真实火灾下钢筋混凝土柱-钢梁框架结构的耐火性能分析

李雪微，黄 凯，徐 蕾

(大连民族大学 土木工程学院，辽宁 大连116650)

火灾是最严重、最频发的灾害之一。其中建筑火灾更是对人们的生命财产造成严重的危害，所以对于建筑结构的抗火性能研究尤为重要。数十年来，研究人员对各类构件、节点以及框架结构的耐火性能进行了一系列的研究。例如章晴雯[1]利用ABAQUS软件对型钢混凝土柱进行了温度场分析，重点研究受火后柱的温度分布特点及其主要影响因素。吕俊利等[2]针对处于实际框架中的组合梁的耐火性能开展了火灾试验。Hong，Varma[3]对钢管混凝土柱的抗火性能进行了有限元分析。结果表明，随着钢材屈服强度、含钢率以及截面高宽比的增加，耐火极限有降低的趋势。马云玲，白晓红等[4]分析了在五种不同的受火条件下，三跨钢筋混凝土连续梁的混凝土与钢筋的应力、梁的变形以及位移变化情况。在真实火灾下框架结构的耐火性能研究方面，韩林海等[5]进行了钢管混凝土柱-钢筋混凝土梁组合平面框架的真实火灾试验。得出结论：受火时，梁受节点区域的约束作用，引起悬链线效应，加剧了受力柱的重力二阶效应，从而使得柱先发生破坏；火灾结束后，梁底部冷却收缩易产生裂缝。

目前国内外对结构的耐火性能研究方面取得了大量的研究成果，许多研究成果在工程中得到广泛的应用，但是对真实火灾下钢筋混凝土柱-钢梁框架结构耐火性能的研究还很少见，因此本文利用ABAQUS有限元平台对这类结构在真实火灾场下的整体耐火性能进行初探，获得真实火灾场中不同受火工况下框架结构中梁的跨中挠度变形，框架节点竖向位移和水平位移，构件的应力变形分析等参数，以此得到框架结构的耐火极限，并与标准火灾场下的耐火极限进行对比分析。

1 有限元模型建立

1.1 钢筋混凝土柱-钢梁框架结构模型

以某民用建筑为研究背景，采用其中三层两跨的框架结构模型，其中该结构的各构件截面尺寸分别为，钢筋混凝凝土柱：500 mm×500 mm，钢梁：450 mm×200 mm×9 mm×14 mm，层高为3 m，跨度为6 m，钢材均选取Q345钢，混凝土的强度等级为C35。框架模型节点设计图如图1。

图1 框架节点设计图

Z1Z2Z3为柱，N1N2N3分别为柱顶所受的集中荷载，q为梁所受均布荷载，荷载工况见表1。框架梁设置3处不同的测点位置，测点位置如图2。其中ABC三点为框架梁柱节点设计处，DE为梁的跨中，受火工况如图3。受火工况分为三种，分别是一层受火(I区域)、二层受火(Ⅱ区域)、三层受火(Ⅲ区域)，节点设计参考文献[6]。

图2 钢梁截面测点图

表1 荷载工况

a)Ⅰ区域 b)Ⅱ区域 c)Ⅲ区域图3 不同火灾工况

1.2 温度场模型

本文通过ABAQUS先建立钢筋混凝土柱-钢梁框架结构的温度场模型，根据框架尺寸和不同受火工况建立相关模型部件及材料信息，其中边柱三面受火，中柱四面受火，钢梁上翼缘背火，上翼缘以下均受火，受火面热辐射系数0.5，辐射系数分布一致，表面热交换膜层散热系数25。钢梁和钢筋混凝凝土柱之间用Tie绑定，钢筋骨架embed嵌入混凝土区域，混凝土部件选用DC3D8实体单元，钢筋骨架选用DC1D2单元。环境温度分别按标准温度曲线和FDS模拟的真实火灾下温度曲线来进行对比。FDS模拟真实火灾温度曲线和标准温度曲线如图4～5。

图4 FDS模拟真实火灾温度-时间曲线图

图5 标准温度-时间曲线

1.3 力学模型

建立力学模型，将温度场模型计算的结果数据库文件导入力学模型的预定义场。钢梁和钢筋混凝凝土柱之间仍用Tie绑定，钢筋骨架embed嵌入混凝土区域，钢梁和柱之间接触采用面与面接触，钢梁为从表面，柱为主表面，摩擦包括法向行为和切向行为，法向行为采用“硬接触”，切向行为采用库伦摩擦，罚函数，摩擦系数取0.6。在此力学分析中，柱上端只允许竖直位移和平面内转动，柱下端只允许平面内转动；梁端限制平面外运动。柱上端通过参考点耦合施加集中力，每根梁上表面通过Pressure施加均布荷载。实体部件网格选用C3D8R实体单元，钢筋骨架选用T3D2桁架单元。

2 抗火性能分析

2.1 温度场分析

分别将两种温度曲线引入到温度场计算中，3种工况框架的整体温度场分布云图如图6。梁ABC各测点的温度曲线变化如图7、图8。

图8 钢梁温度-时间关系曲线(ISO)

以I区域底层受火为例，展示了钢梁在FDS模拟的真实火灾温度曲线和ISO标准升温曲线下的三处测点温度-时间变化图如图7、图8。FDS曲线下先上升之后降温到400℃后趋于平缓。而ISO曲线下三个测点整体趋势基本保持一致，整体呈上升趋势。由图可以看出，测点B即钢梁腹板温度最高，测点C即钢梁下翼缘温度最低。边柱三面受火柱和中柱四面受火柱温度场分布云图如图9、图10。可以看出四面受火柱由四面结点温度最高，向内结点温度逐渐呈降低趋势，柱芯温度最低，分布均匀。三面受火柱由受火的三面温度最高，不受火面和柱芯温度最低。

图9 三面受火柱温度场分布云图

图10 四面受火柱温度场分布云图

2.2 力学模型分析

将温度场计算出来不同受火工况结果数据库温度文件引入力学模型，并设置好相应的参数和部件模型，计算得到组合框架不同受火工况的力学模型变形云图如图11。火灾模拟的温度场数据各受火区域对于框架的破坏主要集中在钢梁的跨中变形破坏，而柱在整个过程中几乎没有发生变形，这是因为钢材的热膨胀系数比混凝土大，所以在此变形云图中，钢梁跨中呈现的变形最大，处于红色中心区，钢梁由中心向两边逐渐降低变形度。

a)Ⅰ区域 b)Ⅱ区域 c)Ⅲ区域图11 框架结构变形云图

2.2.1 梁跨中挠度变形及应力分析

(1)钢梁跨中挠度曲线。组合框架钢梁的跨中挠度曲线如图12。D点、E点分别为梁跨中左右侧面中点。FDS曲线下是跨中挠度处于Ⅲ区域时最大，ISO曲线下处于Ⅱ区域时最大，且两边梁D、E点变化基本一致。ISO曲线下D点、E点跨中挠度变化最为一致，几乎重叠为一条直线，跨中最大位移为295.7 mm。FDS和ISO曲线下梁跨中位移见表2。

a)Ⅰ区域(FDS) b)Ⅰ区域(ISO)

c)Ⅱ区域(FDS) d)Ⅱ区域(ISO)

e)Ⅲ区域(FDS) f)Ⅲ区域(ISO)图12 钢梁跨中挠度-时间关系曲线

表2 各区域梁跨中位移 /mm

根据《建筑构件耐火试验标准》(GB/T9978-2008)[7]，当梁、板最大挠度达到挠度变形量超过 L/30(mm)后(L 为梁板计算跨度)，即可判断梁达到耐火极限。由曲线图和计算结果表可知如下结论，FDS曲线下Ⅲ区域梁的跨中挠度变化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域都未达到耐火极限；ISO曲线下Ⅱ区域梁的跨中挠度变化最大，Ⅰ区域未达到耐火极限，Ⅱ、Ⅲ区域达到耐火极限，耐火极限=8 690s=2.41 h。

(2)钢梁应力分析。钢梁在I区域受火时，测点A、B、C三点应力-时间变化曲线如图13～14。FDS曲线下应力发生变化较大，ISO曲线下是先上升再趋于平缓的趋势。钢梁腹板火灾下应力变化最大，且在真实火灾下比ISO曲线下应力变化更大。FDS曲线下，测点A对应的屈服强度为263 MPa，测点B对应的屈服强度为287 MPa，测点C对应的屈服强度为244 MPa。ISO曲线下测点A对应的屈服强度为267 MPa，测点B对应的屈服强度为267 MPa，测点C对应的屈服强度为263 MPa。

图13 钢梁应力-时间关系曲线(FDS)

图14 钢梁应力-时间关系曲线(ISO)

2.2.2 柱顶竖向位移

柱顶竖向位移变化图如图15，图中各曲线测点如图1。A点、B点、C点分别为左边柱、中柱、右边柱所在测点。由上图可知，在这两种温度曲线下各柱均发生了膨胀位移，其中测点B即中柱Z2的膨胀位移要明显大于测点AC，因为受火时中柱温度最高，且为四面受火柱，所以发生的膨胀位移最大。FDS曲线下，在急速升温阶段，竖向位移迅速增加，在缓慢降温阶段位移逐渐减少，ISO曲线下竖向位移逐渐增加。

a)Ⅰ区域(FDS) b)Ⅰ区域(ISO)

c)Ⅱ区域(FDS) d)Ⅱ区域(ISO)

e)Ⅲ区域(FDS) f)Ⅲ区域(ISO)图15 柱顶竖向位移-时间关系曲线

根据《建筑构件耐火试验标准》(GB/T9978-2008)[8],当柱沿长度方向压缩变形超过 H/100(mm)(H为柱的受火高度)，即可判断柱达到耐火极限。由上分析可知如下结论，两种曲线下I区域竖向位移最大，FDS曲线下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域均未达到耐火极限，ISO曲线下，Ⅱ、Ⅲ区域未达到耐火极限，I区域测点B达到耐火极限，耐火极限=3808 s=1.05 h。各区域柱顶竖向位移见表3。

表3 各区域柱顶竖向位移 /mm

2.2.3 梁柱节点水平位移

两种温度曲线下，水平位移由于中柱四面受火，边柱三面受火，呈对称分布。Ⅱ区域水平位移变化最大，在多层框架结构受火时，可以增加中间层的保护层厚度，以达到更好的抗火效果，如图16。

a)Ⅰ区域(FDS) b)Ⅰ区域(ISO)

c)Ⅱ区域(FDS) d)Ⅱ区域(ISO)

e)Ⅲ区域(FDS) f)Ⅲ区域(ISO)图16 梁柱节点水平位移-时间关系曲线

3 结 论

通过ABAQUS软件对钢筋混凝土柱-钢梁组合框架建立温度场和力学模型，得到温度场温度变化云图和应力云图，分析框架结构在真实火灾下的耐火性能，梁柱节点竖向位移、水平位移以及梁跨中挠度变化、应力变化等，并对比ISO标准升温曲线与真实火灾曲线数据下，各项参数的不同点，得到以下结论：

(1)梁跨中挠度。FDS曲线下Ⅲ区域梁的跨中挠度变化最大，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域均未达到耐火极限；ISO曲线下Ⅱ区域梁的跨中挠度变化最大，I区域未达到耐火极限，Ⅱ、Ⅲ区域达到耐火极限，耐火极限=8690 s=2.41 h。

(2)钢梁应力。钢梁腹板火灾下应力变化最大，且在真实火灾下比ISO曲线下应力变化更大。

(3)柱顶竖向位移。两种曲线下I区域竖向位移最大，FDS曲线下I、Ⅱ、Ⅲ区域均未达到耐火极限，ISO曲线下，Ⅱ、Ⅲ区域未达到耐火极限，I区域测点B达到耐火极限。

(4)梁柱节点水平位移。两种温度曲线下，水平位移由于中柱四面受火，边柱三面受火，呈对称分布。Ⅱ区域水平位移变化最大。