火灾下钢筋混凝土托梁转换结构承载性能分析

傅传国，孔维一，王玉镯（.山东建筑大学土木工程学院，山东济南　500；.东南大学土木工程学院，江苏南京　0096）

研究论文

火灾下钢筋混凝土托梁转换结构承载性能分析

傅传国1，孔维一2，王玉镯1
（1.山东建筑大学土木工程学院，山东济南2501011；2.东南大学土木工程学院，江苏南京210096）

文章采用ABAQUS大型有限元分析软件，建立了一榀三层底部大空间钢筋混凝土托梁转换结构模型，对该转换结构模型施加标准升温及恒定竖向荷载的共同作用，进行了九种受火工况下转换结构模型随温升时间的变形规律计算，得到了转换结构模型观测点位移与标准升温时间的关系曲线。结果表明:在常温竖向力学荷载作用下产生变形的基础上，随着不同受火工况标准升温时间的增加，转换结构模型皆产生了复杂的附加变形；随着升温时间的增加，转换结构模型中底部托梁的挠度值在升温过程前期60 min内增长较快，之后逐渐减缓，就同一升温时刻引起的底部托梁的竖向挠度变形值来看，底部大空间和上部相邻层同时受火的工况四最为显著，其次是大空间上部相邻层受火的工况二和大空间受火的工况一；随着升温时间的增加，不同受火工况下转换结构模型两侧边柱的水平侧移逐渐增大，由于受火楼层横梁受火膨胀变形的作用，受火楼层横梁位置处边柱向外凸出的侧移明显大于其他楼层；对于不对称受火房间布置的工况，两侧边柱的侧移在底层托梁以上部分产生同向侧移情形，这应是构件间约束作用的结果，表明在不对称受火情形下，结构中会产生较剧烈的相互作用和内力重分布现象。

钢筋混凝土；转换结构；火灾；承载性能

0　引言

随着城市进程的加快，集住宅、办公、商场、餐饮等不同功能于一体的多功能综合性建筑应运而生，各类转换结构不断涌现。从当前转换结构的应用现状看，钢筋混凝土梁式转换结构具有传力直接、受力性能好、构造简单等优点，应用最为广泛。目前，国内外专家学者对常温下转换结构的力学性能已进行了较深入的研究。但是，随着火灾威胁变得越来越大，建筑结构主要构件在火灾高温下的承载性能及抗火能力已成为建筑防灾减灾领域的重要和热门研究课题［1-10］。结构转换层作为承上启下的关键传力结构，转换结构构件又通常具有数倍于上部结构的跨度，且承受巨大的竖向荷载，在火灾高温作用下，一旦出现破坏或较大的变形将严重危及整体结构的安全，因此，开展对火灾高温作用下钢筋混凝土梁托柱转换结构的承载性能研究具有重要的理论和现实意义。文章结合实际工程中常见的梁托柱转换结构形式，采用ABAQUS大型有限元分析软件，建立了一榀三层底部大空间钢筋混凝土梁托柱转换结构模型，对该转换结构模型施加标准升温及竖向荷载的耦合作用，考虑了九种受火工况，对每种工况下转换结构模型的受力与变形状态进行了计算分析，并在此基础上对比、分析和总结了转换结构模型的变形特点和规律。

1　转换结构模型的建立

转换结构模型为一榀三层底部大空间钢筋混凝土梁托柱转换结构。底层大空间跨度9.9 m，层高6.0 m，其余层高均为4.0 m，模型尺寸如图1所示。模型中的混凝土强度等级为C30，纵向受力钢筋和箍筋强度等级均采用HRB335，梁、柱主筋保护层厚度取25 mm。模型计算简图常温下施加的线荷载每层均取27.36 kN/m，如图2所示。模型各杆件截面配筋情况如图3所示。利用ABAQUS有限元软件自带的前处理模块，建立三维实体模型。

图2　模型的竖向线荷载图/（kN·m-1）

2　有限元分析参数的取值

采用ABAQUS软件进行热力耦合有限元分析中，混凝土的密度取ρ=2400 kg/m3，混凝土热膨胀系数按文献［11］推荐取值，高温下混凝土弹性模量依据文献［12］取值，高温下混凝土的热传导系数、比热容、抗压强度以及抗压本构关系按文献［13］建议取值；混凝土在高温下的抗拉强度按照文献［3］建议取值，抗拉本构关系采用ABAQUS软件用户手册中建议的曲线。钢筋的质量密度取ρs=7850 kg/m3，高温下钢筋的热传导系数、比热容、屈服强度、弹性模量及本构关系均按照文献［14］建议取值，高温下钢筋的热膨胀系数依据文献［13］取值。升温曲线采用文献［15］中的标准升温曲线，如图4所示。模型中观测点的布置如图5所示。考虑到火灾发生的偶然性，共设计了九种受火工况来进行分析，如图6所示。

图3　转换结构模型杆件截面配筋图/mm

图4　ISO834国际标准升温曲线图

图5　模型观测点布置图/mm

图6　受火工况图

3　托梁转换结构的变形及分析

模型的坐标设置情况如图7所示。竖向位移取沿y轴正向为正（向上为正），反之为负（向下为负）；水平位移取沿z轴正向为正，反之为负。

3.1底部托梁观测点的竖向位移

图7　有限元模型及其坐标系图

对图6中九种受火工况分别进行了热力耦合分析计算，得到托梁中各观测点的位移与升温时间的关系曲线如图8所示。从图中看出，在受火工况1作用下，随着升温时间的增加，底部大空间托梁（杆件1-7）上观测点2、3、4在恒定力学荷载作用产生位移的基础上，均产生了正向位移，表明在该工况火灾作用下转换结构的热膨胀变形导致转换托梁沿竖向正位移大于竖向恒载作用下产生的沿竖向负位移。而在其他受火工况作用下，除受火工况4的观测点2以外，托梁观测点皆在竖向力学荷载作用的基础上继续产生向下的负方向位移，如图8所示就托梁观测点竖向位移的绝对值变化来说，各受火工况下观测点竖向位移绝对值均随着升温时间的增加逐渐增大。而工况2和工况4中托梁各观测点的竖向变形均大于其他受火工况，如图8所示。

图8　托梁观测点竖向位移与升温时间关系曲线图

3.2底部托梁的竖向挠度变化曲线

基于托梁（1-7）中各观测点变形值绘制了托梁挠度变化曲线，如图9、10所示。从图9中可以看出，随着升温时间的增加，托梁的挠度值不断增大，升温过程前期60 min增长较快，之后逐渐减缓。从图10中可以看出，在受火工况1～6中，由于受火房间布置关于转换结构模型中轴对称，所以托梁的挠度曲线也呈对称分布；而受火工况7～9的受火房间布置关于中轴不对称，所以托梁的挠度曲线也呈非对称分布，托梁的挠度曲线关于跨中中轴的对称性与其所受的火灾工况的对称性一致。由图10可见，受火工况4造成的底部托梁的挠度值最大，其次是受火工况2和1。

3.3边柱的竖向变形及水平侧移

转换结构模型边柱12-16中观测点的竖向和水平侧移与升温时间的关系曲线分别如图11、12所示。由图11可以看出，部分火灾工况下，观测点1 8、12的竖向变形由负值（常温时的竖向荷载作用）转变为正值（向上），并随着升温时间的增加不断增大。这是由于边柱受热膨胀发生的竖向伸长变形大于由竖向荷载对其产生的压缩变形所致。初始升温60 min内，竖向膨胀变形较快，其后逐步趋于平缓由图12可见，多数工况下，模型边柱12-16中观测点1、8、12均发生了沿z轴正向的水平侧移（向模型平面外侧凸出），这应是转换结构底部托梁和上层横梁在高温作用下产生轴向膨胀变形的推力所致。

图9　不同升温时刻托梁的挠度曲线变化图

图10　升温时刻为180 min时托梁的挠度变化曲线图

图11　边柱观测点1、8、12的竖向变形与升温时间关系曲线图

图12　边柱观测点1、8、12的水平侧移与升温时间关系曲线图

图13　柱12-16和柱15-17在不同升温时刻的水平位移图

不同受火工况下转换结构模型两侧边柱的水平侧移情况如图13所示。从图中可以看出，随着升温时间的增加，边柱的水平侧移逐渐增大。对于托梁位置处的观测点1来说，受火工况4引起的向外凸出侧移最大，受火工况1次之。由于受火楼层横梁受火膨胀变形的作用，受火楼层横梁位置处边柱向外凸出的侧移明显大于其他楼层。在工况1-6中，模型两侧边柱的水平侧移呈对称分布；在工况7-9中，模型两侧边柱的水平侧移则呈现非对称分布，这与受火工况的对称性保持一致。比较图13（e）、（f）与（g）、（h）可见，受火房间距离边柱的距离远近影响模型边柱侧移的大小，受火房间距离边柱越近，边柱的侧移越大。观察图13（g）、（h）、（i）还可见，对于模型对称轴的一侧受火工况，两侧边柱的侧移在底层托梁以上部分产生同向侧移，这是构件间约束作用的结果，这也意味着不对称受火情形下，结构中会产生较剧烈的相互作用和内力重分布现象。

3.4模型的整体变形状态

在各受火工况作用下，当受火180 min时模型的整体变形情况如图14所示（为便于观察，图中变形放大了10倍）。

图14　各受火工况作用下180 min时模型的整体变形状态图

4　结论

文章运用ABAQUS大型有限元分析软件，通过对一榀三层底部大空间钢筋混凝土托梁转换结构模型进行火灾高温及荷载耦合作用下的变形计算与分析，其结论如下:

（1）转换结构模型在常温竖向荷载作用下的变形稳定后施加标准升温，转换结构模型将由于升温作用而产生附加变形。在火灾高温及恒定竖向荷载耦合作用下，随着升温时间的增加，转换结构模型内各观测点的变形值将随之发生显著变化。

（2）随着升温时间的增加，转换结构模型中底部托梁的挠度值在常温竖向荷载作用的基础上开始不断增大，升温过程前期60 min增长较快，之后逐渐减缓。挠度曲线关于转换结构模型中轴的对称性与受火工况的对称性一致。就同一升温时刻引起的底部托梁的竖向挠度变形值来看，底部大空间和上部相邻层同时受火的工况4最显著，其次是大空间上部相邻层受火的工况2和大空间受火的工况1。

（3）部分火灾工况下，转换结构模型边柱受热发生的竖向膨胀变形会出现大于竖向荷载对其产生的压缩变形的情形。

（4）随着升温时间的增加，不同受火工况下转换结构模型两侧边柱的水平侧移逐渐增大。由于受火楼层横梁受火膨胀变形的作用，受火楼层横梁位置处边柱向外凸出的侧移明显大于其他楼层。

（5）受火房间距离边柱的距离远近影响转换结构模型边柱侧移的大小，受火房间距离边柱越近，受热膨胀变形对边柱的侧移影响越明显。

（6）对于模型对称轴的一侧的受火工况布置，两侧边柱的侧移在底层托梁以上部分产生同向侧移情形，这应是构件间约束作用的结果，表明在不对称受火情形下，结构中会产生较剧烈的相互作用和内力重分布现象。

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［15］ ISO 834，International Standard［S］.Geneva:Frie-Resistanc TestsElementsofBuildingConstruction， Amendment1 Amendment 2，1980.

（学科责编：吴芹）

Bearing performance analysis of reinforced concrete structure with bearing column girder transfer floor under fire and coupling with vertical loads

Fu Chuanguo1，Kong Weiyi2，Wang Yuzhuo1
（1.School of Civil Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.School of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China）

The model of 3-story reinforced concrete structure with large space bearing column girder transfer floor at bottom is established.The nonlinear FEM software ABAQUS is used to analyze the deformation of the model which is exposed to fire and coupling with vertical loads.Based on the simulation results of 9 fire cases，the displacements of measured points and heating-up time curves are plotted.The numerical results show that based on the deformations under vertical loads at normal temperature，the transfer structure models produce complicated additive deformations with the heatingup time increasing.The deflections of the transfer girder are growing fast in 60 minutes of ignition，and then slow down gradually.As to the deflections of the transfer girder at the same moment，the fourth fire case has importance affect，followed by the second and the first fire cases.With the heating-up time increasing，the lateral displacements of two side columns of the model increasegradually in different fire cases.Because of the thermal expansion of the beam in burning floor，the lateral displacements outward of side columns in burning floors are significantly larger than other floors.In asymmetric fire room conditions，because of the constraint between members，two side columns above the transfer girder produce sway in the same direction.It shows that in asymmetric fire conditions，the structure will produce a violent interaction and the internal force redistribution phenomena.

reinforced concrete；transfer structure；fire；bearing performance

TU375

A

1673-7644（2015）06-0511-08

2015-07-03

国家自然科学基金项目（51278289）；国家自然科学基金项目（51478254）

傅传国（1963-），男，教授，博士，主要从事工程结构基本理论及减灾技术等方面的研究.E-mail:fcguo@sdjzu.edu.cn