火灾高温及荷载耦合作用下钢筋混凝土托梁转换结构的变形分析

宋师雷，苏 兵，方 猛，戴立屹，孔维一

(山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101)

带转换层的建筑结构是复杂高层建筑中十分常见的一种结构，广泛应用于现代商业、办公或民居一体的综合建筑中。为实现这类建筑功能的要求，必须进行结构的非常规设计［1］，在上部布置小开间，下部布置大空间，即上部多用剪力墙或小柱距，下部采用较大跨度的柱网。转换层或转换构件广泛存在于现代高层建筑中，特别是综合性建筑，因而加强对带转换层建筑的研究具有非常重要的意义。国内外学者对混凝土转换构件的研究主要集中于抗震性能及承载力，很少涉及混凝土转换结构的抗火研究。鉴于托梁转换结构在框架中的关键作用，本文运用有限元软件ABAQUS，模拟分析托梁转换结构在高温及荷载耦合作用下的受力变形。

图1 框架模型节点编号及房间编号

1 受火工况及分析模型

1.1 火灾工况设计

考虑火灾发生的偶然性，共设计了14种工况进行分析，见图1及表1。

表1 受火工况

工况1～4为单室火灾，柱设计为三面受火，受火区上部梁为三面受火，下部梁为单面受火;工况5～8为两房间火灾，受火中柱为四面受火，其余梁柱同工况1～4;工况9～11为三房间火灾，受火中柱及中梁为四面受火，其余梁柱同工况1～4;工况12～13为四房间火灾，梁柱同工况9～11;工况14为整体火灾，梁柱同工况9～11。

1.2 ABAQUS有限元分析模型

1)框架的有限元分析模型

框架的有限元分析模型见图2。

2)钢材的本构模型

钢材的本构模型选用文献［2］中的双折线模型，服从Von Mises屈服准则。

3)混凝土的本构模型

随着温度的提高，高温作用后混凝土的变形曲线渐趋扁平，峰点明显下降且右移［3］。峰点比常温下应力—应变曲线的峰点低得多。采用文献［4］给出的应力应变曲线关系，全曲线表达式为

图2 框架模型

式中 fc为混凝土轴心设计抗压强度，N/mm2;fcT为温度T时的混凝土轴心设计抗压强度，N/mm2;σ为混凝土的压应力;ε为混凝土的压应变;ε0为混凝土压应力达到fc时的混凝土压应变，当ε0＜0.002时，取为0.002;ε0T为温度T时的混凝土压应力达到fc时的混凝土压应变。

4)升温曲线

采用国际标准化组织(ISO834)建议的结构构件抗火试验曲线［5］，如图3所示，具体公式为

式中 T0为试验炉内的初始温度;T为燃烧开始时间t后炉内空气的平均温度;t为升温时间，min。

图3 ISO834国际标准升温曲线

2 有限元分析及结果

通过ABAQUS有限元软件对托梁转换结构框架模型进行非线性分析，分析结果见图4～6。

图4 托梁位移—时间曲线(托梁与边柱交叉点，即节点10)

由图4～6可知:

1)在荷载单独作用下，节点10的竖向位移为－0.176 584 mm，节点11的竖向位移为－0.572 33 mm，而托梁跨中节点(节点10与11中间)的竖向位移为－0.411 481 mm。由此看来，在荷载单独作用下，托梁转换结构位移最大的是节点11，即托梁与中柱交叉点，也是托梁变形最大的节点。升温前期，受火房间向外膨胀变形，导致周围结构发生向上、向外膨胀变形，结构以热膨胀变形为主。由于受火梁的热膨胀，各柱发生明显的向外膨胀变形。升温后期，相对于常温部分，结构受火部位的变形显著增加，主要是由于材料高温软化所致。达到耐火极限时，结构受火部分相对常温部分的变形进一步增加和集中，结构表现为局部变形过大而破坏。

图5 托梁位移—时间曲线(托梁中点)

图6 托梁位移—时间曲线(托梁与中柱交叉点，即节点11)

2)在火灾高温及荷载耦合作用下，工况4、8、11、14框架节点位移—时间曲线呈上升趋势，且在100 min之前上升迅速，过了100 min曲线上升缓慢，这与标准升温曲线的温度上升有关，位移的变化与框架受火温度有关，温度上升快，相应的位移增长也相对较快。尽管受热过程中梁经历了横向挠曲和材料软化，仍表现为热膨胀变形为主。由此可见，梁的热膨胀变形仍是结构变形的主要因素。

3)工况4、8、11、14与其它工况明显不同，从受火工况看，工况4、8、11、14中，托梁是受火梁，处于框架结构的底层，由于受火梁的热膨胀，边柱发生明显的向外膨胀变形，从而导致托梁的竖向位移随温度升高而增大，受火影响比较明显;其它工况托梁没有直接受火，位移受火灾的影响比较小。因此，结构的变形主要是由受火房间构件特别是三面受火梁的材料软化和四面受火柱的失稳所致。

4)工况4的托梁与中柱交点位移明显大于其它工况，主要是单室受火梁的热膨胀所致，其它工况中，竖向位移明显要比其它节点小，这与荷载及重力荷载作用有关。

3 托梁转换结构抗火实用设计建议

1)单室火灾下，当受火房间位于结构中部时，托梁中部挠度较大，结构损伤较为严重，常温区结构抗火验算时可将最不利火灾布置在结构中部。

2)因为多室火灾托梁耐火极限小于单室火灾，而且多室火灾耐火极限取决于四面受火柱的耐火极限，因此，在结构设计时，可选择底层及二层的三室火灾工况进行计算。

3)火灾作用下，托梁与中柱交叉点是托梁变形最大的节点，因此进行托梁设计时，要特别加强梁柱节点配筋设计。

4 结论

1)达到耐火极限前，结构的变形模式主要受火梁和受火柱热膨胀的影响，受火梁的热膨胀变形是结构变形的主要原因。

2)受火后期，托梁结构的变形主要集中在受火部分(单室火灾)及以上部分(多室火灾)，结构的变形主要是由于受火房间构件特别是三面受火梁的材料软化和四面受火柱的失稳所致。

3)托梁与中柱的交点受到荷载及重力荷载作用比较明显，也是结构的薄弱环节。

4)多室火灾，特别是当受火房间位于结构底层时，对整体结构的火灾安全影响更大。

［1］唐兴荣.高层建筑转换层结构设计与施工［M］.北京:中国建筑工业出版社，2002.

［2］中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50010—2010 混凝土结构设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［3］于德帅.预应力型钢混凝土结构耐火性能试验研究［D］.济南:山东建筑大学，2011.

［4］陆洲导.钢筋混凝土梁对火灾反应的研究［D］.上海:同济大学，1989.

［5］International Standard ISO834.Frie-Resistance Tests Elements of Building Construction［S］.