铰接约束下两跨叠合板组合梁抗火数值模拟

摘要：  为分析铰接约束下两跨叠合板组合梁的抗火性能，基于整体式叠合板组合梁和分离式叠合板组合梁构成的铰接足尺两跨连续梁抗火试验，利用Abaqus软件对叠合板组合梁在热-力耦合作用下的温度分布和位移变化进行数值模拟分析。结果表明：叠合板的新旧混凝土结合界面对叠合板组合梁的温度分布有重要影响;铰接约束下2种叠合板组合梁的变形规律基本一致，翼板形式不同对组合梁挠度的影响较小;火灾下叠合板组合梁的破坏形式主要为钢梁端部腹板和翼缘的屈曲。

关键词：  铰接; 整体式叠合板组合梁; 分离式叠合板连续梁; 抗火

中图分类号：  TP391.99; TU311.3文献标志码：  B

Numerical simulation on fire resistance of two span

composite beams with hinged constraints

SUN Bai

（School of Civil Engineering， Shandong Jianzhu University， Jinan 250101， China）

Abstract： To analyze the fire resistance of two span composite slab beams under hinged constraints， based on  the fire resistance test of hinged full-scale two span continuous beams formed with  integral composite beam and separated composite beam， the temperature distribution and displacement change of the integral composite beam under thermal-mechanical coupling are simulated and analyzed using the Abaqus software. The results show that the interface between old and new concrete of composite slab has an important influence on the temperature distribution of composite beam of composite slab; the deformation laws of the two kinds of composite beams under hinged constraints are basically the same， and the different forms of wing plates have little effect on the deflection of composite beams; the mainly failure mode of composite beams under the fire is the web and flange buckling at the end of steel beams.

Key words： articulated; integral composite slab beam; separated composite slab continuous beam; fire resistance

作者简介： 孙柏（1995—），男，山东济南人，硕士研究生，研究方向为结构抗火，（E-mail）1544800535@qq.com0引言

叠合板组合梁是通过抗剪连接件将叠合板与钢梁连接成的整体受力组合构件，叠合板组合梁按叠合板构造和排列方式可以分为整体式與分离式2种。整体式叠合板将相邻预制底板制作时预留的搭接钢筋绑扎在一起，与桁架钢筋共同浇筑在后浇层内成为整体（见图1（a））;分离式叠合板将相邻预制底板在梁长度方向上紧密排布，不使用搭接钢筋（见图1（b））。

目前，不同约束条件下和不同翼板形式组合梁的抗火性能试验研究和理论分析已获得比较系统的研究成果。英国BRE实验室对整体结构中的压型钢板组合梁进行火灾试验，认为火灾下钢梁产生悬链线效应。[1]MIRZA等[2]对简支形式的平板组合梁和压型钢板组合梁在火灾下的行为进行模拟分析，认为平板组合梁整体受力良好，变形较小，具有更高的极限载荷。李国强等[3-6]研究发现高温下压型钢板组合梁性能较差，抗弯刚度和抗压能力较低。董毓利等[7-8]和吕俊利等[9-10]研究整体结构中的平板组合梁，发现未受火部分对受火部分的约束较明显，试验中产生明显的内力重新分布，组合梁的抗火性能与其在整体结构中所处的位置有关，组合梁的约束形式也对裂缝的扩展形式有显著影响。

综上所述，组合梁的约束方式和楼板类型对其在火灾中的破坏模式有显著影响，叠合板的拼缝处及叠合面也使其抗火性能区别于传统组合梁。为研究梁端铰接约束下不同形式叠合板组合梁的抗火性能，本文以试验为基础，对整体式叠合板组合梁和分离式叠合板组合梁构成的两跨连续梁进行数值模拟分析，研究叠合板组合梁在火灾中的温度分布和位移变化，为叠合板组合梁的抗火设计提供参考。

1有限元模型

1.1几何模型

模型按实际试验建立一榀足尺两跨连续梁，一跨是整体式叠合板组合梁（SCB-1），另一跨是分离式叠合板组合梁（SCB-2）。组合梁跨度均为4 500 mm，翼板有效宽度为1 600 mm。叠合板由预制底板和后浇混凝土组成，预制底板厚度60 mm。叠合板内的钢筋采用HRB400级，直径为8 mm，预制底板钢筋间距为150 mm，后浇层钢筋间距为200 mm，提前浇筑的桁架钢筋直径为10 mm。预制底板在长边一侧有长40 mm的预留钢筋，整体式预制底板在短边一侧有长约230 mm的预留钢筋。预制底板宽780 mm，其中一边搭接在钢梁上翼缘上表面，搭接长度为42.5 mm。钢梁采用Q345B热轧H型钢，尺寸为HN 250 mm×125 mm×6 mm×9 mm，栓钉在钢梁上翼缘表面单排布置，间距为150 mm，直径为16 mm，焊接长度为80 mm。试件具体尺寸和配筋见图2，有限元模型见图3。

1.2热工参数、材料本构及相互作用

在温度场模型中，钢材和混凝土的密度、比热和传热系数选用LIE[11]的模型参数。在热力耦合模型中，钢材和混凝土的弹性模量、泊松比、热膨胀系数和应力-应变关系选用欧洲规范[12]的建议模型。

试验中钢柱与节点板、钢梁与栓钉都为焊接，模型中焊接连接方式都采用绑接（Tie）约束;试验中栓钉和钢筋桁架都位于叠合板内部，在有限元模型中将栓钉和钢筋桁架内嵌（Embedded）于混凝土板;试验中节点板与钢梁之间采用M22摩擦型高强螺栓连接，有限元模型中混凝土板与钢梁上表面、螺栓与钢梁和节点板之间采用绑接约束。

1.3热分析模型

试验中钢柱被防火岩棉包裹，组合梁为三面受火，因此在模型中将混凝土板顶面和钢柱设置为隔热面，其余为受火面，考虑热辐射和热对流作用。混凝土板和钢梁的热辐射系数设置为0.50和0.95，热对流系数设置为25，混凝土板与钢梁之间存在接触热阻，热对流系数取0.01。实际试验中叠合板拼缝处开裂，因此拼缝处表面热辐射系数设置为0.1。混凝土板存在热惰性且钢梁与混凝土之间并非紧密贴合，因此将叠合板与钢梁交界面的热阻系数设为0.01。钢筋桁架使用2节点传热连接单元DC1D2，其余部分采用8节点线性传热六面体单元DC3D8。环境温度为20 ℃，升温曲线选用ISO-834，玻尔兹曼常数设置为5.67×10^-8W/（m²·K⁴），绝对零度设置为-273.16 ℃。模型使用热传递分析步，分析时间参考实际试验设为55 min。

1.4热-力耦合分析模型

将温度场模拟结果导入模型中，钢梁与混凝土板设置为面面接触，叠合板下表面作为主面，钢梁上翼缘上表面作为从面，滑移公式选择“小滑移”，表面光滑程度选择“只为调整到删除过约束”，摩擦系数设为0.3，切向作用选择“罚”，法向作用选择“硬接触”。设置2个分析步骤：第一分析步加载温度分布结果，第二分析步施加均布载荷，打开“几何非线性”和“几何大变形”，模拟真实受力变形情况。柱底设置为固端约束，使用压强（Pressure）命令对叠合板表面施加3.5 kN的均布荷载。钢筋桁架采用2节点线性三维桁架单元T3D2，其余部分采用8节点线性六面体单元C3D8R。

2有限元模拟结果与实验结果对比

2.1温度分布

2组组合梁模型温度分布见图4。模拟结果中2组组合梁温度场分布规律基本相同，因此将SCB-1的数值模拟结果与试验进行对比，见图5。

由此可知，10 min时钢梁升温速度远超混凝土板，二者温差约600 ℃，由于钢梁下翼缘和腹板受火面多，且上翼缘与叠合板接触，因此钢梁上翼缘升温速度略低于下翼缘和腹板;30 min时钢梁整体温度趋于一致，叠合板仍旧缓慢升温;55 min模拟结束时可以明显观察到叠合板拼缝处温度较高，拼缝处的叠合板上表面与周围混凝土温差约为75 ℃，下表面与周围混凝土温差约为240 ℃，因此叠合板的拼缝处及叠合面对叠合板组合梁的温度分布有重要影响，对结构的承载力影响不容忽视，此现象也与实际试验吻合。钢梁上表面的栓钉位于叠合板内，受叠合板保护作用，因此升温速度较慢。有限元模拟温度与试验温度数据拟合良好，说明此有限元模型能较为准确地分析高温下叠合板组合梁的温度分布。

2.2位移变化

试验结果和模拟结果中2组组合梁位移变化规律基本相同，因此将SCB-1的数值模拟结果与试验进行对比（见图6），2组组合梁位移变化的模拟结果对比见图7。

由此可知，高温下叠合板组合梁的变形大致经历线性上升阶段、稳定阶段和非线性上升阶段3个部分。升温初期，构件受均布载荷、温度应力的作用，因2种材料热膨胀系数不同，构件强度和刚度降低，挠度迅速发展;升温至15 min左右時，钢梁温度达到约700 ℃，钢梁腹板及下翼缘发生变形，此时组合梁的竖向位移呈非线性变化;升温至30 min左右时，钢梁悬链线效应明显，柱此时偏心受压，发生侧移，加上钢梁变形共同作用，叠合板组合梁开始有扭转倾覆的趋势，框架柱此时提供拉力以抵消载荷产生的弯矩。2组组合梁挠度相差不大，说明翼板形式不同对叠合板组合梁的挠度影响较小。有限元模拟温度曲线与试验温度曲线吻合良好，误差小于7%，说明此有限元模型可用于计算叠合板组合梁火灾下的挠度。

2.3破坏模式

试验和模拟的构件变形（竖向位移）与破坏模式见图8。由此可知，高温下叠合板组合梁的破坏形式主要为钢梁端部腹板和翼缘屈曲，叠合板倾覆扭转。

由图8（b）构件的竖向位移可以看出，此连续梁呈现一角略高、一角略低的整体倾覆和扭转趋势，最大高差约40 mm，组合梁端部出现叠合板与钢梁分离的现象。钢梁受热膨胀和承压后受弯导致钢梁变形受到钢柱约束，使钢梁端部腹板和下翼缘屈曲，模拟结果符合实际试验现象，表明此有限元模型能模拟实际构件的倾覆和扭转等破坏情况。

3结论

采用Abaqus软件对由整体式叠合板和分离式叠合板构成的一榀足尺两跨连续梁进行模拟分析，得到结论如下：

（1）叠合板的拼缝及叠合面对叠合板组合梁的温度分布有显著影响。

（2）铰接约束下2种叠合板组合梁的变形规律基本一致，翼板形式不同对组合梁的刚度影响较小。

（3）火灾下叠合板组合梁的破坏形式主要为钢梁端部腹板和翼缘屈曲，因此可适当增加腹板厚度，以提高组合梁整体稳定性。

（4）数值模拟的数据及现象与试验结果拟合良好，证明此有限元模型可为叠合板组合梁抗火性能研究分析提供参考。参考文献：

[1]BAILEY C G. The influence of the thermal expansion of beams on the structural behaviour of columns in steel-framed structures during a fire[J]. Engineering Structures， 2000， 22（7）： 755-768. DOI： 10.1016/S0141-0296（99）00028-0.

[2]MIRZA O， UY B. Behaviour of headed stud shear connectors for composite steel-concrete beams at elevated temperatures[J]. Journal of Constructional Steel Research， 2009， 65（3）： 662-674. DOI： 10.1016/j.jcsr.2008.03.008.

[3]李国强， 王银志， 郝坤超. 约束组合梁抗火性能试验研究[J]. 自然灾害学报， 2007， 16（6）： 93-98. DOI： 10.13577/j.jnd.2007.0617.

[4]李国强， 周宏宇. 钢-混凝土组合梁抗火性能试验研究[J]. 土木工程学报， 2007， 40（10）： 19-26. DOI： 10.15951/j.tmgcxb.2007.10.008.

[5]李国强， 王银志， 崔大光. 约束组合梁抗火试验及理论研究[J]. 建筑结构学报， 2009， 30（5）： 177-183. DOI： 10.14006/j.jzjgxb.2009.05.029.

[6]李国强， 王银志， 王孔藩. 考虑结构整体的组合梁极限抗火性能分析[J]. 力学季刊， 2006， 27（4）： 726-732. DOI： 10.15959/j.cnki.0254-0053.2006.04.029.

[7]董毓利， 王德军. 框架组合梁抗火性能试验[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2008， 40（2）： 178-182. DOI： 10.3321/j.issn：0367-6234.2008.02.003.

[8]董毓利. 两种组合钢框架火灾变形性能的试验研究[J]. 工程力学， 2008， 25（2）： 197-203.

[9]吕俊利， 董毓利， 杨志年. 受火条件下整体结构中组合梁破坏形态研究[J]. 沈阳建筑大学学报（自然科学版）， 2010， 26（5）： 823-827.

[10]吕俊利， 董毓利， 杨志年. 单跨组合梁火灾变形性能研究[J]. 哈尔滨工业大学学报， 2011， 43（8）： 16-20. DOI： 10.11918/j.issn.0367-6234.2011.08.004.

[11]LIE T T. Fire resistance of circular steel columns filled with bar-reinforced concrete[J]. Journal of Structural Engineering， 1994，120（5）： 1489-1509. DOI： 10.1061/（ASCE）0733-9445（1994）120：5（1489）.

[12]Eurocode 3： Design of steel structures： Part 1-2： Structures fire design： ENV 1993-1-2[S]. （編辑武晓英）