钢梁在火灾中的结构行为分析

杨恺

摘要：钢结构具有重量轻、强度高、施工快等优点，广泛应用于建筑工程、市政工程和水利工程。但钢材本身不耐火，随着钢结构建筑的迅猛发展，火灾条件下钢结构的抗火性能研究变得越来越重要。以受火灾的钢梁为研究对象，采用ABAQUS有限元模拟分析了钢梁结构在火灾条件下的状态和抗火性能。深入分析了有防火措施和无防火措施条件下钢梁在线性火、标准火和参数火不同条件下的应力应变、温度和挠度及其影响因素，进一步提出了提升钢梁防火效果的建议。研究成果可为钢梁防火设计提供参考。

关键词：钢梁;ABAQUS;火灾;应力应变;温度;挠度

中图法分类号：TU391

文献标志码：A

文章编号：1006-0081（2020）12-0053-06

钢结构广泛使用于建筑工程、市政工程和水利工程中。钢的延性行为允许塑性变形（如屈服）而不会造成脆性破坏。在钢筋混凝土结构中，钢筋通过承受拉力来帮助增强钢筋混凝土结构的强度。尽管钢材有重量轻、强度高、施工快等优点，但钢材本身不耐火，易受火灾影响。对于未受保护的钢梁，在火灾条件下可能会遇到温度高于550℃导致结构强度失效以及温度高于620℃产生结构过度形变等问题。有关研究表明，火灾引起的高温会导致钢材的强度和刚度降低，钢材过度变形从而导致结构失效。另外，钢梁受热可以等效为增加了附加温度荷载，随着荷载的增大，挠度基本上按荷载增大的比例而线性增大。曹元元指出，高温下钢梁承载力较常温有显著降低，当温度超过700℃时，钢材基本丧失承载能力。

结构防火安全是高层建筑设计中最重要的考虑因素之一，其中钢通常是结构构件的首选材料，如果建筑采用无防火保护措施的钢结构，那么一旦发生火灾，结构会在短时间内遭到破坏，甚至倒塌，从而造成难以估量的损失。

目前，主要通过物理试验和数值仿真来对钢材的抗火性能进行研究。丛术平等对采用轧制H型钢的简支梁在不同荷载水平作用下的抗火性能进行了试验研究，试验中采用水平燃油炉对试件进行升温。由于物理试验耗时间、成本高，且需要进行大量重复试验，而数值分析可以减少测试次数并缩小单个构件的结果与较大结构构件的结果之间的差距。因此，许多研究工作旨在开发数值模型，通过较便利的计算机模拟来预测遭受火灾的钢梁结构的实际行为。近年来，许多文献介绍了用有限元分析法分析梁的受力成果。如郝聪龙等以ABAQUS为平台，提出了模拟钢-混凝土组合梁在火灾作用下的温度场仿真模型，为后续热力耦合分析，将温度荷载施加到结构分析中打下了基础。李娟等以ANSYS为平台，研究了火灾条件下不同温升速率对简支梁耐火时间的影响。

本文采用ABAQUS有限元程序研究了火灾条件下钢梁的抗火性能，使用发泡型防火涂料作为钢梁受保护条件，针对不受保护和受保护条件，对线性火、标准（ISO）火和参数火3种火灾工况下钢梁的应力应变、温度和挠度进行了探讨，对火灾中钢梁失效的影响因素进行了深入分析，在此基础上提出了提升钢梁防火效果的建议。

1分析方法

1.1钢梁与火灾条件设定

本文采用ABAQUS有限元程序对钢结构建筑中的一根钢梁进行结构分析。钢框架结构为30m×30m，梁跨度7.5m，作用在钢梁上的永久载荷G_k=2.9kN/m²，可变荷载Q_k=2.5kN/m²，分项安全系数分别为1.35和1.5，钢梁规格为UB457×191×74，钢材型号为S275，经规范计算的最大允许挠度为37.5mm，受保护钢梁使用的发泡型防火涂料厚度d_p=15mm，密度ρ_p=430kg/m³，定压热容c_p=1200J/（kg·K），热导率λ_p=0.17W/（m·K）。钢梁横截面参数见图1。

室内火灾温升曲线主要有马忠诚模型、ASCE模型、欧洲规范模型、瑞典模型和标准温升曲线模型。以往研究通常基于标准温升曲线分析钢梁的火灾响应特性，只有少数研究采用更接近实际火灾场景的BFD自然温升曲线。为了更全面地分析钢梁在火灾中的性态，本文考虑了线性火、标准火和参数火3种不同火灾条件：线性火指使用每分钟10℃的线性加热速率来分析火灾对钢梁的影响;标准火是最常用的火，其通过预定义某些任意温度一时间关系来表示火灾，大多数真实的火灾测试都使用标准火。通常分析标准火条件下的挠度、弯矩和轴向力;参数火是一种现实的火，它允许燃料负荷，通风口和墙衬材料的组合产生时间-温度关系。

1.2ABAQUS建模

为了研究钢梁在不同火灾情况下的行为，使用C3D8R元件类型在ABAQUS中建立了三维实体模型，见图2。工字型钢梁由下翼缘（底部凸缘）、腹板和上翼缘（顶部凸缘）组成，钢梁为简单支撑（承）。当钢梁受到板的约束时，钢梁在两端的腹板和整个顶部凸缘处沿x方向受到约束。假设钢梁在线性火、标准火和参数火条件下被均匀加热。

2火灾中钢梁结构分析

从钢梁的应力应变、温度和挠度3个方面对火灾中的钢梁结构行为进行分析。

2.1應力应变分析

（1）线性火条件。图3展示了线性火条件下未受保护钢梁的米塞斯（mises）应力，不同的颜色表示不同的米塞斯应力的大小，其中红色代表高米塞斯应力区域，蓝色代表低米塞斯应力区域。在高温和中跨荷载的共同作用下，钢梁最终会发生相当大的形变。随着温度线性增加，钢梁强烈变形，红色区域主要集中在钢梁中部，表明米塞斯应力在钢梁中部非常大。

（2）标准火条件。图4和图5分别展示了受发泡型防火涂料保护和未受保护的钢梁在标准火条件下的米塞斯应力。类似于线性火，标准火可以加热钢梁至失效，但标准火的温度是在前50min内非常快速地增加，然后缓慢增加。从图4可以看出，受保护条件下蓝色区域较大，红色区域很小，甚至基本没有，表明受保护钢梁的米塞斯应力较低且均匀分布在钢梁上。受保护的钢梁在高温和中跨荷载的共同作用下发生形变，并且将梁中的力传递到其末端，再通过连接传递到支撑结构上。

由图5所示，在标准火条件下未受保护的钢梁中部（红色区域）米塞斯应力非常大，钢梁发生大幅形变，拱形的幅度明显更大。对比受保护和未受保护钢梁的抗火性能可知，防火材料可以强化钢梁并改变材料性能，使钢梁内部均匀传热，并保持较低的米塞斯应力，使钢梁取得了更好的耐火效果。

此外，未受保護的钢梁的两个端部连接几乎损坏。对比发现线性火条件下未受保护的钢梁比标准火条件下的钢梁损坏更为严重，这是因为线性火会把钢梁加热到更高的温度，使钢梁的强度和刚度随温度的升高而下降。

（3）参数火条件。图6和图7分别展示了受保护和未受保护的钢梁在参数火条件下的米塞斯应力。参数火不会将梁加热到失效，而只会加热到结构梁失效时的临界温度。从图6可以看出，参数火条件下钢梁保持较低的米塞斯应力，且均匀分布。与标准火类似，受保护的钢梁在高温和中跨荷载的共同作用下发生偏转，并且将梁中的力传递到其末端，再通过连接传递到支撑结构上。

图7中未受保护的钢梁在参数火条件下发生了相当大的偏转，展示了幅度更大的形变和更高的米塞斯应力。

对比图5和图7可知，标准火条件下未受保护的钢梁比参数火条件下的钢梁损坏得更严重，而参数火不会加热钢梁至失效。

综上可知，钢梁在线性火中的损坏最严重，标准火次之，而参数火中损坏最轻。

2.2热分析

2.2.1线性火条件

线性火条件温度随时间线性增加，因此温度一时间曲线是一条通过原点的直线。与形变曲线和挠度曲线不同，线性火灾中的热分析仅显示线性温度一时间曲线。

2.2.2标准火条件

图8为标准火条件下的温度一时间曲线，包括气体温度、有保护钢梁温度和无保护钢梁温度。标准火温度变化曲线是通过预先定义某些任意温度一时间关系来表示火灾的最简单方法，这种关系与通风和边界条件无关，因此标准火条件不符合真正的自然火灾条件，使得标准火和实际火灾之间的加热速率和火灾持续时间的差异可能导致不同的结构变化。

对于本文中的钢梁，受保护和未受保护钢梁的温度都会随着时间上升并持续增加。气体温度在前10min内迅速上升，然后均匀缓慢增加。未受保护的钢梁温度快速上升但比气体温度低，当温度达到1000℃时，两条曲线重合，表明钢梁温度与气体温度保持相同。此外，当超过临界温度646.1℃时，未受保护的钢梁温度增加得更慢，但在约20min后，温度会以原始速度升高（图8中曲线斜率代表温度的增加速度，在临界温度附近，曲线平缓，钢梁温度增加缓慢）。受保护的钢梁温度比其他温度上升慢，并且在达到临界温度之前类似于线性温度，而当超过临界温度646.1℃时，受保护的钢梁温度增加得更慢，但在约20min后，温度会恢复至原速度上升。气体和未受保护钢梁的最高温度超过1000℃，而受保护钢梁的最高温度在800℃左右，远低于未受保护钢梁的最高温度（两者相差200℃）。由于标准火条件下的温度只有温升阶段，没有达到最高温度之后的温降阶段，因此其温度变化曲线与真实的自然火灾存在差异。

然而，标准火条件并不能代表最严重的火灾条件，因为现在的办公室往往在装饰、家具、计算机和电子设备中包含大量的碳氢化合物燃料，如聚合物、塑料、人造皮革和层压板等，设计用于标准火条件下的结构构件可能无法抵御真实火灾。

2.2.3参数火条件

图9为参数火条件下的温度一时间曲线。参数火条件下的温度变化曲线考虑了隔间尺寸、燃料负荷、通风条件以及隔间墙壁和天花板的热性能。与标准火条件相比，可以给出更真实的火灾影响结果。

对于本文中的钢梁，受保护和未受保护的钢梁和气体温度达到最高温度后再降低，温度变化曲线为单峰函数。气体温度在最初的20min内迅速升高，温度达到约660℃，然后在不到20min内迅速降至20℃。未受保护的钢梁温度快速上升至最高温度约510℃，之后逐渐降至20℃。受保护的钢梁温度上升速度较慢，当温度达到240℃后逐渐缓慢降至20℃。从图9可以看出，当温度升高时，气体温度比未受保护的钢梁温度上升快，而受保护的钢梁温度上升较慢。同样，当温度下降时，气体温度比未受保护的钢梁温度下降快，而受保护的钢梁温度下降亦较慢。简而言之，气体温度陡升陡降，受保护钢梁温度缓升缓降，未受保护钢梁温度介于两者之间。参数火条件下气体的最高温度约为660℃，未受保护的钢梁最高温度约为510℃，受保护的钢梁最高温度约为240℃，受保护钢梁和未受保护钢梁的最高温度相差约270℃。

参数火条件下的温度变化曲线清楚地表明总时间段可分为加热和冷却两个阶段。

2.3挠度分析

2.3.1线性火条件

在ABAQUS分析中，相对时间用于简化结构行为：时间0-1表示负载施加周期，火从时间1开始施加。线性火条件下钢梁温度线性升高，但挠度不会线性增加。图10展示了钢梁在线性火条件下的挠度变化。起始值为22.005mm，当相对时间变为1.01时，偏差降低为21.995mm，然后偏转增加。在相对时间1.5和1.7之间，偏转再次减小然后立即增加到14989.4mm（对应相对时间为2），远大于规范中最大允许挠度37.5mm，表明钢梁在线性火灾中失效。

2.3.2标准火条件

与线性火条件不同，标准火的实际时间是从相对时间转移而来的。图11为标准火条件下受保护钢梁的挠度一时间曲线。由图11可知，钢梁初始挠度保持在22mm左右，300s后稍微下降持续约1min;500s后，当达到受保护钢梁临界温度时，挠度迅速增加到26mm，直到1200s。标准火条件下受保护钢梁的最大挠度为27mm，略高于室温值22mm，但低于规范的最大允许挠度37.5mm。因此受保护钢梁在标准火条件下是安全的。

图12为标准火条件下未受保护钢梁的挠度-时间曲线。由图12可知，挠度变化曲线可大致分为3个阶段，在前600s内挠度保持在22mm左右，之后缓慢增加，1000s后挠度增加得非常快，最终挠度增加到800mm，远大于规范计算的37.5mm的最大允许挠度，因此未受保护钢梁在标准火条件下失效。

2.3.3参数火条件

图13为参数火條件下受保护钢梁的挠度-时间曲线。由图13可知，在前700s内，挠度从22.0mm减少到21.8mm，然后在1360s后挠度增加到24.5mm，略高于室温值22.0mm，但低于规范的最大允许挠度37.5mm。因此受保护钢梁在参数火条件下是安全的。

图14为参数火条件下未受保护钢梁的挠度-时间曲线。由图14可知，在最初的300s内，挠度保持在22.0mm左右，之后缓慢且均匀地增加，直至挠度达到最大，其值达46.0mm，超过规范的最大允许挠度37.5mm，因此参数火条件下未受保护钢梁失效。

3火灾中钢梁失效影响因素分析

本文在讨论钢梁结构行为后发现许多因素导致未受保护的钢梁结构失效，主要影响因素如下。

（1）由于挠度过大导致失效。荷载作用在顶部翼缘的中间，顶部翼缘由混凝土保护，而钢梁的另外3个表面暴露在火中，气体温度比钢梁增加得快，会导致钢梁的强度和刚度下降得更快。因此在火灾初期，钢梁的挠度增长主要是由钢梁截面的温度梯度引起的，且钢梁中部没有约束，在火灾期间挠度很容易变得非常高，超过规范规定的最大允许挠度。

（2）由于温度升高，钢梁在火灾中受到远大于常温时的附加应力，导致钢梁底部凸缘朝x，y两端方向移动，而钢梁的两端和整个顶部凸缘在腹板中沿x方向受到约束，端部连接无法承载过大的应力，且高温下钢梁的极限承载力较之常温有很大的下降，因此钢梁在高温下容易失效。

4结论与建议

本文采用ABAQUS有限元程序对线性火、标准火和参数火3种不同火灾条件下钢梁的应力应变、温度和挠度进行了研究，主要结论如下。

（1）线性火和标准火均可以将钢梁加热至失效，但线性火加热温度更高，因此线性火条件下的钢梁比标准火条件下的钢梁损坏得更严重;而参数火不会将钢梁加热到失效。因此，钢梁在线性火中损坏最严重，标准火次之，参数火损坏最轻微。

（2）线性火温度呈线性增加;标准火的温度仅有一个温升阶段，达到最高温度之后没有温降阶段;参数火的温度变化曲线分为加热和冷却两个阶段。由于参数火考虑了隔间尺寸、燃料负荷、通风条件以及隔间墙壁和天花板的热性能，因此更加适用于真实的火灾研究。

（3）未受保护的钢梁最高温度和最大挠度远高于受保护的钢梁，其易形变为较大角度的拱形且两个端部连接几乎被损坏，因此要增加钢梁防火保护，确保钢梁不会因挠度过大而失效。

根据本文研究成果，建议从以下几点提升钢梁防火设计。

（1）钢梁防火设计中需重点关注钢梁的端部连接，该处的米塞斯应力往往非常高。

（2）为防止火灾加热阶段钢梁的拉伸破坏，可通过增大钢梁的尺寸，减小米塞斯应力值来实现。

（3）目前有许多防火技术可用于保护钢结构，包括喷涂保护，用砖石、混凝土或其他防火覆层材料包裹等。此外，通过增加板的厚度可提供更好的热传递，从而提升钢梁的防火效果。

（编辑：李慧）