预应力钢柱火灾下的力学特征有限元分析

周文明，胡 妍（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥 230601）



预应力钢柱火灾下的力学特征有限元分析

周文明，胡 妍
（安徽建筑大学 土木工程学院，安徽合肥 230601）

摘要：利用ANSYS有限元分析软件，对两种不同工况的预应力钢柱在非均匀温度场（火灾）中的受力情况进行分析。通过对构件的温度场和热力耦合分析，得出预应力钢柱在各个时刻的力学特性，并与相同工况下的理论解进行对比，得出其误差在合理范围之内。研究表明：预应力撑杆对钢柱的横向位移的变化起到约束作用；随着温度升高，预应力钢柱的变形也随之加大，钢柱截面愈小预应力钢柱变形愈大。

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

随着当今社会的快速发展，预应力钢结构作为一种重要的建筑结构形式适用于大多数钢结构工程中。与传统钢结构相比，预应力的引入不仅能节约钢材，并且可以减少结构的变形。预应力钢结构的基本原理就是根据需要在结构和构件中引入某一数值的应力，用以抵消结构承载时及外荷载引起的应力。预应力的引入不仅能节约10%～40%的钢材，并使得结构的承载力相应提高，变形也随之减少［1］-［2］。

预应力钢结构与其它结构相比虽然有许多优越性，但钢结构本身不耐火，钢的性能在高温下会有很大的改变，其主要原因是钢材的耐火性差。当温度超过300℃时，钢材的屈服强度迅速降低，温度升至400℃后，其屈服强度降低至常温时的一半，温度一旦达到600℃时，钢材基本丧失了强度。所以，钢在这样的高温情况下，由于强度下降和应力作用，会很快发生塑性变形，最后造成钢结构的整体失稳而破坏［3］。我国对钢材的力学特征的研究十分重视，其中同济大学、清华大学等分别对常用的 Q235钢、Q345钢及高强度Q460钢等钢材的高温性能进行了试验研究。试验结果主要是给出单一温度下的材料特性参数和应力-应变关系［4］-［6］。国内外专家对钢结构防火进行了大量的研究，但目前对预应力钢结构的研究十分有限。因此，对预应力钢结构进行抗火性能研究有重要的意义和价值。

本文从单个构件角度出发，以预应力钢柱为研究对象，通过利用ANSYS有限元分析软件［7］，对预应力钢柱进行了热和力的耦合分析，为日后预应力钢结构的抗火设计研究提供参考。

1　预应力钢柱火灾下的ANSYS模型建立

本文利用ANSYS有限元分析软件选用实体Solid70 单元进行热分析，通过Hollow Cylinder建立所要分析的结构模型，并选择Volume Sweep 的方式进行网格划分，网格划分后的模型如图1所示，分析得出预应力钢柱各关键节点温度随时间变化值。量4Xcosα0，以模拟撑杆数k=4，节间数n=2的预应力撑杆式钢柱所受预应力的情况，模型在ANSYS中所受荷载情况如图2，分析后得到预应力钢柱的X、Z方向的位移随时间变化值。

图1　钢柱的网格划分模型

温度场分析结束之后，转换为结构分析。模型中柱顶所受轴向外荷载P等效为相应的均布荷载，预应力钢柱中的撑杆以等效荷载拉索张力X的分量2Xsinα0来替代，α0为拉索与柱轴线的夹角，柱顶则有拉索张力沿柱长方向的分

图2　ANSYS中钢柱模型受力图

2　预应力钢柱工程实例

2.1预应力钢柱工况

工况一：采用柱长l=6m的圆钢管，选用Q235钢材。钢柱截面尺寸：外径D=152mm，壁厚t=6mm，撑杆数k=4，节间数n=2，钢索（90 ф5）面积A2=17.64cm²，拉索长l'=6.21m。假定轴向外荷载P=200kN，拉索实际控制张力X=130kN，火源位置在沿圆钢管外侧受火。

工况二：采用钢柱截面尺寸：外径D=127mm，其余参数与工况一相同。

2.2预应力钢柱温度场及热效应分析

2.2.1各关键节点温度随时间变化值

针对模型进行温度场分析，得出各关键节点温度随时间变化值如表1：

表1　各关键节点温度随时间变化值

2.2.2各关键节点x方向位移随时间变化值

针对模型进行热力耦合分析，得出随时间变化的各节点下的位移图和应变图，并列出各关键节点的位移如表2和位移对比如图3：

表2　各关键节点x方向位移随时间变化值

图4　工况二不同位置处x方向位移对比图

由表2与图3、图4可知，随着温度升高，预应力钢柱x方向的位移增大，从沿外壁节点1.5m、3m、4.5m处x方向位移值随温度升高的变化值，可得到各关键节点处位移随时间的变化值大小为4.5m≥1.5m≥3m。因此可知是柱中3m处受到撑杆的作用，造成不同时间下其x方向的位移均不大于1.5m和4.5m处的位移，可知预应力钢柱中的撑杆对柱横向位移的变化起到约束作用。

2.2.3各关键节点z方向位移随时间变化值

根据ANSYS热力耦合的计算结果得出钢柱在400s内受火过程中，z方向应变值的变化如表3：

表3　各关键节点温度随时间变化值

由表3可知，1m、2m、4m、5m处z方向应变值大体相同，同一节点处钢柱z方向的应变值随着温度的升高逐渐增大，并且工况一的变化值均小于工况二，可知随着温度升高，预应力钢柱的变形也随之加大，钢柱截面愈小预应力钢柱变形愈大。

3　钢柱高温下受力性能分析及对比

为了更好的分析高温下温度对钢柱力学性能的影响，本文将数值解与理论解进行对比，分析预应力钢柱在受火过程中应力值的变化。

3.1数值解

针对模型进行热力耦合分析，得出随时间变化的各节点下z方向的应力如表4：

表4　各关键节点z方向应力随时间变化值

由表4可知，预应力钢柱沿外壁节点1m、2m、4m、5m、6m处z方向的应力值，随着温度的升高同一节点处z方向的应力值逐渐增大，并且同一温度下以上各节点处的温度应力值大体相同。

3.2理论解

已知理论计算公式［8］：

式中：

0.95—高强钢丝松弛系数

σ —钢柱应力

k —撑杆数

i

α —拉索与柱轴线的夹角

A1—圆钢管截面面积

A2—钢索截面面积

X —拉索实际控制张力

∆a—锚具压缩总量，取0.002m为采用夹片锚具时的锚具压缩总量

E2T—拉索弹性模量

η —拉索与柱抗拉刚度之比，本文工况去0.641

l′ —拉索长度

结合工况将参数代入上式，其计算结果如图5、6所示：

图5　工况一钢柱应力与温度关系曲线

图6　工况二钢柱应力与温度关系曲线

由表1，可知工况一： 200s时钢柱温度达到219℃，250s时钢柱温度达到256℃，300s时钢柱温度达到290℃，350s时钢柱温度达到321℃，400s时钢柱温度达到349℃。工况二：200s时钢柱温度达到220℃，250s时钢柱温度达到258℃，300s时钢柱温度达到292℃，350s时钢柱温度达到322℃，400s时钢柱温度达到350℃。

将图5与图6结合表4将z方向应力理论值与ANSYS值进行误差分析，如表5：

表5　不同时间下z方向应力理论值与ANSYS值的误差分析

由表5的分析结果及对比可得，不同时间下z方向应力理论值与ANSYS值之间存在一定的差异，并得出以下结论：

（1）数值解与理论解存在一定差别，理论解是理想模型的计算值，整个钢柱只有一个应力值，即假定钢柱每点处应力值相等；而数值解是采用有限元计算方法，每点处的应力值都不完全相同。本节取ANSYS数值解得出的z方向的1m、2m、4m、5m、6m的平均应力值与理论应力值进行对比，得出不同时间下两者之间的误差，其误差在合理范围之内。

（2）ANSYS得出的数值解与单元类型的选择有关，本节计算模型采用的是实体单元Solid70单元来模拟预应力钢柱的理论计算模型，并将理想模型中的预应力用等效荷载代替来模拟预应力钢柱在ANSYS中的受力情况，这些因素均会影响计算结果。

4　结语

本文主要运用了ANSYS有限元软件对预应力钢柱进行温度场及热力效应分析，得出温度对预应力钢柱的主要力学性能的影响，并与理论解进行对比。最终得出结论：1）预应力撑杆对钢柱的横向位移的变化起到了约束作用；2）随着温度升高，预应力钢柱的变形也随之加大；3）随着温度升高，钢柱截面愈小，预应力钢柱变形愈大。所得结论为预应力钢柱在高温下的抗火研究提供参考。

参考文献

［1］GB50017-2003.钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社，2003.

［2］沐林. 减少钢材浪费预应力钢结构大有可为［N］. 中华建筑报， 2011-03-15（3）.

［3］刘金刚.预应力钢结构抗火研究的发展与问题［J］.广州建筑，2009，37（6）： 3-7

［4］王卫永，李国强，戴国欣.轴心受压高强度H型钢柱抗火性能［J］.重庆大学学报（自然科学版），2010，33（10）：76-82

［5］陈素娜. 大空间单跨门式刚架抗火性能［D］.合肥：中国科学技术大学，2011.

［6］王松涛.基于性能化设计的轻型门式刚架火灾后的安全评估研究［D］.合肥：安徽建筑大学，2013

［7］赵亚新.钢框架梁抗火的非线性有限元分析［D］. 天津：天津大学，2014.

［8］李国强.钢结构及钢-砼组合结构抗火设计［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

关键字：预应力钢柱；火灾；预应力损失；变形特性

Finite Element Analysis of the Mechanical Properties of the Prestressed Steel Column in the fire

ZHOU Wenming，HU Yan
（School of Civil Engineering， Anhui Jianzhu University， Hefei 230601， China）

Abstract：By using ANSYS fnite element analysis software， the force condition of the prestressed steel columns，in two different working conditions in a non-uniform temperature feld has been analyzed. Through the analysis of the temperature feld and thermal coupling of the component， the mechanical properties of prestressed steel columns in each moment were obtained and it s error is within a reasonable range comparing with the theoretical solutions in the same working conditions. The result shows that the pre-stress struts constraints the transverse displacement of the steel columns； the deformation of prestressing steel columns increases with the temperature increases and also increases with the decreases of the column section size.

Keywords：prestressed steel column； fre； loss of prestressed； deformation characteristics

作者简介：周文明（1990-），男，硕士研究生，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：2015-09-14

DOI:10.11921/j.issn.2095-8382.20160203

中图分类号：TU352.5

文献标识码：A

文章编号：2095-8382（2016）02-011-05