火灾下混凝土框架结构力学性能研究

宋岩升,潘勇旭,赵 刚

(沈阳建筑大学土木工程学院,辽宁 沈阳 110168)

混凝土框架结构作为多、高层建筑主要结构形式,广泛应用于建筑领域。目前,国内外对火灾后混凝土结构的力学性能研究已取得了一些成果[1-7]。陆洲导等[8]对框架结构进行低周往复加载试验,分析了结构的破坏模式、荷载-位移关系与高温和梁柱尺寸等因素的关系;王广勇等[9-10]采用纤维单元法对遭受火灾的钢筋混凝土框架结构受力性能进行了分析;肖建庄[11]通过火灾后框架抗震试验提出,高温后高性能混凝土框架结构易发生“强梁弱柱”破坏,承载力、刚度及耗能均明显下降,仅延性有所提高。

以上研究多数采用国际标准升温曲线(ISO834)来代替实际升温曲线,计算结果存在一定局限性,且研究对象多为多层框架结构,对高层框架结构受火后力学性能的研究较少。基于此,笔者通过火灾模拟和有限元分析,模拟了高层框架结构火灾全过程,分析火灾后构件及结构在静、动力荷载作用下的力学性能,得出局部火灾下框架结构的损伤规律,为此类结构火灾后的损伤评估与加固方案设计提供了参考依据。

1 火灾过程分析

1.1 场景设置

PyroSim(Thunderhead Engineering PyroSim)是由美国国家标准与技术研究院研发的火灾动态仿真模拟软件,是一种火灾中流体运动为主要模型对象的计算流体动力学模型[12]。笔者以某宿舍楼为例建立模型,该宿舍楼为钢筋混凝土框架结构,共8层,首层层高3.6 m,其余各层层高3 m,建筑总高度25.95 m,主要构件采用C30混凝土,HRB400级钢筋。柱截面长宽为500 mm×500 mm,梁截面长宽为200 mm×500 mm。模型网格长宽高为0.25 m×0.25 m×0.25 m,火灾模拟时间为60 min。初始状态门窗关闭,火灾发生400 s后门窗破损形成通风口,设置Y方向风,风速为4 m/s。火源功率为2 MW,面积4 m2,采取t2型增长火,取火源增长系数α为0.046 89,建筑平面图及PyroSim模型如图1所示。

1.2 过程模拟

在首层高度3 m处设置水平切片,得到不同时刻的温度场分布如图2所示。

图1 建筑平面图及PyroSim模型Fig.1 Building plan and PyroSim model

图2 温度分布图Fig.2 Distribution of temperature

通过图2可以看出,火灾在初始阶段由于门窗关闭,处于不通风的闷燃状态,火势发展较慢。随着火势的发展,400 s后门窗破裂导致通风口开放,由于氧气充足,火灾达到轰燃状态,火势发展明显加快。可以看出通风条件对火灾的发展尤其是达到稳定状态下火灾有重要影响。

1.3 结果分析

以往的火灾模拟中,因假设火灾在有限范围内发生且空间内温度均等条件而采用ISO834标准升温曲线[13],文中在室内火灾场景中布置了7个热电偶,各测点温度时程曲线对比如图3所示。

图3 温度时程曲线Fig.3 Temperature time history curves

从图中可以看出,火源正上方测点6处升温速率最快,温度最高。受通风条件影响,测点6处温度在火灾发生至16 min时,在1 000 ℃上下出现剧烈波动,最大波动约为200 ℃;其他观测点距离火源位置较远,升温速率、最高温度与波动幅度随着距离增大而减小,其中测点1距离火源位置最远,火灾进行至20 min时温度达到270 ℃,曲线未出现明显波动且稳定在270 ℃左右。笔者采取t2型增长火,标准升温曲线在火灾进行14 min内升温较快,温度明显高于各测点模拟值,在火灾进行14 min后,测点6处温度在大部分时刻高于标准升温曲线,最高温度可达1 134 ℃。火灾进行19 min后,测点5处在部分时刻温度略高于标准升温曲线,最高温度达935 ℃,其他测点处在火灾发生全过程中温度低于标准升温曲线。可见采用ISO834升温曲线与实际升温曲线结果存在较大差异,因而在火灾模拟中利用ISO834升温曲线存在一定局限性。

2 框架结构静力分析

2.1 温度场分析

采用温度-结构热力耦合方法计算,首先进行温度场分析,采用以下基本假定:温度沿柱轴线方向分布相同,只考虑水平方向温度变化;试件满足平截面假定,钢筋和混凝土之间有良好的粘结性,无相对滑移。钢筋、混凝土材料的热工参数均选用文献[14-15]中的表达式。

(1)导热系数计算式如下：

(1)

20 ℃≤T≤1 200 ℃.

(2)

式中:λs为钢筋导热系数;λc为混凝土导热系数。

(2)比热容计算式如下:

(3)

20 ℃≤T≤1 200 ℃.

(4)

式中:Cs为钢筋比热容;Cc为混凝土比热容。

(3)热膨胀系数计算式如下:

αs=

(5)

(6)

式中:αs为钢筋热膨胀系数;αc为混凝土热膨胀系数。

混凝土采用DC3D8传热单元,钢筋采用DC1D2传热单元.设置热对流系数为25 W/(m2·K),热辐射率为0.5,Stefan-Boltzmann常数为3.402×10-6。升温曲线采用PyroSim模拟得到的结果,边柱(D柱)三面受火,中柱(C柱)四面受火,梁CD三面受火。平面框架受火60 min时的温度场分布云图如图4所示。

在柱C、柱D顶部及梁CD跨中横截面内部、角点及纵筋位置布置测点,构件横截面温度场与测点时程温度曲线如图5所示。分析可知,梁CD、柱D未受火面相较受火面温度上升较慢,关于水平轴对称分布;柱C升温均匀,由外表面高温区域向内温度递减,成双向对称分布,整体升温速率趋于缓慢,节点核心区的温度较周围的梁段和柱段偏低。由于混凝土材料导热性较差,梁、柱截面绝大部分面积温度未超过500 ℃。

图4 受火时间60min时框架温度场

图5 构件截面温度场及温度时程曲线Fig.5 Temperature field and temperature time history curves of component sections

2.2 静力分析

钢筋、混凝土材料高温下的应力-应变关系采用过镇海[16]提出的模型:

(7)

(8)

(9)

(10)

通过计算重力荷载代表值进行静力非线性分析。顶层边跨梁受均布荷载24.44 kN/m,中跨受均布荷载17.66 kN/m,其他层边跨梁31.22 kN/m,中跨梁16.72 kN/m。图6为受火时间60 min时框架变形图。梁跨中挠度曲线及柱顶位移曲线见图7、图8、图9。

图6 受火时间60 min时框架变形图

图7 梁跨中挠度曲线Fig.7 Beam mid-span deflection curves

图8 柱顶端水平位移曲线

图9 柱顶端竖向位移曲线

2.3 结果分析

由图6～图8可知,首层边跨结构受火后,构件升温膨胀,火灾发生区域及其邻近区域结构变形明显,柱D顶部节点处变形较大,受火梁CD跨中最大竖向位移为62 mm,柱D顶部水平位移最大值为53 mm,柱C顶部竖向位移最大值为22 mm,框架其余部位变形较小。取梁CD与梁AB跨中截面下边缘处应力进行分析,应力时程曲线见图10。

图10 受火梁跨中截面下边缘处应力时程曲线

由图可知,受火梁CD应力随着受火时间逐渐增大,最大抗力值达10.12 MPa后呈下降趋势,60 min时抗力值为8.92 MPa,剩余承载力约为极限承载力的35.4%,梁AB应力值为3.10 MPa,剩余承载力约为极限承载力的84.6%。受火后钢筋混凝土梁最大极限承载力下降约为49.2%,由于未达到承载力极限,梁CD仍可继续承载。柱顶截面中点处应力曲线如图11所示,柱C最大抗力值为13.48 MPa,剩余承载力约为极限承载力的26.4%,柱D最大抗力值为6.37 MPa,剩余承载力约为极限承载力的62.7%。可见中柱受火后对结构影响较大,应对其重点检测并加固。

3 框架结构动力分析

3.1 地震波选用

笔者选取三种适用于二类场地的地震波进行分析:EL-Centro波、兰州波和唐山波,地震波信息见表1。选用EL-Centro波和兰州波的前20 s加速度时程曲线,选用唐山波20～40 s的加速度时程曲线。该建筑位于7度设防区,设计基本地震加速度值为0.10g。

图11 受火柱顶端截面中点处应力时程曲线

表1 地震波信息Table 1 The positioning accuracy error

地震加速度按文献 [17]进行调整,地震加速度调整最大值见表2。受火后钢筋、混凝土的应力-应变关系采用吴波[18]提出的模型,对结构在竖向荷载作用下施加水平地震加速度时程。

表2 地震加速度调整最大值

3.2 层间位移角分析

结构层间位移角是进行抗震变形验算的重要指标,计算公式如下:

Δue≤[θe]h.

(11)

式中:Δue为多遇地震结构楼层最大层间位移角;[θe]为层间位移角允许值,钢筋混凝土框架结构规范限值为1/550≈0.001 82;h为结构层高。

不同地震波下，结构首层层间位移角分析结果见表3，各地震波作用下框架层间位移角见图12。通过对首层层间位移角分析可以看出,未受火结构在三种地震波作用下各层层间位移角均未超出规范限值;火灾后,结构各层层间位移角均有所增大,但增大幅度不同。其中首层增幅最大,在EL-Centro波、唐山波作用下超出规范限值约16.5%、48.9%。2～8层增幅逐渐递减,2层增幅在EL-Centro波作用下最大,达到24.1%,在兰州波、唐山波作用下增幅为13.9%、16.5%,但均未超出规范限值,8层层间位移角无明显变化。由上述分析可知,受火后结构首层在3种地震波作用下均出现了较大的层间位移角,这是由于受火后材料刚度弱化,结构承载力降低所导致,2～8层层间位移角满足允许值。

表3 首层层间位移角分析Table 3 Analysis of displacement angle between first floor

图12 各地震波作用下框架层间位移角Fig.12 Story drift angle of frame under three kinds of seismic waves

4 结 论

(1)通风条件对室内火灾温度场影响较大,实际升温曲线在温度达到某一数值后出现波动,波动幅度随着与火源距离增大而减小。实测曲线与标准升温曲线ISO834结果存在一定差异,在火灾初起期升温较快;在火灾猛烈期温度低于模拟值,因而在火灾模拟中利用ISO834升温曲线存在一定局限性。

(2)梁、柱构件直接受火面温度较高,但升温速率缓慢,构件截面绝大部分面积温度未超过500 ℃,节点核心区的温度较周围的梁段和柱段偏低。受火梁CD跨中最大挠度为62 mm,跨中应力增长约3倍,剩余承载力约为极限承载力的35.4%;柱D顶部水平位移最大为53 mm,柱C顶部竖向位移最大为22 mm,柱C受火后剩余承载力约为极限承载力的26.4%,柱D受火后剩余承载力约为极限承载力的62.7%,故结构在火灾后尚余部分承载力仍可继续使用。

(3)受火后结构在地震波作用下各层层间位移角均有所增大,其中首层增幅最大,2～8层增幅逐渐递减。结构首层在EI-Centro波、唐山波作用下层间位移角超出规范限值约16.5%、48.9%,其他楼层层间位移角满足规范要求,兰州波作用下各楼层层间位移角均未超出规范限值。火灾后应重点检测过火区域构件力学性能,计算首层层间位移角变化,据此制定加固方案。