钢框架的抗火性能数值模拟

2012-05-23

山西建筑 2012年22期

(中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610041)

1 概述

钢结构具有轻质高强，抗震性能好，施工周期短，便于安装和拆卸等优点，因而在工程结构中被广泛地应用。但是钢结构建筑对高温十分敏感，钢材的力学基本性能如强度、弹性模量等随温度的升高显著下降。一旦建筑内发生火灾，温度迅速升高，钢结构就可能会发生破坏，造成重大经济损失。因此，对钢结构采取有效的防火保护，提高钢结构在火灾下的安全性已成为国内外的研究热点［1］。

钢结构的抗火分析是温度和应力的耦合分析，将其用于设计有一定难度。目前，国内外钢结构的抗火设计主要是基于构件设计，其设计的一般步骤为:在正常使用条件下，根据结构的实际受力进行弹性分析，求出构件的内力，再根据设计要求的耐火极限，防火涂料的性能，确定保护层的厚度。

这种设计方法存在明显的问题。首先，火灾发生后，随着温度的升高结构(超静定)的变形受到约束将产生很大的内力和变形，此时构件的内力与正常使用状态下的内力已有很大不同;其次，构件达到承载能力极限状态并不能等同于整体结构遭到破坏，结构的整体抗火更具有实际意义［2］。

2 分析模型

本文分析模型如图1所示，平面钢框架的柱距为5 500 mm，层高为3 000 mm，边柱集中力75 500 N，中柱集中力151 000 N。框架梁均布荷载25 400 N/m。由于楼板和防火墙的存在，假定仅房间ABCDE发生火灾。梁柱截面尺寸如图2所示。

图1 分析模型

图2 构件尺寸

计算中采用以下假定:

1)梁柱连接均为刚性连接，结构平面外变形受到约束;

2)单元的局部屈曲被有效防止;

3)不考虑梁柱的残余应力和初始缺陷。

3 极限状态

根据GB 50068-2001建筑结构可靠度设计统一标准中3．0．2条关于承载能力极限状态定义:结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。在用ANSYS软件分析时，可按下列条件判别［2］:

1)梁或柱失稳破坏;2)δh，δl增量改变符号(见图 3);3)δh＞h/30 或 δl＞l/30(见图3)。

图3 变形示意图

4 材料的性能

热膨胀系数 αs=1．4 ×10－5。

防火涂料的比热容 Ct=1 047 J/(kg·℃)，导热系数λt=0．1 W/(m·K)。

钢材的比热容Cs及导热系数λs采用EC3及EC4给出的公式［3］。

钢材常温下弹性模量E=2．1×e11N/mm2，屈服强度取fy=275 N/mm2。

钢材的高温弹性模量降低系数和强度降低系数采用EC3数据。

钢材的密度可取为常数:ρs=7 850 kg/m3。防火涂料的密度ρt=500 kg/m3。

5 数值模拟

本文采用了三维实体Solid70八节点六面体单元进行温度场分析，在应力分析时将Solid70转换为Solid45单元［4］。假定结构单元均由防火墙分隔，故仅分析局部发生火灾，而其他结构单元不受温度影响。发生火灾的房间内框架柱单面临火，框架梁三面临火(图2中防火涂层)。其传热过程为:室内温度按照标准火灾曲线变化，并通过对流和辐射的方式传递到梁柱表面再通过热传导在梁柱内传递。由于钢材的热工参数如导热系数、比热等是温度的函数，因此，钢结构的热分析是一个非线性瞬态问题，其传热总量为［5］:

其中，ε为综合辐射率，取0．85;σ为斯蒂芬—波尔曼常数:5．67 ×10－8W/(m2·K4);α 为对流系数，W/(m2·K4);Tg为火灾中房间内火焰流体温度。

为了便于对比和研究，本文选取常用的标准火灾曲线(ISO-834)，其表达式如下:

其中，t为时间，min;Tg为t时刻室内环境温度，℃。

本文对不同保护层厚度的框架进行了抗火分析，其结果见表1。通过分析可知:无保护层的钢框架在火灾中很容易遭到破坏，其耐火时间约为840 s，由于结构的极限状态皆为梁控制，因而对于带保护层的钢框架的耐火极限主要取决于梁的保护层厚度。在本文中梁保护层厚度为10 mm，15 mm，20 mm时，其耐火极限分别达到4 140 s，5 580 s，7 020 s。在分析的模型中，截面最高温度多在720℃左右，此时钢材的屈服强度降低系数为0．2，弹性模量降低系数约为0．1，结构的力学性能已严重破坏。