建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究

方 垒,徐伟良

(1.杭州消防支队滨江大队浦沿中队,浙江杭州,310053;2.浙江工业大学建工学院,浙江杭州,310014)

建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究

方 垒1,徐伟良2

(1.杭州消防支队滨江大队浦沿中队,浙江杭州,310053;2.浙江工业大学建工学院,浙江杭州,310014)

首先有针对性地对当前国内外建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究背景做了较系统分析,接着,通过有限元程序,对当前应用非常广泛的半刚接门式刚架建筑在火灾高温下的受力性能进行了整体结构非线性分析。计算结果表明:随着温度的升高,钢构件节点的刚度不断下降,当节点的刚度下降到不能约束与其连接的梁柱构件时,结构将发生突然坍塌性破坏;由于在高温下钢材的屈服强度下降较快,半刚性连接性能虽然能使梁柱节点处的受力性能改善,但不能提高整体结构的临界温度。

钢构件;防火性能;抗火设计;有限元;刚度;临界温度

0 引言

21世纪的今天,随着经济社会的快速发展,城市人口持续增多,土地资源日益紧缺,促使城市建筑逐步向高空发展,而钢结构由于自身的综合优势—自重轻,承载力高,抗震性能好,工业化程度高,施工周期短,越来越受到设计师、房产开发商的青睐,钢结构建筑也如雨后春笋般在城市中不断涌现,有的城市标志性建筑都采用了钢结构建筑,如法国的埃菲尔铁塔、美国的世贸大楼、纽约的帝国大厦、中国上海的金茂大厦等。

最近二十年里,钢结构在我国得到广泛的应用,一些大型的工业厂房、体育场馆都是用钢结构建成的,在商业、住宅用房也有应用。这些都归功于钢结构具有自重轻、施工快、抗震性能好及可以标准化生产等特点。但钢结构的一个致命弱点是耐火性能差,就是高温下钢材的性能会变化很大,当温度在400℃的时候,钢材的屈服强度降低至室温的一半,温度达到600℃的时候,钢材基本上丧失全部强度和刚度,而一般火场的温度达到800℃～1000℃,所以对于未采取防火措施的钢结构,一旦发生火灾,结构很容易发生破坏。由此可见,结构的抗火安全形势十分严峻,对建筑钢结构抗火性能的研究已经成为工程界非常突出的问题。

1 国内外的研究概况和发展趋势

1.1 国内外的研究现状

国际上从20世纪50年代开始重视结构抗火研究,但以结构分析的方法进行钢结构抗火性能的研究始于 1970年。90年代初,英国建筑研究院(BRE)在Cardington对一幢8层足尺钢框架建筑模型做了6组火灾实验,得到了许多具有开创意义的结果[1],认识到,对于独立的钢结构构件和结构中受约束的钢构件而言,两者的抗火性能有显著的差别,在多数情况下,后者具有更好的抗火能力。在大量理论和试验研究的基础上,英国、日本、澳大利亚、欧盟等国家或国际组织都专门编制了钢结构和钢-混凝土组合结构的抗火设计规范,或在钢结构和钢-混凝土组合结构的设计规范中规定了抗火设计内容。由此钢结构和组合结构抗火从研究已步入工程实用阶段。

我国钢结构抗火设计研究起步较晚,20世纪90年代同济大学在总结国内外有关钢结构抗火研究的基础上,并根据我国结构钢的特性,比较系统的研究了高温下结构钢的性能。其研究工作主要有:高温钢材特性、各类钢构件、高温螺栓连接节点和钢框架结构抗火性能的理论和实验研究。20世纪90年代中后期,同济大学、哈尔滨建筑大学等单位开展了钢-混凝土组合结构的抗火研究。现在国内已有越来越多的单位从事钢结构的抗火研究,使得国内钢结构抗火研究的水平与国际水平接近,在有的方面已与国际先进水平一致[2]。

1.2 国外钢结构构件抗火性能的研究成果

国外对钢结构抗火性能的理论和试验研究开展的比较早,研究对象包括构件、节点和整体结构等。在研究的早期阶段,研究人员的工作主要集中在结构钢的材性和单根构件的抗火性能分析。Pentti Makelaninen等[3,4]采用瞬态抗拉实验方法(恒载加温)分别对S420M与S355结构钢在高温下的材料性能作了全面系统的试验研究,并将稳态抗拉实验方法(恒温加载)所得结果与瞬态抗拉实验方法所得结果进行了比较,以验证实验结果的正确性。Asif Usmani[5]给出了单根构件火灾下分析的一些基本要素,并给出了考虑不同约束,不同温度梯度和荷载分布的简单计算公式。Wang Y.C[6]分析了火灾下整体结构中梁柱的反应,提出了以整体结构为抗火分析对象的必要性,Najjar.S.R等[7]以钢框架在常温下的二维分析为基础,将其延伸到三维火灾下的钢框架分析中去,经过实际构件的实验结果与程序分析结果进行比较,吻合较好,说明这种方法对三维火灾下钢框架分析的可行性。总之,目前对结构钢的材性和单根构件的抗火性能分析己经比较成熟,对整体结构和节点连接的抗火性能分析尚待进一步深入。

1.3 国内钢结构构件抗火性能的研究成果

国内对钢结构抗火性能的理论和试验研究也做了很多工作,早在上个世纪八十年代末,同济大学、清华大学和一些钢结构公司对Q235和Q345结构钢、檩条用钢SM41、20MnTiB高强度螺栓等,在高温下的弹性模量、屈服强度、延伸率、应力—应变关系进行了较为系统的试验研究。同济大学李国强教授的课题组对钢梁、钢柱、高强螺栓连接和钢框架的抗火性能作了大量的理论和试验研究,取得了一定的成果,并在此基础上编制了我国第一本地方性钢结构抗火法规——《建筑钢结构防火技术规程》(DG/TJ08-008-2000)。以下是国内一些学者对钢结构及其组件抗火性能的研究成果:

李国强等[8,9]系统地介绍了钢结构及钢—混凝土组合结构抗火设计的基础知识、基本原理和实用方法。

赵金城等[10]为了分析高温下钢材力学性能的变化对结构抗火性能的影响,对基于不同材性模型下的结构分析结果进行了比较,结果表明,结构抗火分析结果的精确性很大程度上依赖于所采用的高温下材料的应力-应变关系。

黄钰倩等[11]应用ANSYS程序,针对门式钢刚架结构,变化各种参数,进行了不同算例的结构整体抗火临界温度的计算。

2 门式刚架整体结构分析有限元模型

本文尝试用有限元分析程序ANSYS中的弹簧单元模拟门式刚架梁柱端板连接节点的弯矩-转角(M-θ)非线性关系,以对梁柱端板连接节点进行简化,梁柱采用两节点梁单元BEAM188;梁柱之间的连接关系用非线性弹簧单元COMBINE39。这样既可以降低计算难度,减少单元数量,又可以将连接节点的非线性特性考虑在整体结构计算模型中,王兴武[12]采用此类方法模拟梁柱节点,获得了较好的效果。

2.1 材料本构模型

分析模型中的梁、柱在常温下的弹性模量均为2.06E5MPa,泊松比为0.3,但在高温下结构钢的弹性模量和屈服强度采用欧洲钢结构协会(ECCS)建议的计算公式[4]:

高温下材料的本构关系如图1、2所示[4],钢的热膨胀系数取常数αs=1.4×10-5m/(m℃),在整体结构的弹塑性分析中,按照三线性等向强化理论考虑,并采用Von Mises屈服准则。

图1 高温下高强螺栓的本构关系Fig.1 Constitutive relationship of high-strength bolts at high temperatures

图2 高温下普通结构钢的本构关系Fig.2 Constitutive relationship of ordinary steel at high temperatures

2.2 有限元分析模型

图3所示为一单跨门式刚架结构有限元分析的计算简图[13],柱脚铰接,梁柱连接的非线性应用COMBIN39单元进行模拟,单元的实常数如表1所示。相关尺寸参数按下列常用数值取用:跨度20 m,柱距6 m,檐口高度6 m,屋面坡度1:10,屋面均布荷载q=10 kN/m。柱尺寸 H400 mm×200 mm×8 mm×10 mm,梁尺寸为 H400 mm×200 mm×6 mm×8 mm,且均为等截面 H型钢。

本文为研究在高温下节点半刚性对门式刚架整体受力性能的影响,建立四个有限元分析模型,梁梁节点全为刚接。模型一:梁柱节点为刚接;模型二:梁柱节点为半刚性(节点半刚性应用COMBIN39进行模拟,其实常数如表1所示);模型三:梁柱节点为半刚性(节点半刚性应用COMBIN39进行模拟,其实常数为表1所示的刚度进行折减0.6倍);模型四:梁柱节点为半刚性(节点应用COMBIN39进行模拟,其实常数为表1所示的刚度进行折减0.2倍)。

图3 单跨门式刚架计算简图及节点连接Fig.3 Diagram and node calculation connection for single span door type frame

2.3 端板连接节点刚度

1990年,N.Kishi,Y.Goto等人[14]对分别采用两种端板连接形式的单跨1-3层门式框架进行了试验研究,获得节点弯矩与节点初始刚度、节点水平位移与节点初始刚度的关系,最后得出结论:

(1)平齐式端板连接节点的初始刚度:

属于半刚性节点。

(2)外伸式端板连接节点的初始刚度:

可看作刚性节点,若其初始刚度:

则属于半刚性节点。

本文中试件连接的初始刚度为 Rki=2.62×104KN·m/rad,因此试件连接属于半刚性节点。

表1 常温下梁柱连接节点的弯矩-转角关系Table 1 Moment-rotation relationship for beam-column joints at normal temperatures

3 门式刚架整体结构有限元分析结果的比较

本文采用的火灾下结构破坏的准则:

本文认为出现以下一种或者几种情况同时出现,即认为结构发生破坏。

(1)柱失稳;(2)梁跨中相对位移超过跨度的1/25;(3)结构或构件的特征变形大于L2/400hx。

加载方法:先进行静力分析,然后分多个荷载步读入热分析结果文件实现温度荷载的施加。

图4 绕Y轴旋转的弯矩图Fig.4 Moment redistribution around Y axis

图4为绕 Y轴旋转的弯矩图,常温与高温下破坏时的梁梁节点Mises屈服应力云图分别如图5、图6所示,常温与高温下破坏时的梁柱节点Mises屈服应力云图分别如图7、图8所示,图9为跨中挠度曲线图,表2为模型结果分析表。

如图4所示,由于模型一的梁柱连接为刚接、模型二和模型三的梁柱连接为半刚性连接,模型一在梁柱节点处的弯矩比模型二和模型三的梁柱节点处的弯矩大,在梁梁节点处的弯矩则是模型二和模型三比模型一大。由于此单跨门式刚架为一次超静定结构,模型四的梁柱节点刚度比较小,约束强度不够,使结构整体强度大大下降,因此模型四在常温下就破坏了。

图5 常温下梁梁节点Mises屈服应力云图Fig.5 Mises yield stress cloud pictures for beam-beam joints at normal temperatures

图6 高温破坏时梁梁节点Mises屈服应力云图Fig.6 Mises yield stress cloud pictures for beam-beam joints which are destroyed at high temperatures

图7 常温下梁柱节点Mises屈服应力云图Fig.7 Mises yield stress cloud pictures for beam-column joints at normal temperatures

图8 高温破坏时梁柱节点Mises屈服应力云图Fig.8 Mises yield stress cloud picture for beam-column joints which are destroyed at high temperatures

图9 跨中的挠度曲线Fig.9 Span deflection curves

如图5至图8所示,在常温下,模型一在梁柱节点处的应力比模型二和模型三在梁柱节点处的应力大,在梁梁节点处的应力则是模型二和模型三比模型一大。因此,模型一的破坏形式为梁柱节点处破坏而造成结构整体失效,模型二和模型三的破坏形式为跨中梁梁节点处破坏而造成结构整体失效。在高温下,结构应力发生重分布,模型一由于跨中梁梁节点处部分屈服和梁柱节点处全截面屈服而造成结构整体失效,模型二和模型三由于跨中梁梁节点处部分屈服和梁柱节点处部分屈服而造成结构整体失效。

如图9所示,模型二和模型三的跨中挠度比模型一的挠度大,这说明梁柱节点刚接比梁柱节点半刚性连接的整体刚度要大。

由表2可知,节点连接刚度的不同造成结构弯矩和应力分布的不同,节点的刚度对整体结构抗火临界温度几乎没有影响,但节点的刚度必须能够对梁柱提供足够的约束,否则,由于结构约束不足,使结构过早破坏。

表2 四个模型结果分析表Table 2 Analysis results for four models

4 结 论

在结构整体数值模拟分析中,为了既减少半刚性连接节点的节点数和单元数,又保留连接节点的非线性特性,本文将梁柱端板节点整体模型进行了简化。用ANSYS中的弹簧单元模拟梁柱端板连接节点的非线性关系,通过对单元实常数赋值来确定连接节点弯矩-转角关系(M-θ)的非线性特性。根据梁柱节点连接刚度不同建立四个模型,并将四个模型的模拟结果进行了分析比较,得到如下结论:

(1)随着温度的升高,节点的刚度下降,当节点的刚度下降到不能约束与其连接的梁柱时,结构将发生突然坍塌性破坏。

(2)在高温下刚性与半刚性连接节点的破坏形式有所区别,当梁柱连接为刚接时,梁梁与梁柱节点同时破坏;当梁柱连接为半刚性连接时,梁柱节点处的受力性能得到改善,梁梁首先破坏。

(3)在高温下钢材的屈服强度下降较快,半刚性连接虽然能使梁柱节点处的受力性能改善,但不能提高整体结构的临界温度。

通过理论研究与有限元软件模拟钢结构建筑抗火设计的综合分析,得出的结论对消防部门在扑救钢结构建筑火灾中具有重要的指导意义,也为进一步深入对建筑钢结构中钢构件的防火性能与抗火设计研究打下扎实的理论研究基础,为下一步更好的研究和探索钢结构建筑受火作用下的受力性能奠定良好的基础。

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Research on fire performance and fire resistance design of steel members in construction steel structures

FANG Lei1,XU Wei-liang2

(1.Hangzhou Binjiang Fire Team,Zhe Jiang,310053,China;
2.Zhejiang University Institute of Construction,Zhe Jiang,310014,China)

This paper first makes a summary on the current research status for the fire performance and fire resistance design of construction steel structure steel members,and then,it uses a finite element program to conduct a nonlinear analysis on the mechanical properties of the overall structure for the door type frame construction under high temperatures in fire.The results show that,with the increase of temperature,the stiffness of the steel members node decreases.When the stiffness of the node is not enough to support the structure constraint for the connected beam-column components,the structure will collapse.Due to that in high temperatures the strength of the steel decreases quickly,although the semi-rigid connection performance can improve the mechanical properties for the beam-column joints,the critical temperature for the failure of the overall structure could not be increased.

Steel structures;Fire performance;Fire resistance design;Finite element;Stiffness;Critical temperature

TU

A

1004-5309(2011)-0146-06

2011-05-24;修改日期:2011-06-27

方垒,男,汉族,助理工程师,杭州消防支队滨江大队浦沿中队副中队长,从事钢结构及其大跨度结构研究。