钢框架在高温作用下的失效分析

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(1.太原理工大学 阳泉学院 建筑工程系，山西 阳泉 045000；2.山西省电力勘测设计院，山西 太原 030001)

引言

钢结构作为一种蓬勃发展的结构体系，其优点有目共睹，但其缺点也不容忽视。除耐腐蚀性差之外，耐火性差也是钢结构的一大缺点。钢结构虽非燃烧体，但钢不耐火，当温度为400 ℃时，钢材的屈服强度将降至室温下强度的一半；温度达到600 ℃时，钢材基本丧失全部强度和刚度。因此，一旦发生火灾，钢结构很容易遭受破坏而倒塌。本文以一单层单跨钢框架模型为算例，利用ANSYS软件，对高温作用下的钢框架进行失效分析。

1 单层单跨钢框架模型的建立

应用ANSY软件建立钢框架模型，具体情况如下：

(1)跨度：6 m，层高：3 m。

(2)梁截面：H300×200×8×12，三面受火，F/V=169；柱截面：H350×350×12×20，四面受火，F/V=117。F/V为构件的截面形状系数，为单位长度构件的表面积与体积之比。

(3)荷载：梁顶q=30 kN/m，柱顶Q=1 000 kN。

(4)梁柱单元：均为Beam3单元。

2 高温下计算参数的选取

(2)密度：7 850 kg/m3。

(3)比热和热传导系数：根据欧洲标准委员会(CEN)的建议选用。比热如表1所示，热传导系数如表2所示。

表1 CEN建议的高温下钢材的比热[1-2]

表2 CEN建议的高温下钢材的热传导系数[1-2]

(4)高温作用下的力学模型参数：采用CEN建议的高温下钢材应力-应变折减参数，如表3所示。其中：Kyθ=fyθ/fy为屈服应力之比；Kpθ=fpθ/fp为比例极限之比；KEθ=Eαθ/Eα为弹性模量之比。

表3 CEN建议的高温下钢材应力-应变折减参数[1-2]

3 钢框架在高温下的失效分析

3.1 高温下钢框架的破坏准则

根据GB 50068—2001《建筑结构可靠度设计统一标准》[3]关于极限状态的设计原则，本文所采用的破坏准则为：①柱破坏或梁整体失稳；②梁的跨中挠度超过跨度的1/30。

3.2 建立ANSYS分析模型并加载求解

钢框架截面温度场的分析类型为瞬态热分析。定义初始温度为20 ℃，导热系数采用前述的导热系数。变形分析类型为静力非线性分析。

3.3 分析结果

(1)梁腹板、翼缘温度随时间的变化如表4所示。

表4 梁腹板、翼缘温度随时间的变化

(2)钢框架在高温作用下随时间的变形如图1所示，梁柱各结点的位移如表5所示。

图1 高温作用下的破坏过程

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4 数据分析

从图1和表5的分析数据可知：在0～20 min之间，虽然梁、柱有些部位变形过大，但尚未破坏；到21 min时，框架柱局部突然失稳破坏，导致结构整体破坏，所以模型的耐火极限是20 min。而此时梁上翼缘、腹板和下翼缘的温度分别为166.6 ℃、661.6 ℃和527.1 ℃，柱翼缘和腹板的温度分别为394.6 ℃和607.6 ℃，故可认为模型二梁的临界温度为527.1 ℃，柱的临界温度为394.6 ℃。

参考文献：

[1] ENV1993-1-2：2001，Eurocode3：Designofsteelstructures—Part1.2：Generalrules—Structuralfiredesign[S].

[2] 蒋首超，李国强.局部火灾下钢框架温度内力的实用计算方法[J].工业建筑，2000，30(9)：56-61，82.

[3] GB 50068—2001，建筑结构可靠度设计统一标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2001.