基于ANSYS的钢梁抗火性能分析

■王 会，苏 伟 ■连云港职业技术学院，江苏 连云港 222006

1 引言

钢结构由于强度高，施工方便，近年来，广泛被应用于工业与民用建筑。但由于钢材易生锈、耐火性较差，存在较大的安全隐患。一旦发生火灾，钢材的强度将下降较快，钢结构建筑的整体承载能力大幅下降，最终导致结构破坏和倒塌，由于梁为钢结构建筑的主要构件之一，因此研究钢梁在火灾和荷载下的反应为钢结构的设计和施工提供一定的参考价值［1］。

2 钢梁的热—结构耦合分析

2．1 分析模型

计算模型采用工字型钢梁，长为3m，两端采用刚性连接。梁上荷载为30KN/m，材料为Q335钢，工字形截面尺寸如下表1所示。

表1 工字型钢梁的截面尺寸(m)

在钢结构建筑中，因梁上铺设楼板，假设钢梁除上翼缘外，腹板和下翼缘各表面都受到火荷载的影响。在计算过程中，假定结构周围的初始环境温度为20℃，热对流系数和辐射率分别为25W/(m·℃)和 0．9，外界温度按公式逐渐升高，可计算得到各时刻的塑性变形和截面温度分布规律，以及钢梁的薄弱部位［2］。钢梁模型如下图1所示。

图1 工字型钢梁有限元模型

2．2 温度场分析

下图2为受火工字型钢梁在跨中截面处各部位的温度随时间变化的曲线。从图可知，上翼缘和其他部位相比较，温度最低;而三者中由于腹板同时受到辐射、对流以及热传导共同作用，温度最高;其次，由于钢梁下翼缘受火面减少，其温度低于腹板［3］。而上翼缘由于受到火荷载的影响最小，截面中温度分布处于最小状态。

图2 梁跨中截面不同部位的温度—时间曲线

2．3 结构分析

根据钢结构构件抗火设计原则，耐火极限为:当构件的最大挠度为时，钢梁就不能继续承载［4］。根据该计算原则，其结构破坏时，跨中挠度应为。

从下图3分析可知，当工字型钢梁的跨中挠度达到100mm时，梁腹板的温度约为550℃，时间为500s左右。

图3 梁跨中挠度—时间曲线

图4 工字型钢梁的变形图

由上图4可知，在火灾和外荷载共同作用下，钢梁的跨中挠度最大，两端挠度最小。

而从下图5和图6以及计算过程表明，钢梁抗火的薄弱部位于两端刚接点处，尽管该处的温度较低，但塑性区仍先发生在梁端根部翼缘部位，且应力集中较为严重。

图5 梁端节点的塑性应变分布图

图6 梁端节点的应力分布图

3 结论

(1)在火灾发生的初期，工字型钢梁的下翼缘和腹板温差不大，但由于在上翼缘铺压型钢板或混凝土板，其与下翼缘和腹板温差比较大。随着火灾的作用，梁腹板和上下翼缘的温差逐渐变大，最终达到一个最大值，在火灾后期，随着钢梁内部的热传导作用，三者的温差逐渐减小，最后温度趋于一致。

(2)在钢梁整个受火过程中，梁端根部翼缘最早进入塑性，且应力集中较为严重。因此钢梁两端的支座部位是梁的薄弱部位，对其进行防火保护显得尤为重要。