在初始應力，受火初期鋼板和鋼框架應力最大，受火結(jié)束時應力主要集中在梁柱節(jié)點，節(jié)點對結(jié)構整體穩(wěn)定具有重要作用，應加強節(jié)點保護。