受火钢结构温度—结构耦合场分析

张之峰 石国峰

摘要：该文通过比较和分析火灾下钢结构的极限状态以及抗火设计中的抗力取值与荷载效应组合前提下，利用 ANSYS 软件，以非线性有限元为基础，参考传热学及弹性力学，建立钢结构构件火灾下传热模型和受力模型，其受力模型主要考虑静力荷载及温度荷载共同作用。再通过温度—结构耦合计算，分析钢构件受火时间与抗火之间的关系，绘制火灾发生时间与变形、结构承载力、稳定的关系曲线。

关键词：受火状态；钢结构；温度—结构耦合

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）03-0260-03

耐火性能差是结构用钢材的一个致命缺点，钢材的强度、弹性模量等基本力学性能指标在一定的温度下会急剧下降，一旦发生火灾，钢结构构件就会大大丧失承载能力，进而整个结构体系也可能发生破坏，造成严重的后果。

我们试图利用 ANSYS 软件建立钢结构构件在火灾条件下的传热模型与在静力荷载及温度荷载共同作用下的受力模型，进行钢结构构件的温度—结构耦合计算，以建立钢构件受火时间与受火后结构抗力之间的关系。通过遇火情况下钢结构构件全过程反应分析，绘制出受火时间与构件变形、结构承载力和稳定的关系曲线。分析钢结构构件的遇火承载力变化，确定特征承载力，以便更准确了解结构构件耐火时间以及能够探寻更简单、更有效的钢结构防火保护措施。

1 ANSYS瞬态热分析计算模型

1.1 受火模型形式

根据构件受火后的实际情况与构件的约束状况，我们采用以简支梁为研究基础的三面受火状态（如图1）和以框架柱为研究基础的四面受火状态（如图2）。受火温度按照标准升温曲线升温，转化为温度荷载，以 60 秒为一个荷载步施加。

图1 梁的三面受火形式 图2 柱的四面受火形式

1.2 Ansys分析单元类型

由于受火后构件截面温度分布不均匀，构件单元采用体单元；热分析单元采用八结点六面体单元 SOLID70【1】。热分析单元所采用的八结点六面体单元在每个结点只具有单自由度—温度，并且这种SOLID70热分析单元可以考虑对流和辐射，我们在进行热分析的基础上还可以进行稳态和瞬态传热分析。采用实体单元SOLID70建模，所有单元均为正六面体，这样容易保证计算的收敛性。

1.3 材料的热物理特性

1） 本文所分析钢结构构件材料均采用Q235钢，并符合各向同性的理想弹塑性材料假定，服从Mises屈服准则和关联流动法则，不计残余应力[2]。

2） 钢材的导热系数0℃～600℃范围按欧洲规范[λs]取值为45W/（m.℃）超过600℃时按照日本的研究。

3） 钢材的比热[Cs]取自日本的研究数据。

6） 钢材的泊松比[μs=0.3]；

7）膨胀系数按我国规范取[αs=1.2×10-5m/m.oC]；

8）钢材的密度[ρs=7850kg/m3]。

2 温度—结构耦合场的计算分析

温度—结构耦合分析是将热分析得到的节点温度场作为结构分析的载荷，进行静力分析过程中实现耦合。我们整个的分析过程就是在外界环境温度已知的情况下，首先通过传热分析得到结构随时间变化的温度场，然后把此温度场作为荷载，计算此温度场下结构的受力，进而与静力荷载叠加求解。ANSYS 提供了直接耦合与间接耦合[1]两种分析耦合场的方法。

本文温度—结构耦合分析中，热对流传热系数取 25W / m2.℃，结构的初始温度定为 20℃ ，外界环境温度按照标准升温曲线升温，每 60 秒为一个荷载步，直至3600 秒。通过 ANSYS 进行热分析可以计算出不同时刻结构的温度场。热分析结束后，进行构件的静力分析。按照多个荷载步读入热分析结果，以实现温度荷载的施加。间接法进行耦合计算中，受火钢结构单元在结构分析中应将SOLID70 单元转换为 SOLID45 单元，因为该单元可以进行材料非线性，几何非线性分析。SOLID45 单元内的温度可以通过结点的三次插值得到。

3 Ansys分析结果

1）通过对三种不同截面尺寸的工字型截面在相同升温条件下，相同时刻的截面温度场分析可以得出同时刻最大温差如下图。

图3 三面受火不同截面同时刻最大温差

图4 四面受火不同截面同时刻最大温差

从梁在三面受火状态下三种不同截面同时刻最大温差可以看出，在梁腹板厚度小于翼缘厚度时，截面温度最高点与温度最低点差值较大；在梁腹板厚度与翼缘厚度接近时，截面温度最高点与温度最低点差值较小。如果继续提高腹板相对厚度，即超过翼缘的厚度，温差变化不大，基本接近腹板与翼缘等厚情况。但是，从柱在四面受火状态下三种不同截面同时刻的最大温差来看，整个升温过程中，如果柱翼缘与腹板厚度相同，柱翼缘的温度最高；柱翼缘厚度大于腹板厚度时，柱腹板温度最高。而且腹板厚度对截面温度场的分布以及同时刻截面最高温度影响较大。更突出的是腹板厚度越大，温差越小。纵向比较三面受火的梁与四面受火的柱，可以看出四面受火的柱截面温度最高点和最低点差值要比三面受火的梁要小。很明显，四面受火的柱比三面受火的梁受热相对来说要均匀。正是由于受火状态不同，相对来说，四面受火截面，翼缘温度分布比较均衡。由此可见，截面受火方式对结构截面的温度分布有重要影响。在结构抗火计算时，对截面温度完全线性分布的假定有必要考虑构件的受火形式[3]，进一步进行相关研究确定结构抗火设计的适用条件。

并且，设计中，我们实际往往采用腹板比翼缘板薄的构件，这是因为加大翼缘厚度对于提高构件的承载力来讲要比加大腹板厚度来的有效，殊不知，这种情况却对构件的抗火不利。如果我们设计的构件腹板与翼缘厚度相差太大，发生火灾时会造成构件在达到极限承载力之前，腹板在高温下先发生局部屈曲的状况。我们在进行钢结构设计时，必须进行抗火设计，采取合理的方案，钢与混凝土的混合方案不失一种有效的选择。

2）通过ANSYS 热分析，我们可以对构件施加由ANSYS 热分析确定的温度场，即温度荷载以及静力荷载。可以得出静力荷载及温度荷载共同作用下的钢构件的力学反应。对于钢梁分析比较容易，因为受火时，楼板对钢梁有一定的约束，而且混凝土的抗火性能好，影响小，此时的钢梁几乎不会产生整体侧向失稳，这样，我们就可以只计算钢梁平面内极限承载力，控制好钢构件在火灾条件下极限状态的变形即可。 ANSYS 结构分析后，可以发现，钢梁受火承载力达到其屈服强度时，其挠度远远没有达到极限状态，但由于构件温度的升高，构件挠度会随着受火时间的持续而出现急剧加大的现象。

图5 梁跨中挠度随时间变化曲线

图6 梁荷载组合效应与屈服强度随时间关系曲线

通过一系列分析数据我们得到不同腹板厚度下的简支梁跨中挠度随时间变化曲线和梁荷载组合效应与屈服强度随时间关系曲线分析可知，构件屈服强度会随温度的升高而降低，而且近乎线性变化，这是因为简支梁作为静定结构，热膨胀影响变形，不产生附加应力。如果构件的变形包括受热变形受到约束，就会产生附加应力，在结构受火分析时另当别论，不过构件屈服强度会随温度的升高而降低的情形不会变。另外，我们针对300mm×150mm×10mm×10mm ，300mm×150mm×10mm×8mm ，300mm×150mm×10mm×6mm三种截面的受火极限状态分析，三种截面分别在t =1140s ，t = 960s ，t = 780s 时达到其极限状态，腹板厚度与达到极限状态的时间干系重大。挠度变形也明显随着腹板厚度减小而增大，受火时间越长越明显。可以得出结论，在相同的边界条件、相同的受力及相同的受火条件下，腹板厚度对构件抗火时间有重要影响。

4 结论

通过本文的针对钢结构构件的温度—结构耦合场的计算分析，可以得到如下结论，供设计参考。

1）截面受火方式的不同对截面温度分布有很大影响。因此，在结构抗火计算时，不应在没由考虑构件受火形式而假设截面温度完全线性分布。需要进一步研究截面温度完全线性分布假定的适用范围，确保钢结构构件抗火设计的科学性。

2）腹板厚度对构件抗火时间有很大影响。从而得出加大腹板厚度对结构构件抗火性能有重大影响，但要考虑钢结构构件的整体设计，在具备充分依据的情况下可以考虑加大腹板厚度以增强抗火性能，建议在钢结构抗火规范中提出必要的构造措施。

参考文献：

[1] 刘涛，杨凤鹏.精通 ANSYS[M].北京：清华大学出版社 2002.

[2] 王学谦，建筑防火[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2000.

[3] 李国强.钢结构抗火计算与设计[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 1999.