标准火灾下U型钢-混凝土梁的耐火性能

高轩能, 朱皓明, 黄文欢

(华侨大学土木工程学院,福建泉州 362021)

U型钢-混凝土组合梁由冷弯薄壁型钢截面填充混凝土或钢筋混凝土组成,可充分发挥薄壁型钢和混凝土2种材料的优点,无需模板且易于浇灌混凝土,除具有外形整洁和施工快捷等优点外,还具有降低楼层高度、承载力高、延性和抗震性能好等优点,是一种经济美观、节能省材、符合低碳经济发展趋势并有广阔应用前景的新型构件[1-2]。填充混凝土或钢筋混凝土不仅改善了U型钢的局部屈曲性能,提高了其整体承载力,而且对其热工性能参数和耐火性能有很大影响。显然,现有的结构耐火和抗火设计理论均不适用于此类构件。对于其在常温下的静力承载性能,国内外学者已有部分研究[3-5],但对其在火灾高温下的温升特性及耐火性能的相关报道不多[6-9]。

火灾下U型钢-混凝土组合梁的传热是在非稳态环境下多介质及复杂边界条件下的非线性二维传热问题,构件的耐火性能与防火保护、材料热工性能和受火情况等条件有关。本文采用在空间上运用有限单元与在时间上运用有限差分法相结合的方法,应用ANSYS热分析程序,对薄壁 U型钢-混凝土组合梁在标准火灾下的耐火性能进行分析与计算。

1 热分析模型的建立及验证

1.1 分析条件及假定

研究简支U型钢-混凝土组合梁在室内火灾环境下的耐火性能,采用ISO-834标准温度-时间曲线描述构件的火灾环境[10],升温段公式为：

其中,t为时间;θg为 t时刻的空气温度;θg(0)为初始空气温度。

标准火灾下,U型钢-混凝土组合梁视为连续、各向同性、无内热源的无限长梁,为二维温度场问题,传热方式按对流换热和辐射换热考虑。

单位时间内,空气向构件对流传递的热量为：

其中,αc为对流传热系数;θb为构件表面(或保护层)温度。单位时间内,空气向构件辐射传递的净热量为：

其中,φ为形状系数;εr为综合辐射系数,εr=εfεm,εf、εm 分别与着火房间、构件表面特性有关;σ为Stefan-Boltzmann常数,5.67×10-8W/(m2◦K4)。

构件内部则主要以导热方式传递热量,截面的导热微分方程为：

其中,ρ为介质密度;c为介质比热容;λ为介质的导热系数;θ为截面(x,y)处在时刻t的温度。

为便于分析计算,对构件进行热分析时做如下假定：①构件截面的温度场与材料的应力、应变及开裂无关,即不考虑混凝土开裂或表层脱落后的截面局部变化引起的温度重分布;②构件截面的温度场是二维的,沿构件的轴线不变;③忽略钢材与混凝土之间接触热阻对组合梁构件传热的影响;④忽略钢筋体积对构件截面温度场的影响;⑤一般情况下,不考虑水分蒸发对温度场的影响。

1.2 参数选取及热边界条件

根据研究对象特性,本文在热分析中采用辐射传热与对流传热分开考虑,参考文献[11]的边界条件假定和边界参数取值,热分析参数的具体取值见表1所列。

表1 热分析系数

在计算模型中,采用PLANE55单元。考虑到U型钢-混凝土组合梁截面的对称性,取梁截面的1/2进行分析。单元尺度大小取5 mm×5 mm左右,单元网格与热边界条件如图1所示。

图1 单元网格与热边界条件

1.3 热分析模型的验证

型钢-混凝土组合扁梁截面在ISO-834标准火灾作用下的温度场结果[12],可以为本文计算模型提供验证依据。组合扁梁截面尺寸和温度-时间曲线计算点如图2所示,计算时考虑了边界的对流和辐射换热、含水率及界面热阻的影响。文献[12]采用有限差分法计算,本文采用ANSYS建模进行模拟计算,结果的比较如图3所示。

从图3可见,本文热分析模型的ANSYS计算结果与文献[12]结果吻合很好,计算点1、2和3的温度-时间历程曲线几乎完全吻合,表明本文所建立的传热模型合理,编制的计算程序适用于U型钢-混凝土组合梁构件的耐火性能分析。

图2 文献[12]组合梁截面及温度场计算点

图3 本文模型与文献[12]计算结果的比较

2 数值计算结果与讨论

2.1 无防火保护组合梁的耐火特性计算

U型钢梁宽b1=150 mm,翼缘宽b2=50 mm,混凝土板宽 b3=600 mm,混凝土板高h1=80 mm,U型钢梁高h2=300 mm,钢梁腹板及翼缘板厚d1=d2=3 mm,混凝土材料为硅质混凝土,火灾环境温度按ISO-834标准升温曲线变化,无防火保护层。按本文上述方法建模,单元网格及热边界条件如图1所示,热分析参数见表1所列。组合梁截面的ANSYS热分析计算结果如图4所示。

从图4a可以看出,对于无防火保护的U型钢混凝土组合梁,在受火30 min时,截面角部钢板(耐火最不利点)的温度就可达到600℃以上,钢梁截面开始丧失承载力,靠近钢梁的内部混凝土温度也可达到600℃以上,表明组合梁基本已达到其耐火极限,丧失了继续承载的能力。

图4 无防火涂层组合梁截面的温度场

2.2 有防火保护组合梁的耐火特性计算

有防火保护组合梁的 b1、b2、b3 、h1 、h2 同无防火保护组合参数,混凝土材料与火灾环境温度的变化同2.1,采用厚涂型防火涂料,dcover=6 mm,防火涂料的热工性能为：λ=0.116 W/(m◦K),c=1.047×103J/(kg◦K),ρ=(400±20)kg/m3。编制ANSYS热分析程序,计算了组合梁截面的温度分布,如图5所示。

图5 有防火涂层组合梁截面的温度场

从图5可知,对于有厚涂型防火涂料保护的组合梁,在ISO-834标准火灾下受火30 min时,组合梁截面的温度升高很小,钢梁的温度不到300℃,截面在正常温度范围内工作;60 min时钢梁和内部混凝土进入高温工作阶段,截面角部的温度为250～450℃,组合梁的承载性能尚好;90 min时钢梁和内部混凝土进入高温工作阶段,截面角部温度为450～600℃,组合梁的承载性能开始进入极限状态;120 min时,曝火面保护层下的钢板达到丧失其承载力的温度,组合梁内部混凝土的温度为500～650℃,组合梁丧失了承载能力,表明防火涂层可有效阻挡高温的传递,但耐火时间取决于防火涂层厚度(本文仅为6 mm)。

2.3 填充混凝土对组合梁钢板升温的影响

U型钢-混凝土组合梁的内填充混凝土对钢板有吸热作用,可改善组合梁的耐火特性。对该组合梁按不考虑填充混凝土吸热和考虑混凝土吸热2种情况在ISO-834标准火灾条件下的温升特性进行模拟,计算模型和边界条件同前所述。构件的截面形状系数F/V＜10时,钢构件温度按截面温度非均匀分布计算,F/V＞300时,钢构件温度按等于空气温度考虑[10]。为了便于比较分析填充混凝土对 U型钢-混凝土梁耐火性能的影响,选取如图6所示U型钢截面不同位置处的钢板温度作为计算点。ISO-834标准火灾条件下,不考虑填充混凝土吸热和考虑混凝土吸热2种情况下的组合梁钢板计算点的温度变化情况见表2所列(U型钢截面钢板厚度d1=d2=3 mm)。

图6 U型钢截面钢板温度计算点

表2 填充混凝土对U型钢-混凝土梁耐火特性的影响

从表2可以看出,填充混凝土时,U型钢各个计算点处钢板的温度均显著比不填充混凝土时低,特别是在火灾升温前期(受火前30 min内),填充混凝土的存在对组合梁的耐火性能非常有利。无填充钢梁在ISO-834标准火灾下10 min即达到678.43℃,15 min可达到730℃,基本丧失承载能力。而对于填充了混凝土的U型钢-混凝土组合梁,以最不利位置角点C来说,由于混凝土的吸热作用,无防火保护的组合梁在标准火灾下受火10 min时,钢梁的温度降低约50%,受火20 min时降低约23%,受火30 min时升温到730.89℃,降低约13%,约有15 min的温升延时。而整个型钢截面的温度变化是不均匀的,截面的其他位置温度降低更多。由此表明,由于混凝土的吸热效应,无防火保护的U型钢-混凝土组合梁的耐火性能比一般钢-混凝土组合梁好。

3 结 论

本文通过在空间上运用有限单元与在时间上运用有限差分法相结合的方法,应用ANSYS编制热分析程序,分析计算了U型钢-混凝土组合梁在ISO-834标准火灾下和不同防火保护条件下截面的温度变化情况,可以得出如下结论。

(1)在ISO-834标准火灾下,无论有无防火保护,填充混凝土都使 U型钢-混凝土组合梁截面的温度分布不均匀,该梁的耐火特性不同于普通型钢-混凝土组合梁,也不同于钢筋混凝土梁,用给定临界温度来判定组合梁是否达到耐火极限的方法偏于保守,并不完全适用。

(2)填充混凝土对改善U型钢-混凝土组合梁的耐火性能有利,无论有无防火保护,混凝土的吸热效应可有效降低钢梁截面的温度,产生温升延时效应。在ISO-834标准火灾升温前期(约前30 min),无防火保护的U型钢-混凝土组合梁考虑混凝土吸热效应时,与钢梁相比组合梁钢板的温升降低幅度可达到15%～60%,温升延时可达15 min左右。

(3)U型钢-混凝土组合梁应用于有防护要求的工程时,应进行防火保护。U型钢外角点处为耐火性能最不利点,应特别注意该处的防火保护。研究结果可为U型钢-混凝土组合梁的抗火性能研究提供参考。

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