钢框架在高温作用下的失效分析①

张永生， 孟胜国， 宁世龙

(1.太原理工大学阳泉学院建筑工程系，山西 阳泉 045000;2.山西省电力勘测设计院，山西 太原 030000)

0 引言

钢结构作为一种蓬勃发展的结构体系，其优点有目共睹，但其缺点也不容忽视.除耐腐蚀性差外，耐火性差也是钢结构的一大缺点.钢结构一旦发生火灾，钢结构很容易遭受破坏而倒塌.本文以一单层单跨钢框架模型为算例，利用ANSYS软件，对钢框架在高温作用下进行了失效分析.

1 单层单跨钢框架模型建立

应用ANSY软件建立钢框架模型，具体情况如下.

(1)跨度:6m，层高:3m;

(2)梁截面:H300×200×8×12，三面受火，F/V=169;柱截面:H350×350×12×20，四面受火，F/V=117(F/V为构件的截面形状系数，为单位长度构件表面积与体积之比)[1];

(3)荷载:梁顶q=30KN/m，柱顶Q=l000KN;

(4)梁柱单元:均为Beam3单元.

2 高温下计算参数选取

(1)高温下钢材的热膨胀系数:根据ECCS建议，取高温下钢材的热膨胀系数为:

(2)密度为7850Kg/m3

(3)比热和热传导系数:根据CEN建议选用[2].

(4)高温作用下的力学模型参数:

采用CEN建议的高温下钢材应力一应变折减参数，其中Kyθ=fyθ/fp为屈服应力之比，Kpθ=fpθ/fp为比例极限之比，KEθ=Eθ/Eα为弹性模量之比.如表1所示.

表1 CEN建议的高温下钢材应力一应变折减参数[2]

3 钢框架在高温下的失效分析

3.1 高温下钢框架的破坏准则

由《建筑结构可靠度设计统一标准》中极限状态设计的原则，本文所采用的破坏准则为:

(1)柱发生破坏或梁发生整体失稳;(2)梁的跨中挠度大于梁跨度的1/30.

3.2 建立ANSY分析模型并加载求解

钢框架截面温度场的分析类型为是瞬态热分析.定义初始温度为20℃，导热系数采用前述的导热系数.变形分析分析类型为静力非线性分析.

3.3 分析结果数据

(1)粱腹板、翼缘温度随时间的变化如表2所示.

表2 梁腹板、冀缘温度随时间的变化表

(2)钢框架在高温作用下随时间的变形如图1所示，梁柱各结点的位移如表3所示.

表3 柱、梁结点位移(位移:mm;时间:min)

图1 高温作用下的破坏过程

3.4 数据分析

从图1和表3的分析数据可知:在0～20分钟之间，梁、柱有些部位变形虽较大，但没有发生破坏，到第21分钟，框架柱的局部突然发生失稳破坏，导致结构整体发生破坏，因此模型的耐火极限为20分钟.而此时梁上翼缘、腹板和下翼缘的温度分别为为166.6℃ ，661.6℃和527.1℃柱翼缘和腹板的温度为394.6℃和607.6℃，故可认为模型二梁的临界温度为527.1℃，柱的临界温度为394.6℃.

[1]中华人民共和国国家标准.建筑设计防火规范(GB50016－2012)[M].北京:中国计划出版社.

[2]Euroedoe3.Design of Steel Sturctures.Part1.2;Generalurles/Sturetural Fire Design.ENV1993 －1 －2 ，Oetober2001.

[3]蒋首超、李国强.局部火灾下钢框架温度应力的实用计算方法[J].工业建筑，2000－9.

[4]胡于进，王璋奇编著.有限元分析及应用[M].北京:清华大学出版社，2009.