预应力钢梁高温环境下的力学特征有限元分析

孙　强，钱军龙，田　伟（安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601）



预应力钢梁高温环境下的力学特征有限元分析

孙强，钱军龙，田伟
（安徽建筑大学土木工程学院，合肥，230601）

摘要：采用有限元方法研究预应力钢梁在受火条件下，一定时间段内构件的温度分布状况及其变化，在热分析的前提下，进行构件的热力效应分析。并将相应工况的力学特性研究与理论计算结果进行对比分析，从而进一步探索预应力钢梁在火灾（高温）条件下损伤机理。研究表明：温度高低、荷载形式、梁端约束、预应力损失、拉索布置高度等因素对钢梁的力学特性产生较大影响。所得结论可为预应力钢结构抗火设计提供参考。

关键词：预应力钢梁，高温（火灾），预应力损失，变形特性，温度，钢索

0　引　言

预应力受压钢构件有节约材料，减轻自重，降低成本的特点，但钢材没有较强的耐火性，火灾发生时会对建筑结构造成严重破坏，因而对其进行抗火设计十分必要。钢结构抗火问题自20世纪70年代起被国内外专家进行了大量研究与探索［1］-［7］。因为结构钢的机械性能和物理性能受高温影响变化较大，所以当火灾突然发生后，结构承载力势必降低，构件变形也将随之加大，在一定时间范围内结构就有可能达到极限承载力状态而倒塌，而结构抗火性能研究的目标就是讨论保证结构在假定的火场条件下，在规定的升温时间内，不至于达到变形的极限值以及结构失稳破坏，以避免危害到人民的生命财产安全。相比较钢结构构件，预应力钢结构由于构件事先张拉所蕴藏的巨大应变能使其在高温下的状态更不稳定，随着预应力钢结构体系在大型公共建筑中的应用逐渐广泛，预应力钢结构技术逐渐成熟，然而国内对其构件抗火性能的研究相对较少。本文采用有限元软件建模分析高温火灾下预应力钢梁的力学特征和火灾参数及预应力损失对预应力钢梁变形的影响，并以实例进行说明，为工程结构抗火设计提供参考。

1　高温（火灾）下预应力钢梁的热分析方法

构件在火灾作用下其内部温度场将重新分布并产生热应力，而且处在高温环境下构件的材料性能（强度、弹性模量等）将会发生改变，这些都是在力学特性分析时需要考虑的问题，在研究高温（火灾）下预应力钢梁抗火分析时须考虑热和力两方面的相互作用及交叉影响，即热力耦合分析。

1.1建立模型并划分网格

选择适用于瞬态热分析的低阶热分析实体SOLID70单元来建立构件模型，创建模型的方式有多种，本章考虑钢梁截面纵向的一致性以及钢材厚度相对较薄，先创建构件截面再通过Extrude及Booleans等操作形成模型，网格划分采用Smartsize方式，智能划分的网格如图1所示

图1　构件模型的局部网格划分图

1.2荷载施加

施加温度荷载并设置非线性求解参数，施加初始温度，采用ISO834升温曲线模拟火灾升温，施加边界条件包括热对流和热辐射，并确定加荷时间以及荷载步。

1.3求解及后处理

ANSYS的求解过程与迭代方法以及求解器的选择有关，在确定模型和约束荷载后对模型进行瞬态热分析，温度场分析的后处理结果显示有变形图、云图及结果列表，我们可得到可以得到温度分布云图以及各节点温度关于时间的曲线和温度列表。

2　预应力钢梁的热力耦合分析

2.1预应力钢梁热分析与热力效应分析

研究构件在火灾条件下的性能，实际就是研究结构构件在温度场和应力场共同作用下的工作情况，因此在已经得到构件热效应分析的前提下，应将热分析转化为结构分析，这一步是构件进行热力耦合效应分析的关键，即在重新打开已经进行了热学分析后的模型后将SOLID70这一热分析单元转化为与之对应的结构单元SOLID45，接着读入之前热分析时生成的温度荷载，再按步骤施加约束条件以及静力荷载，最后对模型求解并进行后处理分析。热单元与结构单元的关系见表1。

表1　热单元与结构单元的对应关系

2.2建模过程中对预应力拉索的处理

在建模过程中对拉索采取等效荷载法处理，用一对等效荷载代替预应力拉索的作用。即预应力用理论推导得出的一对实际张拉控制力代替，采用此法的好处是在热力效应分析阶段对单元选取没有制约，划分网格也较为方便，更不用考虑拉索所处的详细位置。

等效力为构件中实际作用的张拉控制力，即：

式中：N—实际张拉控制力

2.3预应力钢梁热力耦合作用下的力学特征分析

模型选取为一拉索预应力简支钢梁跨长1=18m，截面面积A=212.4cm2，全粱按均布荷载分布，永久荷载为qd=32.kN/m，可变荷载为q1= 22kN/m，钢材采用Q235，采用90ф5高强钢丝，A3=17.64cm²，f3=770MPa，E1=E2=2.06×105MPa，实际预张力Xk=935kN，拉索中心到截面重心的距离e=81cm，锚具压实总量△a=2mm，不考虑超欠载系数，即γT取1.0，支承形式为一端固定一端铰支，允许挠度值［ω］=1/250。通过ANSYS模拟得到受火钢梁距支座3m、4.5m、6m、7.5m、9m处随时间变化的Z方向应力值见表2。

表2　受火构件不同位置处随时间变化的Z方向应力值（应力，Pa）

由表2可知：

（1）在荷载以及预应力的共同作用下，梁

下部靠近支座处主要为压应力，而靠近跨中的一部分区域主要表现出拉应力，随着时间的增长实质上是梁在荷载作用下挠曲变形的增加，呈现拉应力的区域越来越大

（2）从240S时刻后开始，跨中拉应力区域有一定程度减小，而靠近支座部位压应力面积得到一应发展，主要原因是此阶段构件温度逐步达到200～300℃，钢材因蓝脆现象强度刚度增大，变形减小，从而导致梁底受压区有一定程度的增大。

（3）火场作用6分钟后构件温度进一步增加，梁底靠近支座处呈现压应力部位面积慢慢减小，而跨中受拉区面迅速增大，主要原因一是预应力钢梁构建主体在高温环境下材料强度有所降低，承载能力降低，二是由于预应力拉索随着温度的增大产生了一定程度的预应力损失，在构件下部工作的预应力减小，以致承载力下降，跨中受拉区面积增大。

2.4预应力钢梁热力耦合作用下的挠度分析选取模型同2.3。

通过一端固定一端铰支承受均布荷载的拉索预应力钢梁在高温下挠度计算，得到不同时刻的构件挠度值，且与理论计算结果进行对比，验证了计算结果的合理性。

高温（火灾）条件下预应力钢梁分别距支座3m、4.5m、6m、7.5m、9m处不同时间挠度值见表3，其横向位移随时间变化如图2所示。

表3　受火构件不同位置处随时间变化的挠度值（挠度，m）

图2　预应力钢梁不同位置处横向位移对比图

由图2可以看出构件挠度随着火场作用时间的增长而变大，与常温情况下一致，相同时刻构件不同位置处的挠度明显是不同的，从图

中还可以看到在选取的若干位置中靠近支座位置的横向位移最小，而横向位移最大的位置并不是跨中即9m处，而是出现在7.5m处，这是由于构件两端布置的不同支座对构件变形的约束不同导致，即挠度最大位置离铰支座较近，而离固定支座较远，同时我们可以发现随着火场作用时间的发展，不同位置处的横向位移差值也是逐渐增大的，例如当火场作用了240S时，构件跨中处的横向位移比距铰支座3m处的横向位移大将近0.28m，而480s时，两不同位置处的横向位移差值达到约为0.55m，由此可见越靠近最大挠度位置，预应力钢梁在该点的横向位移随温度的变化率越大，即变化速率7.5m>9m>6m>4.5m>3m。

2.5计算误差分析

下面将构件在高温环境下一定时刻挠度理论计算值［4］与本文有限元数值计算结果进行比较如表4：

表4　受火构件不同位置处随时间变化的挠度值

虽然初始阶段理论计算和数值分析结果存在一点的误差，随着时间的增长，构件温度升高，理论计算值和数值分析值误差逐渐减小，并呈现相似的变化趋势，说明理论与数值分析的合理性。

3　结语

本章利用有限元软件对高温下预应力钢梁力学特性进行有限元分析，并对预应力钢结构热及热力效应一般分析步骤进行了具体说明，通过建模分析，得到了受火条件下一定时间内构件的温度分布及随时间变化规律，受火后的温度分布较不均匀，直接受火面温度较高且升温速度快，非受火面受影响也会有不同程度升温，且升温速率与构件截面尺寸有关，本文还在热分析的前提下对构件进行了热力效应分析，并讨论了相应工况下数值分析研究与理论计算结果差异，从而验证了理论分析的合理性。

参考文献：

［1］陆赐鳞，尹思明，刘锡良.现代预应力钢结构［M］.北京：人民交通出版社，2007.

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［3］秦彬涛. 钢结构防火设计的研究现状及发展趋势［J］.科技创新与应用，2012（18）：174.

［4］张兴清.钢结构抗火设计方法［J］.价值工程，2011 （34）：83-84.

［5］中国钢结构协会专家委员会.CECS212：2006，预应力钢结构技术规程［S］.北京：中国华侨出版社，2006.

［6］黄彤斌.预应力钢结构抗火研究综述［J］.广东建材，2008（8）：13-15.

［7］张韵华，王新茂.Mathematica 7 实用教程［M］，合肥：中国科学技术大学出版社，2011.

Finite Element Analysis of Mechanics Properties of Prestressed Steel Beam under High Temperature（Fire） Condition

SUN Qiang，QIAN Junlong，TIAN Wei
（school of Civil Engineering ， Anhui JianZhu University， Hefei， 230601，china）

Abstract：By adopting FEM， this paper analyzesthe temperature distribution and the change of prestressed steel beam under fre during a certain period. Based on thermal analysis， the thermal effect of members was analyzed. Then， the corresponding mechanic features have been compared with the theoretical results to further exploring the damage mechanism of prestressed steel beam under high temperature condition. The result shows that factors including temperature level， load form， the restriction of the beam end， prestress loss， height arrangement of the lasso， etc have great effects on the mechanical properties of the steel beam. The conclusion can provide reference for the fre-resistance design of prestressed steel structure.

Keywords：prestressed steel beam， high temperature （fre）， loss of prestress， mechanical properties， temperature，wire rope

作者简介：孙强（1963- ），男，教授，博士，主要从事钢结构抗火理论与安全评估方面的研究。

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2012CB719703），安徽高校省级自然科学研究重大项目（KJ2014ZD06），安徽省自然科学基金（1408085QE96）。

收稿日期：2015-12-17

DOI:10.11921/j.issn.2095-8382.20160201

中图分类号：TU352

文献标识码：A

文章编号：2095-8382（2016）02-001-05