约束钢梁抗火性能研究进展分析

2022-02-16刘芳吴丽娟吉林建筑大学吉林长春130118

安徽建筑 2022年1期

刘芳，吴丽娟（吉林建筑大学，吉林长春 130118）

0 引言

1990年以前，钢结构抗火研究以单独构件为主。1990年在英国Broadgate发生的一起钢结构建筑的火灾中，调查人员发现结构中的构件比无约束的单独构件具有更好的抗火性能。此外，著名的八层足尺整体钢框架结构火灾试验中[1]，也发现了同样的现象，实际上，结构钢梁存在轴向约束和转动约束，实验表明整体结构中受约束的构件与无约束的独立构件的抗火性能还是有很大区别的，且出现了悬链线效应。

一般对于结构抗火研究不考虑约束作用，由于火灾中实际构件通常都会承受约束作用，导致研究成果会与实际情况不符，而钢梁是钢结构中的主要受弯构件，主要承受竖向荷载作用，其抗火性能对结构的安全造成很大影响。对此，以约束钢梁为目标，进行合理的耐火设计具有明显的工程实效价值。本文分别从火灾高温下和火灾高温后两方面的抗火性能进行汇总及分析，包括数值模拟和抗火试验，进而确定合理的防火构造措施。

1 约束钢梁高温性能研究

约束钢梁的高温力学性能是钢结构抗火研究的基础，钢材的高温性能包括高温下和经历高温后冷却两方面的力学性能，目前，相关试验装置主要包括加热升温炉、热电偶等。

本文根据已有的研究成果，对约束钢梁的高温材料抗火性能进行归纳与总结。

1.1 约束钢梁高温下抗火性能

目前，国内外对常温下约束钢梁抗火性能的研究已比较完善，其中以理论分析和数值模拟为主，但是试验研究数据非常有限。

Usmani[2]，Dwaikat和 Kodur[3]通过试验，考察了约束钢梁火灾行为中的许多基本反应。针对H型约束钢梁的火灾行为，采用理论和数值分析方法的文献[4-6]则更多，主要分析火灾中构件轴向约束刚度比、荷载比、荷载作用大小等因素对约束钢梁抗火性能的影响。

王培军和李国强[7]提出了一种能同时考虑几何非线性和材料非线性的平面样条梁单元，根据节点处的弯矩和轴力平衡建立方程，计算在均布荷载作用下，温度沿截面均匀、线性和折线分布的轴向约束钢梁在升温条件下跨中截面的挠度、轴力和弯矩的计算结果与有限元程序ANSYS进行了比较，结果发现，样条梁单元不仅有一定的精度，且计算所得结果与有限元计算基本吻合。文献[8]基于钢梁平衡条件建立基本方程，确保了构件截面的内外力平衡，研究表明，荷载比和轴向约束刚度比对轴向约束钢梁的变形和受力影响较大，而截面横向和构件纵向的温度不均匀分布的影响较小。

鲁博和王海忠[9]为研究翼缘宽厚比对高温下钢梁抗火性能的影响，利用ANSYA有限元程序建立模型，计算钢梁的热一结构耦合作用，研究表明在高温条件下，不同翼缘宽厚比对钢梁挠度影响不是线性，但是，可以利用约束钢梁在火荷载作用下，轴

力在屈曲后开始减小且挠度不断增大，此时钢梁依旧能承受一定的荷载，为人们逃出火灾现场创造机会。

栾艳萍和席丰[10]对不同边界约束条件下的受火钢梁行为比较分析，结果显示，对于不同的约束情形，受火钢梁的行为发展形态大有不同，其中载荷比、跨度对钢梁的行为有较大影响，而载荷类型对钢梁火灾下的行为响应几乎可以不计。

杨秀萍等[11]用参数化方法研究自然火灾模型的随机变量以及防火保护层厚度对钢构件可靠性及灵敏度的影响，研究表明，自然火灾随机变量对钢梁可靠性的灵敏度有不同程度的影响，其中火灾最高温度影响最深。

针对工字钢，杨秀英[12]以梁端约束钢梁为例，研究荷载比对钢梁高温性能的影响，研究表明，随荷载比增大，钢梁的挠度变化逐渐加大，承担的极限温度也随之降低。

吕琳和叶中豹[13]以简支钢梁作为研究对象，通过ANSYS有限元分析软件，在三面受火情况下对固支约束钢梁的最大挠度进行分析，当温度场与截面同时非均匀分布时，钢梁挠度最大。汇总见表1。

1.2 约束钢梁火灾后抗火性能研究

有关约束钢梁高温下的抗火性能研究取得了不少成果，但是，国内外学者对钢梁抗火性能研究集中在升温阶段，在灭火过程中，消防水对火灾中钢梁的冷却降温也产生极大影响，为此继续开展相关研究是必然趋势。文献等[14-15]对约束钢梁降温阶段的承载性能试验分析，结果表明，泼水降温时钢材的强度得到恢复，这对梁的承载能力是有利的，但由于梁的收缩后产生收缩拉力，这对梁两端的节点是不利的。夏云春[16]讨论了不同位置上喷淋水快速冷却后钢梁的力学变化特性，试验可知构件在喷水迅速降温过程中，水温变化对结构受力和变形特性的影响程度较大，而水量变化对结构受力和变形特性的影响程度很小。

针对约束钢梁在升降温全过程下的力学性能，许多研究相继开展，这一系列实验结果[17-18]表明，降温阶段产生的挠度恢复量与升温阶段相比很小。杨秀英[19]研究了不同温度路径对钢梁高温性能的影响，进一步深入探索了降温速率、历史最高温度、降温最低温度以及升降温循环次数等参数对约束钢梁性能反应的影响。汇总见表2。

不同温度路径对钢梁高温性能的影响表2

1.3 约束钢梁爆炸和火灾共同作用下抗火性能

近来，针对约束钢梁火灾和爆炸相结合抗火性能的研究很少。汇总见表3。

约束钢梁爆炸和火灾共同作用下抗火性能表3

先前对约束钢梁的抗火研究条件局限于高温段和降温段，然而，在一定环境下，爆炸能发生在火灾中的任一阶段，钢梁作为建筑结构的一部分，在遭受爆炸和火灾的双重夹击下，钢梁的约束作用更为复杂。徐文晶等[20]通过对约束钢梁分别进行爆炸、高温（ISO845）、高温爆炸共同作用下的响应分析，得出以下结论：①室温时，钢梁在爆炸荷载下随着时间增长，跨中位移反而减小，但高温段不适用此规律；②发生爆炸前的温度越高，钢梁损坏越大。

段立平和赵金城[21]考虑到材料非线性和挠度引起的非线性效应，提出了一种有限元模型，能将爆炸过程的动力分析和火灾过程下的静力学分析联系起来，因此能实现多种不同的爆炸与火灾荷载的组合形式，与实际工程紧密贴合，具有实际参考价值。

张莹等[22]通过有限元模拟，分析撞击速度、落锤质量、边界条件等温度的效应，结果表明无论高温还是常温条件下，约束刚度增大，钢梁的变形随之变小。

2 悬链线效应的约束钢梁抗火性能研究现状

悬链线效应又称悬索效应，是指处于结构整体中的水平构件在失去抗弯能力后，通过构件中的轴力和挠度形成的力矩来抵抗外载荷产生的弯矩的现象。2001年曼彻斯特大学的T.C.H.Liu[23]做了关于钢梁悬链线效应的试验；王开强和李国强[24-25]等在分布荷载的作用下对钢梁的悬链线效应进行理论分析，利用约束系数方法和刚塑性铰模型推导出同时承受轴向弹簧和转动弹簧约束的钢梁在分布荷载作用下的荷载－跨中挠度曲线计算公式，并通过有限元软件ABAQUS得到了验证，在对比结果的基础上，进行了修正，提高公式的精确性。

栾艳萍和席风[26]提出了大挠度钢梁下极限温度的两个确定准则，而且建立了荷载作用下有关两端钢梁问题的控制方程和计算模型，该模型能够充分体现受火作用下钢梁的大挠度行为和悬链线效应。

马宁等[27]对蜂窝钢梁进行了参数分析，研究了轴向力、跨中挠度、端部轴向位移以及弯矩对悬链线效应的影响。

在以上研究的基础上，由于梁截面温度的不均匀分布，钢梁悬链线效应与均匀温度分布时有较大差别，实际结构中的钢梁上翼缘受到混凝土楼板的保护，处于三面受火状态，梁截面温度分布不均匀，上翼缘的温度比下翼缘和腹板的低。王培军等[28]以受约束波纹腹板梁为研究对象，对截面温度均匀和不均匀两种情况对比分析悬链线效应，结果表明，不均匀温度比越小的钢梁，热弯曲效应越明显，相应的临界温度越低。陈恒超和刘昌斌[29]也验证了上述结论。

张哲等[30]利用有限元模型对受约束波纹腹板梁和平腹板梁悬链线效应的受力机理进行了对比分析，探讨了两者对轴向承载力和抗弯承载力的贡献。

3 考虑蠕变效应的约束钢梁抗火性能研究现状

钢材在常温下的蠕变非常小，近乎不计，但是在高温和荷载作用下，钢材的高温蠕变容易在一定程度上对火灾中构件的受力性能和变形产生影响。目前已有多位学者考虑了蠕变对钢梁抗火性能的研究。Skowronski[31]提出了一种高温下钢材蠕变的新模型，并进行了火灾下钢梁的变形研究。Toric等[32]提出了一个考虑高温钢材蠕变的数值模型，通过模拟三根简支梁，修正静力下材料的应力－应变关系考虑蠕变，理论计算结果与试验结果基本吻合。

王卫永和何平召[33-34]为了具体化蠕变效应对约束钢梁抗火性能分析的影响，自主编写约束钢梁的计算程序，比较全面地计算了5种蠕变模型下约束钢梁的抗火性能并与试验数据进行对比。结果表明采用Norton蠕变模型[35]的计算结果与试验数据吻合最好，Harmathy蠕变模型[36]对约束梁抗火性能分析结果影响最大。两人又采用ANSYS软件建立约束钢梁分析模型，提出了一种钢梁考虑蠕变的高温承载力简化计算方法，对比分析发现耐火极限要求高的钢梁，如若按传统的高温承载力计算，将会导致结构失去稳定性。文献[37]在这一系列研究的基础上对计算方法进一步提升，考虑了截面应变时，蠕变对钢梁的影响。

此外，何平召等[38]对高温蠕变下约束高强度Q460钢梁开展抗火研究，并考虑轴向约束、转动约束刚度和荷载比、荷载类型等因素，试验结果显示，考虑蠕变后Q460约束钢梁抗火性能有明显的下降，同Q345普通钢梁相比，约束高强度Q460钢梁抗火性能好，约束钢梁的极限状态可以按钢梁达到轴向最大拉力时进行设计。