钢框架结构抗火混合试验基本原理及数值模拟

2019-09-23田自然蔡新江田石柱

广西大学学报（自然科学版） 2019年4期

田自然，蔡新江*，田石柱

(1.苏州科技大学土木工程学院，江苏苏州215011；2.苏州科技大学江苏省结构工程重点实验室，江苏苏州215011)

0 引言

抗火混合试验(Hybrid Fire Testing简称HFT)是分析结构抗火性能的一种新方法。一方面，可以分析整体结构在火灾下的力学性能；另一方面，也可以评估周围构件约束下单个构件的抗火性能。传统抗火试验方法研究整体结构抗火性能时需将整体结构放于抗火炉中进行试验，每次验证新的参数影响都需要建立一个全新的整体结构模型，导致试验费用非常昂贵，因此这种方法较难获得广泛应用。对于传统的单一构件抗火试验，仅测试单个构件的抗火性能，并未考虑到周围构件对试验构件的影响。

本文介绍的抗火混合试验相比整体结构抗火试验方法而言，以更低的成本分析整个结构的抗火性能，可获得更全面的试验结果。在整体结构抗火试验方法中，测量梁和柱的内部荷载比较困难，例如构件横截面上的内部轴力、弯矩、应力和应变等。然而，这些信息可以通过数值分析在抗火混合试验中取得。另一方面，相对于单个构件试验，抗火混合试验提供了比传统试验方法更可靠的结果。抗火混合试验方面，文献[1-2]较早地开展了抗火混合试验的探索研究，基于子结构技术对抗火混合试验流程及等效边界条件模拟进行了阐述，将抗火混合试验结果同数值结果、常规构件试验结果对比，证实了抗火混合试验的可行性；文献[3]利用梁单元模拟抗火混合试验过程，结果表明：该方法充分利用试验室的试验条件，以单个构件试验得到整体结构的力学性能；文献[4-5]讲述了如何在ABAQUS中较好模拟火灾过程，确定界面温度场和高温下材料本构等因素，可以使计算的收敛性和结果的准确性得到保障；文献[6-7]通过钢框架的抗火性能分析，发现局部构件的应力在火灾中超过其屈服极限时并不会导致结构整体破坏。文献[8-11]以2榀H型钢单层单跨钢框架、两层两跨组合钢框架为模型进行了抗火性能的试验研究，分析不同钢框架的抗火性能并进行对比。

本文采用ABAQUS有限元软件，基于实体单元建立多层钢框架整体结构模型，考虑热辐射、热对流、截面内外部的温度差异，模拟抗火混合试验过程，验证了抗火混合试验方法的准确性。

1 抗火混合试验理论和数据转换

1.1 抗火混合试验基本理论

抗火混合试验方法通过控制子结构间力与变形的相互作用将整体结构(Original Structure简称OS)划分为两个或多个子结构。试验子结构(Physical Substructure简称PS)进行真实火灾试验，数值子结构(Numerical Substructure简称NS)运用有限元软件进行模拟。严格控制试验或模拟时子结构的边界条件，如力、位移、温度等。考虑数值子结构对试验子结构的约束作用。

如图1所示为整体结构、试验子结构和数值子结构。为满足力、位移平衡条件，将图1中所有的力与位移保持一致，如式(1)～(3)。理论上讲，如果试验子结构与数值子结构在任意受火时刻能够满足上述平衡条件，则该结果与整体结构抗火试验结果相同。因为无法控制任意时刻子结构的力、位移、温度相同，所以利用混合试验方法，将这些参数每隔时间Δt或温度ΔT进行交互反馈。即每隔一段时间对子结构边界条件平衡一次。

(a) 整体结构

(b) 数值子结构

(1)

(2)

(3)

1.2 数值模拟数据转换成试验输入值

(a) 实际构件

(b) 等效构件

在抗火混合试验中，将数值子结构的数值模拟结果作为试验子结构的边界条件，则能够充分考虑相互约束作用。基于加载条件限制，文中采用文献[1]中的等效荷载、位移法，图2为等效模型，仅控制一端的轴向荷载和侧向位移。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:上标N代表模拟、T代表试验、其余字母与结构力学中代表意思相同。

1.3 试验数据转换成数值模拟输入值

为达到子结构间数据交互反馈的效果，将试验测得的构件荷载、位移运用公式(9)转换成数值子结构的模拟输入值，进行数值模拟。

(9)

2 抗火混合试验步骤

①进行整体结构有限元分析，得到试验子结构的初始受力状态(即

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

⑦返回步骤③～⑥，完成试验。

3 有限元分析模型

3.1 温度场分析计算模型

采用ABAQUS有限元软件建立温度场分析模型，型钢采用三维实体单元模拟。边界条件考虑对流和辐射传热，在位于抗火炉内的柱表面施加对流和辐射边界条件，对流换热系数取25 % W/(m2·℃)综合辐射系数取0.7。温度场分析模型采用线性热传导单元DC3D8划分网格，温度场计算模型如图3所示。材料热工参数是温度场分析需要的基本数据，包括：密度、比热容、热传导系数。密度随温度变化较小，取常数ρs=7 850 kg/m3，通过对欧洲规程EC3、欧洲钢结构协会ECCS和日本规范中的比热容和热传导系数对比发现，在0～600 ℃范围内比热容平均值为600 J/(Kg·℃)，热传导系数平均值为45 W(m·℃)。本文温度场分析时采用文献[12]提出的钢材热工参数模型进行计算。

(b) 数值子结构

3.2 热力耦合分析计算模型

在温度场分析的基础上，建立力学性能分析模型(同温度场模型)，分析过程中约束框架的平面外位移，避免框架发生平面外失稳，为了更好的与试验条件相匹配，柱底固结，柱顶约束转角和平面外位移，通过数据交互反馈施加轴向力和水平位移。利用单向热力耦合实现高温下钢框架的高温力学分析。梁柱截面分别为320×130×9.5×15(mm3)和350×350×12×19(mm3)。高温下钢的强度、弹性模量等采用EC3建议的材料模型见表1。

注：E为钢材在常温下的弹性模量:ET为温度为T时钢材的弹性模量；fy为钢材在常温下的屈服强度；fyT为温度为T时钢材的屈服强度。

4 抗火混合试验结果分析

柱顶截面中点温度变化结果的对比见图4，从图中可见，对于整体结构而言，由于周围构件的影响，柱顶温度传递给了周围梁、柱，温度升至500 ℃；抗火混合试验中受火柱的温度同步更新，升温过程与整体结构基本一致；而对于传统构件抗火试验，没有周围构件的影响，其温度升至600 ℃左右，与柱的实际升温状态偏差较大。

整体结构受火柱、抗火混合试验受火柱、传统构件试验受火柱的柱顶轴向变形—温度对比见图5，从图中可见，柱顶轴向变形呈现先上升后下降的趋势。这是由于在前期升温阶段，由于材料受热膨胀，柱顶变形向上，随着温度升高材料强度降低，受火柱逐渐失稳直至破坏。抗火混合试验中受火柱的轴向变形同步更新，柱失稳前，整体结构分析结果与抗火混合试验结果基本相同。图中可以看出最后阶段有些差异，这是由于柱失稳时强度下降较快过程较短，且试验过程中数据不能及时交互反馈所致。而对于传统构件抗火试验，受火柱温度较高，材料强度降低较快，破坏过程较短。

图4 柱顶截面中点温度—时间关系
Fig.4 Relationship betweentemperature and time

图5 柱顶轴向变形—温度关系
Fig.5 Relationship between axialdeformation and temperature

整体结构受火柱、抗火混合试验受火柱、传统构件试验受火柱的柱中侧向挠度—温度对比见图6。图6中为受火柱表面温度，与图5相比温度较高。由于抗火混合试验中对温度、荷载等同步更新较好，柱中侧向挠度与整体结构中受火柱侧向挠度基本吻合。而对于传统构件抗火试验，受火柱温度较高，材料强度降低较快，破坏过程较短。

整体结构受火柱、抗火混合试验受火柱、传统构件试验受火柱的轴力—温度对比见图7。如图所示，进行抗火混合试验受火柱的轴力及时交互反馈，与整体结构中的轴力变化情况基本相近，尤其是柱丧失承载力的温度点基本一致；但对于传统构件抗火试验，其轴力恒定不变，与整体结构中柱的受力状态差距较大。