李雪微，黃 凱，徐 蕾

(大連民族大學 土木工程學院，遼寧 大連116650)

火災是最嚴重、最頻發(fā)的災害之一。其中建筑火災更是對人們的生命財產造成嚴重的危害，所以對于建筑結構的抗火性能研究尤為重要。數十年來，研究人員對各類構件、節(jié)點以及框架結構的耐火性能進行了一系列的研究。例如章晴雯[1]利用ABAQUS軟件對型鋼混凝土柱進行了溫度場分析，重點研究受火后柱的溫度分布特點及其主要影響因素。呂俊利等[2]針對處于實際框架中的組合梁的耐火性能開展了火災試驗。Hong，Varma[3]對鋼管混凝土柱的抗火性能進行了有限元分析。結果表明，隨著鋼材屈服強度、含鋼率以及截面高寬比的增加，耐火極限有降低的趨勢。馬云玲，白曉紅等[4]分析了在五種不同的受火條件下，三跨鋼筋混凝土連續(xù)梁的混凝土與鋼筋的應力、梁的變形以及位移變化情況。在真實火災下框架結構的耐火性能研究方面，韓林海等[5]進行了鋼管混凝土柱-鋼筋混凝土梁組合平面框架的真實火災試驗。得出結論：受火時，梁受節(jié)點區(qū)域的約束作用，引起懸鏈線效應，加劇了受力柱的重力二階效應，從而使得柱先發(fā)生破壞；火災結束后，梁底部冷卻收縮易產生裂縫。

目前國內外對結構的耐火性能研究方面取得了大量的研究成果，許多研究成果在工程中得到廣泛的應用，但是對真實火災下鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結構耐火性能的研究還很少見，因此本文利用ABAQUS有限元平臺對這類結構在真實火災場下的整體耐火性能進行初探，獲得真實火災場中不同受火工況下框架結構中梁的跨中撓度變形，框架節(jié)點豎向位移和水平位移，構件的應力變形分析等參數，以此得到框架結構的耐火極限，并與標準火災場下的耐火極限進行對比分析。

1 有限元模型建立

1.1 鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結構模型

以某民用建筑為研究背景，采用其中三層兩跨的框架結構模型，其中該結構的各構件截面尺寸分別為，鋼筋混凝凝土柱：500 mm×500 mm，鋼梁：450 mm×200 mm×9 mm×14 mm，層高為3 m，跨度為6 m，鋼材均選取Q345鋼，混凝土的強度等級為C35?？蚣苣Ｐ凸?jié)點設計圖如圖1。

圖1 框架節(jié)點設計圖

Z1Z2Z3為柱，N1N2N3分別為柱頂所受的集中荷載，q為梁所受均布荷載，荷載工況見表1。框架梁設置3處不同的測點位置，測點位置如圖2。其中ABC三點為框架梁柱節(jié)點設計處，DE為梁的跨中，受火工況如圖3。受火工況分為三種，分別是一層受火(I區(qū)域)、二層受火(Ⅱ區(qū)域)、三層受火(Ⅲ區(qū)域)，節(jié)點設計參考文獻[6]。

圖2 鋼梁截面測點圖

表1 荷載工況

a)Ⅰ區(qū)域 b)Ⅱ區(qū)域 c)Ⅲ區(qū)域圖3 不同火災工況

1.2 溫度場模型

本文通過ABAQUS先建立鋼筋混凝土柱-鋼梁框架結構的溫度場模型，根據框架尺寸和不同受火工況建立相關模型部件及材料信息，其中邊柱三面受火，中柱四面受火，鋼梁上翼緣背火，上翼緣以下均受火，受火面熱輻射系數0.5，輻射系數分布一致，表面熱交換膜層散熱系數25。鋼梁和鋼筋混凝凝土柱之間用Tie綁定，鋼筋骨架embed嵌入混凝土區(qū)域，混凝土部件選用DC3D8實體單元，鋼筋骨架選用DC1D2單元。環(huán)境溫度分別按標準溫度曲線和FDS模擬的真實火災下溫度曲線來進行對比。FDS模擬真實火災溫度曲線和標準溫度曲線如圖4～5。

圖4 FDS模擬真實火災溫度-時間曲線圖

圖5 標準溫度-時間曲線

1.3 力學模型

建立力學模型，將溫度場模型計算的結果數據庫文件導入力學模型的預定義場。鋼梁和鋼筋混凝凝土柱之間仍用Tie綁定，鋼筋骨架embed嵌入混凝土區(qū)域，鋼梁和柱之間接觸采用面與面接觸，鋼梁為從表面，柱為主表面，摩擦包括法向行為和切向行為，法向行為采用“硬接觸”，切向行為采用庫倫摩擦，罰函數，摩擦系數取0.6。在此力學分析中，柱上端只允許豎直位移和平面內轉動，柱下端只允許平面內轉動；梁端限制平面外運動。柱上端通過參考點耦合施加集中力，每根梁上表面通過Pressure施加均布荷載。實體部件網格選用C3D8R實體單元，鋼筋骨架選用T3D2桁架單元。

2 抗火性能分析

2.1 溫度場分析

分別將兩種溫度曲線引入到溫度場計算中，3種工況框架的整體溫度場分布云圖如圖6。梁ABC各測點的溫度曲線變化如圖7、圖8。

圖8 鋼梁溫度-時間關系曲線(ISO)

以I區(qū)域底層受火為例，展示了鋼梁在FDS模擬的真實火災溫度曲線和ISO標準升溫曲線下的三處測點溫度-時間變化圖如圖7、圖8。FDS曲線下先上升之后降溫到400℃后趨于平緩。而ISO曲線下三個測點整體趨勢基本保持一致，整體呈上升趨勢。由圖可以看出，測點B即鋼梁腹板溫度最高，測點C即鋼梁下翼緣溫度最低。邊柱三面受火柱和中柱四面受火柱溫度場分布云圖如圖9、圖10。可以看出四面受火柱由四面結點溫度最高，向內結點溫度逐漸呈降低趨勢，柱芯溫度最低，分布均勻。三面受火柱由受火的三面溫度最高，不受火面和柱芯溫度最低。

圖9 三面受火柱溫度場分布云圖

圖10 四面受火柱溫度場分布云圖

2.2 力學模型分析

將溫度場計算出來不同受火工況結果數據庫溫度文件引入力學模型，并設置好相應的參數和部件模型，計算得到組合框架不同受火工況的力學模型變形云圖如圖11?；馂哪M的溫度場數據各受火區(qū)域對于框架的破壞主要集中在鋼梁的跨中變形破壞，而柱在整個過程中幾乎沒有發(fā)生變形，這是因為鋼材的熱膨脹系數比混凝土大，所以在此變形云圖中，鋼梁跨中呈現的變形最大，處于紅色中心區(qū)，鋼梁由中心向兩邊逐漸降低變形度。

a)Ⅰ區(qū)域 b)Ⅱ區(qū)域 c)Ⅲ區(qū)域圖11 框架結構變形云圖

2.2.1 梁跨中撓度變形及應力分析

(1)鋼梁跨中撓度曲線。組合框架鋼梁的跨中撓度曲線如圖12。D點、E點分別為梁跨中左右側面中點。FDS曲線下是跨中撓度處于Ⅲ區(qū)域時最大，ISO曲線下處于Ⅱ區(qū)域時最大，且兩邊梁D、E點變化基本一致。ISO曲線下D點、E點跨中撓度變化最為一致，幾乎重疊為一條直線，跨中最大位移為295.7 mm。FDS和ISO曲線下梁跨中位移見表2。

a)Ⅰ區(qū)域(FDS) b)Ⅰ區(qū)域(ISO)

c)Ⅱ區(qū)域(FDS) d)Ⅱ區(qū)域(ISO)

e)Ⅲ區(qū)域(FDS) f)Ⅲ區(qū)域(ISO)圖12 鋼梁跨中撓度-時間關系曲線

表2 各區(qū)域梁跨中位移 /mm

根據《建筑構件耐火試驗標準》(GB/T9978-2008)[7]，當梁、板最大撓度達到撓度變形量超過 L/30(mm)后(L 為梁板計算跨度)，即可判斷梁達到耐火極限。由曲線圖和計算結果表可知如下結論，FDS曲線下Ⅲ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域都未達到耐火極限；ISO曲線下Ⅱ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ區(qū)域未達到耐火極限，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域達到耐火極限，耐火極限=8 690s=2.41 h。

(2)鋼梁應力分析。鋼梁在I區(qū)域受火時，測點A、B、C三點應力-時間變化曲線如圖13～14。FDS曲線下應力發(fā)生變化較大，ISO曲線下是先上升再趨于平緩的趨勢。鋼梁腹板火災下應力變化最大，且在真實火災下比ISO曲線下應力變化更大。FDS曲線下，測點A對應的屈服強度為263 MPa，測點B對應的屈服強度為287 MPa，測點C對應的屈服強度為244 MPa。ISO曲線下測點A對應的屈服強度為267 MPa，測點B對應的屈服強度為267 MPa，測點C對應的屈服強度為263 MPa。

圖13 鋼梁應力-時間關系曲線(FDS)

圖14 鋼梁應力-時間關系曲線(ISO)

2.2.2 柱頂豎向位移

柱頂豎向位移變化圖如圖15，圖中各曲線測點如圖1。A點、B點、C點分別為左邊柱、中柱、右邊柱所在測點。由上圖可知，在這兩種溫度曲線下各柱均發(fā)生了膨脹位移，其中測點B即中柱Z2的膨脹位移要明顯大于測點AC，因為受火時中柱溫度最高，且為四面受火柱，所以發(fā)生的膨脹位移最大。FDS曲線下，在急速升溫階段，豎向位移迅速增加，在緩慢降溫階段位移逐漸減少，ISO曲線下豎向位移逐漸增加。

a)Ⅰ區(qū)域(FDS) b)Ⅰ區(qū)域(ISO)

c)Ⅱ區(qū)域(FDS) d)Ⅱ區(qū)域(ISO)

e)Ⅲ區(qū)域(FDS) f)Ⅲ區(qū)域(ISO)圖15 柱頂豎向位移-時間關系曲線

根據《建筑構件耐火試驗標準》(GB/T9978-2008)[8],當柱沿長度方向壓縮變形超過 H/100(mm)(H為柱的受火高度)，即可判斷柱達到耐火極限。由上分析可知如下結論，兩種曲線下I區(qū)域豎向位移最大，FDS曲線下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域均未達到耐火極限，ISO曲線下，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域未達到耐火極限，I區(qū)域測點B達到耐火極限，耐火極限=3808 s=1.05 h。各區(qū)域柱頂豎向位移見表3。

表3 各區(qū)域柱頂豎向位移 /mm

2.2.3 梁柱節(jié)點水平位移

兩種溫度曲線下，水平位移由于中柱四面受火，邊柱三面受火，呈對稱分布。Ⅱ區(qū)域水平位移變化最大，在多層框架結構受火時，可以增加中間層的保護層厚度，以達到更好的抗火效果，如圖16。

a)Ⅰ區(qū)域(FDS) b)Ⅰ區(qū)域(ISO)

c)Ⅱ區(qū)域(FDS) d)Ⅱ區(qū)域(ISO)

e)Ⅲ區(qū)域(FDS) f)Ⅲ區(qū)域(ISO)圖16 梁柱節(jié)點水平位移-時間關系曲線

3 結 論

通過ABAQUS軟件對鋼筋混凝土柱-鋼梁組合框架建立溫度場和力學模型，得到溫度場溫度變化云圖和應力云圖，分析框架結構在真實火災下的耐火性能，梁柱節(jié)點豎向位移、水平位移以及梁跨中撓度變化、應力變化等，并對比ISO標準升溫曲線與真實火災曲線數據下，各項參數的不同點，得到以下結論：

(1)梁跨中撓度。FDS曲線下Ⅲ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域均未達到耐火極限；ISO曲線下Ⅱ區(qū)域梁的跨中撓度變化最大，I區(qū)域未達到耐火極限，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域達到耐火極限，耐火極限=8690 s=2.41 h。

(2)鋼梁應力。鋼梁腹板火災下應力變化最大，且在真實火災下比ISO曲線下應力變化更大。

(3)柱頂豎向位移。兩種曲線下I區(qū)域豎向位移最大，FDS曲線下I、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域均未達到耐火極限，ISO曲線下，Ⅱ、Ⅲ區(qū)域未達到耐火極限，I區(qū)域測點B達到耐火極限。

(4)梁柱節(jié)點水平位移。兩種溫度曲線下，水平位移由于中柱四面受火，邊柱三面受火，呈對稱分布。Ⅱ區(qū)域水平位移變化最大。