文章快速检索     高级检索
  浙江大学学报(工学版)  2017, Vol. 51 Issue (8): 1482-1493  DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2017.08.002
0

引用本文 [复制中英文]

蒋翔, 童根树, 张磊. 耐火钢-混凝土组合梁耐火极限和承载力[J]. 浙江大学学报(工学版), 2017, 51(8): 1482-1493.
dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.08.002
[复制中文]
JIANG Xiang, TONG Gen-shu, ZHANG Lei. Fire resistance and bending bearing capacity of fire-resistant steel-concrete composite beams[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science), 2017, 51(8): 1482-1493.
dx.doi.org/10.3785/j.issn.1008-973X.2017.08.002
[复制英文]

基金项目

国家"十二五"科技支撑计划资助项目(2012BAJ13B04)

作者简介

作者简介:蒋翔(1989-), 男, 博士生, 从事钢结构稳定性和抗火等研究.
orcid.org/0000-0002-9164-3452.
Email: civilj@zju.edu.cn

通信联系人

童根树,男,教授,博导.
orcid.org/0000-0002-3985-8425.
Email: tonggs@zju.edu.cn

文章历史

收稿日期:2016-07-15
耐火钢-混凝土组合梁耐火极限和承载力
蒋翔 , 童根树 , 张磊     
浙江大学 建筑工程学院, 浙江 杭州, 310058
摘要: 为了得到标准升温下耐火钢-混凝土组合梁截面抗弯极限承载力-时间曲线和一定荷载比下组合梁的耐火极限,基于舞钢耐火钢Q345-FR钢板高温力学性能试验结果,采用有限元方法对耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能进行高温稳态分析和瞬态分析.考察混凝土板尺寸、钢梁截面尺寸、涂料厚度、荷载比等参数对高温下组合梁承载力和耐火极限的影响.提出耐火钢组合梁高温下承载力和耐火极限计算公式,公式计算结果与有限元结果非常吻合.将有限元计算结果与规程CECS200:2006方法的计算结果进行对比分析,结果表明规程方法偏于保守,受火时间越长,保守程度越大;建议将腹板和下翼缘的温度分开计算,修正后的规范方法计算耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能更为合理.
关键词: 耐火钢    钢-混凝土组合梁    耐火极限    抗弯承载力    抗火设计    
Fire resistance and bending bearing capacity of fire-resistant steel-concrete composite beams
JIANG Xiang , TONG Gen-shu , ZHANG Lei     
Department of Givil Engineering Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
Abstract: The fire performances of FRSCCB at both steady and transient state were analyzed based on the high-temperature mechanical properties of the Q345 fire-resistant steel produced by the Wuyang Iron and Steel Co. Ltd. in order to analyze the fire resistance time and the bending bearing capacity of fire-resistant steel-concrete composite beams (FRSCCB).The effects of the section size of concrete slab and steel beam, the load-ratio and the fire-insulation thickness of the steel beam on both the fire resistance time and the bending bearing capacity were analyzed. The simplified calculation formulas for predicting the bending bearing capacity and the fire resistance time were deduced with high accuracy compared with the finite element (FE) results. The FE results were compared with the bending bearing capacity predicted by Chinese code CECS200:2006. The code method is over conservative when the fire duration time is long. The temperature of the web is suggested to be calculated separately from that of the bottom flange. It is more reasonable to analyze the fire resistance of the FRSCCB by the improved method.
Key words: fire-resistant steel    steel-concrete composite beam    fire resistance    bending bearing capacity    fire-resistant design    

钢结构力学性能好, 但普通钢存在抗火性能不佳的问题, 近年来随着钢结构在工业和民用建筑中的应用日益广泛, 钢结构的防火问题越来越受到关注[1].

耐火钢被认为是改善钢结构抗火性能的解决方案之一.在室温力学性能等指标满足或优于普通建筑用钢的使用要求前提下, 耐火钢在600 ℃时屈服强度可高于室温时的2/3, 700 ℃时弹性模量还能保持在室温时的3/4以上[2].耐火钢的应用可显著减小钢构件防火涂层厚度[3].国内外学者对耐火钢的化学成分、微观结构、高温力学性能以及钢构件的抗火性能进行了理论和试验研究[3~11].

钢-混凝土组合梁是钢结构建筑中使用最为广泛的构件类型之一.针对钢-混凝土组合梁的抗火性能国内外学者也展开了大量试验和理论研究[12-23], 但是现有的研究均针对普通钢, 还未见对耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能研究.

本文对舞钢生产的耐火钢Q345-FR热轧10 mm厚钢板进行高温力学性能试验, 采用高温稳态分析和瞬态分析方法对耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能进行有限元模拟分析, 计算标准升温条件下完全抗剪的耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限和承载力, 并对相关影响因素进行参数分析.同时, 还将有限元方法的计算结果与按中国规程(CECS200: 2006)[24]的计算结果进行对比分析.

1 舞钢耐火钢高温材料性能试验

在上海交通大学疲劳断裂试验室对舞钢生产的Q345-FR热轧10 mm厚钢板进行高温拉伸试验.试件规格、尺寸按照试验机指定的形状制作, 试验条件参照规范《金属材料拉伸试验高温试验方法》(GB/T228.2-2010) 进行.

对舞钢Q345-FR钢板进行恒温单向拉伸试验时, 试验温度为常温至1 000 ℃, 间隔100 ℃共11个温度点, 每个温度点测试2个试件.试验获得的主要数据包括:屈服强度、抗拉强度、弹性模量、延伸率值及应力-应变关系等.

试验测得耐火钢在100~1 000 ℃下的应力-应变关系曲线和高温力学性能指标折减系数曲线, 分别如图 1(a)(b)所示.其中, σs为钢材应力, εs为钢材应变, ETE分别为高温和常温时弹性模量, fyTfy分别为高温和常温时屈服强度, fuTfu分别为高温和常温时极限强度, θs为型钢温度.

图 1 舞钢耐火钢高温力学性能试验曲线 Fig. 1 Mechanical property curves of FR-steel produced by Wuyang Iron and Steel Co Ltd

图 1中可以看出, 随着温度的升高, 舞钢生产的耐火钢Q345-FR的屈服强度、极限强度整体呈下降趋势, 但600 ℃时屈服强度大于室温下屈服强度的2/3, 室温屈强比为0.69小于0.8;其弹性模量随着温度的升高而降低, 但在600 ℃时仍能保持在室温弹性模量的75%左右, 符合耐火钢的规范要求.

2 截面抗弯承载力分析 2.1 分析方法

在火灾情况下, 高温和外荷载共同作用在组合梁上.运用ABAQUS中顺序热-力耦合方法模拟三面受火耐火钢-混凝土组合梁标准升温下的抗火性能.通过高温稳态分析方法计算组合梁高温下截面抗弯极限承载力, 即先通过传热分析得到设计受火时间时组合梁的温度分布, 然后计算处于该截面温度分布下的耐火钢-混凝土组合梁截面抗弯承载力.

耐火钢的热工性能与普通钢材相差不大[1].参考文献[2], 高温下耐火钢的导热系数(λs)、比热容(cs)和热膨胀系数(αs)可按式(1)~(3) 选取.

${\lambda _{\rm{s}}} = 0.025{\rm{ }}6{T_{\rm{s}}} + 54,{\rm{w}}/\left( {{\rm{m}} \cdot K} \right);$ (1)
$\begin{array}{l} {c_{\rm{s}}} = 1.95 \times {10^{ - 6}}T_{\rm{s}}^3 - 1.58 \times {10^{ - 3}}T_{\rm{s}}^2 + \\ \quad \quad 0.689{T_{\rm{s}}} + 473.1,{\rm{ J }}({\rm{kg}} \cdot {\rm{K}}); \end{array}$ (2)
${\alpha _{\rm{s}}} = \left( {0.006{\rm{ }}2{T_{\rm{s}}} + 11.48} \right) \times {10^{ - 6}}{\rm{,m}}/({\rm{m}} \cdot {\rm{K}}).$ (3)

式中:Ts为火灾时钢材温度, K.

耐火钢高温下的力学性能指标取舞钢耐火钢Q345-FR钢板材料高温下的力学性能.普通钢力学性能按BS 5950[25]选取, 混凝土、钢筋等材料高温下的热工性能及力学性能参数选取参见文献[26].

2.2 分析方法验证

采用上述方法对文献[27]中的抗火试验进行模拟.试验中3个试件温度测点T1~T18的计算值与试验值的对比结果分别如图 23所示.其中, θs为型钢温度, θc为混凝土楼板温度, t为受火时间.从图 2中可以看出, 组合梁测点温度的有限元计算结果和试验结果吻合很好.从图 3中可以看出, 试验中混凝土楼板测点温度在100 ℃附近时有明显的水平段, 主要是由于楼板内水分的蒸发造成升温延迟.有限元计算结果和试验结果整体符合较好.

图 2 钢梁测点温度对比 Fig. 2 Comparison of steel beam temperature
图 3 混凝土测点温度对比 Fig. 3 Comparison of concrete slab temperature

有限元计算的组合梁跨中挠度δ随受火时间的变化曲线和试验结果对比如图 4所示.L0L1L2,为试件编号, 从图 4中可以看出, 计算结果和试验结果整体吻合较好.

图 4 跨中挠度对比 Fig. 4 Comparison of mid-span deflection
2.3 火灾下耐火钢-混凝土组合梁截面抗弯承载力影响系数及参数分析

考察组合梁的材料强度(fcufy)、混凝土楼板厚度(hc)、型钢截面尺寸(hsbstftw)、组合梁跨度(l)和防火保护层阻热系数(λi/di)等因素对火灾下钢-混凝土组合梁抗火性能的影响.

参考文献[10], 定义火灾下耐火钢-混凝土组合梁截面抗弯承载力影响系数kt(或称为瞬时承载力系数)表达式为

${k_{\rm{t}}} = \frac{{{M_{\rm{u}}}\left( t \right)}}{{{M_{{\rm{u}}0}}}}.$ (4)

式中:Mu0Mu(t)分别为室温和火灾下t时刻耐火钢-混凝土组合梁截面的极限抗弯承载力.

使用高温稳态分析方法计算Mu0Mu(t), 从而得到kt.计算以上各参数标准升温(ISO-834) 条件下对kt的影响情况, 结果如图 5~12所示.算例基本参数为:混凝土楼板厚100 mm, 宽1 500 mm, 混凝土强度为fcu=20 MPa;钢梁截面尺寸350×150×8×12 mm, 耐火钢常温屈服强度fy=345 MPa;防火涂料保护层厚度10 mm;组合梁两端简支, 跨度4.2 m.

图 5 混凝土强度对承载力系数的影响 Fig. 5 Effect of concrete strength on load coefficient
图 6 钢材强度对承载力系数的影响 Fig. 6 Effect of steel strength on load coefficient
图 7 混凝土楼板厚度对承载力系数的影响 Fig. 7 Effect of concrete slab thickness on load coefficient
图 8 钢梁截面高度对承载力系数的影响 Fig. 8 Effect of web height of steel beam on load coefficient
图 9 钢梁翼缘宽度对承载力系数的影响 Fig. 9 Effect of flange width of steel beam on load coefficient
图 10 钢梁腹板厚度对承载力系数的影响 Fig. 10 Effect of web thickness of steel beam on load coefficient
图 11 钢梁翼缘厚度对承载力系数的影响 Fig. 11 Effect of flange thickness of steel beam on load coefficient
图 12 组合梁跨度度对承载力系数的影响 Fig. 12 Effect of span of steel composite beam on load coefficient

1) 混凝土强度

混凝土强度对承载力系数的影响如图 5所示.从图 5中可以看出, fcukt的影响很小.

2) 钢材屈服强度

耐火钢屈服强度对承载力系数的影响如图 6所示.从图 6中可以看出, fykt的影响也不大.

3) 混凝土楼板厚度

hckt的影响如图 7所示.从图 7中可以看出, 增加楼板厚度, 随受火时间的延长, 承载力降低幅度减小.主要是由于混凝土板的热惰性, 在相同升温曲线下楼板越厚升温越慢, 平均温度越低.

4) 钢梁截面高度

hskt的影响如图 8所示,从图 8中可以看出, 增加钢梁截面高度, 随受火时间的增加, 承载力降低幅度更大.这是因为钢梁截面越高, 钢梁承担的荷载比例更大.而对钢梁各块板件来说, 其截面形状系数(Fi/V)随板件厚度(1/tf或1/tw)而不是高度变化, 故在相同升温曲线下升温过程类似.所以钢梁高度越高, 随着受火时间的增加, 组合梁截面剩余承载力越小.

5) 钢梁截面宽度bs和板件厚度twtf

bstwtfkt的影响如图 9~11所示.从图 9中可以看出, 增加钢梁截面宽度, kt有增加的趋势, 但幅度不大.而从图 1011中可以看出, 增大板件厚度, 无论是翼缘厚度还是腹板厚度, kt都明显增大.

6) 组合梁跨度l

组合梁跨度lkt的影响如图 12所示.从图 12中可以看出, 增大组合梁的跨度, 对kt的基本没有影响, 主要是因为kt为截面承载力系数, 跨度对其影响不大.

7) 涂料厚度

在通常情况下, 防火涂料的导热系数λi变动不大, 可以用涂料厚度di来衡量防火阻热系数λi/di对组合梁抗火性能的影响.所以计算防火涂料厚度不同对kt的影响如图 13所示.从图 13中可以看出, dikt具有显著的影响.增大防火涂料厚度, 能明显提高组合梁火灾下的承载力.

图 13 防火涂料厚度对承载力系数的影响 Fig. 13 Effect of fire-insulation thickness on load coefficient
2.4 2种钢-混凝土组合梁截面抗弯承载力对比

计算火灾下不同防火涂料厚度的耐火钢组合梁和普通钢组合梁的截面抗弯承载力, 对比结果如图 14所示.从图 14中可以看出, 随着受火时间的增加, 2种钢-混凝土组合梁的截面承载力都在下降, 但耐火钢组合梁截面承载力更大.受火时间t>2 h后, 2种组合梁最终的承载力开始接近, 此时钢梁温度远超600 ℃, 2种钢材均基本失去承载力.当受火时间在90 min左右时, 和普通钢组合梁相比, 耐火钢组合梁的承载力显著提高, 随着涂料厚度的变化, 承载力提高幅度在32.0%~70.3%.受火时间2 h内, 耐火钢组合梁承载力均高于相同强度等级普通钢组合梁.一定的火灾时间内, 耐火钢-混凝土组合梁具有更高的承载力和更好的抗火性能.

图 14 火灾下2种组合梁截面承载力对比 Fig. 14 Comparison between the load coefficient of two kinds of SCCB
2.5 火灾下耐火钢-混凝土组合梁承载力影响系实用计算方法

分析计算结果, 取如下参数范围:

hc=80~150 mm、hs=300~600 mm

fcu=20~40 MPa、fy=235~420 MPa

twtf=8~20 mm和λi/di=3~10

kt的有限元计算结果进行分析, 拟合公式如下:

${k_{\rm{t}}} = at + b;0{\rm{ }} \le t \le 120.$ (5)

式中:

$\begin{array}{l} a = 1.24 \times {10^{ - 5}}{h_{\rm{c}}} - 2.49 \times {10^{ - 6}}{h_{\rm{s}}} + \\ \quad \;\;3.01 \times {10^{ - 6}}{b_{\rm{s}}} + 2.18 \times {10^{ - 4}}{t_{\rm{w}}} + \\ \quad \;\;1.72 \times {10^{ - 4}}{t_{\rm{f}}} - 4.38 \times {10^{ - 3}}{({\lambda _{\rm{i}}}/{d_{\rm{i}}})^{0.48}}\\ b = 1.18 \end{array}$

拟合公式与有限元计算结果的对比如图 15所示.从图 15中可以看出, 两者误差基本在5%以内, 吻合较好.拟合公式形式简单, 方便计算, 可用于有关工程的抗火设计.

图 15 拟合公式与有限元计算结果对比 Fig. 15 Comparison between the regression value and the FEM calculated value

且由式(5) 可知, 只要给定耐火钢-混凝土梁的截面尺寸、受火时间、涂料阻热系数, 即可计算截面的承载力影响系数kt, 然后利用式(4) 确定火灾下构件的承载力.同样, 也可采用式(4)、(5) 求解一定荷载比下组合梁的受火时间t, 该时间即为耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限tr.故式(4)、(5) 可用于求解火灾下组合梁的承载力和耐火极限.

3 耐火极限分析

通过高温瞬态分析方法计算组合梁火灾下的耐火极限, 即先在常温下在组合梁上施加设计荷载, 然后将温度场结果由传热分析模型导入到抗火性能分析模型, 模拟火灾作用且荷载保持不变, 直到构件破坏.有限元建模方法和耐火钢等材料性能参数的选取和上一节稳态分析时相同.

3.1 耐火极限tr定义

建筑结构构件的耐火极限定义为:标准升温火灾条件下, 构件失去稳定性、完整性或绝热性所用的时间, 一般以小时(h)计.高温下受弯构件跨中抗弯承载力达到破坏荷载时, 结构的跨中挠度变形达到了限值且跨中截面塑性区域也已充分发展.因此, 当不考虑混凝土楼板背火面的阻热性能要求(限制人员逃离时背火面的安全温度)和在火灾下满足预定承载能力不至于发生结构不适于继续承载变形要求的前提下, 以跨中截面抗弯承载力刚好达到外荷载引起的弯矩作为结构破坏的判断依据[1].

结合笔者进行的抗火试验[27]以及周宏宇等[17, 28]的研究成果, 可以组合梁跨中挠度达到跨度的1/30作为简支组合梁达到抗火极限状态的判断标准.

3.2 耐火极限影响因素分析

现有文献研究成果和上一节分析表明, 火灾下影响组合梁耐火极限的主要因素包括:混凝土楼板厚度(hc)、型钢截面尺寸(hsbstftw)、荷载比(μ)和保护层阻热系数(λi/di)等.采用上一节承载力分析中的基本模型, 通过高温瞬态分析计算耐火钢-混凝土组合梁一定荷载比条件下跨中挠度-受火时间曲线, 从而求得火灾下的耐火极限.

3.2.1 荷载比

荷载比对耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的影响计算参数组合如表 1所示, 其中, pc(parameter combination)表示参数组合.耐火极限随荷载比的变化如图 16所示.

表 1 荷载比对耐火极限的影响计算参数组合 Table 1 Parameter combinations
图 16 荷载比的影响 Fig. 16 Effect of load ratio on fire resistance time

图 16中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限随荷载比的增大基本呈线性减小, 且变化明显.

3.2.2 楼板厚度hc

楼板厚度对耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的影响计算参数组合如表 2所示.耐火极限随楼板厚度的变化如图 17所示.从图 17中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限基本不随楼板厚度变化.主要是由于高温下对组合梁变形起控制作用的是钢梁截面.

表 2 楼板厚度对耐火极限的影响计算参数组合 Table 2 Parameter combinations
图 17 楼板厚度的影响 Fig. 17 Effect of concrete slab thickness on fire resistance time
3.2.3 涂料厚度di

防火涂料厚度对耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的影响计算参数组合如表 3所示.耐火极限随涂料厚度的变化如图 18所示.从图 18中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 增加防火涂料的厚度, 耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限呈线性增加, 增加幅度明显.

表 3 涂料厚度对耐火极限的影响计算参数组合 Table 3 Parameter combinations
图 18 涂料厚度的影响 Fig. 18 Effect of fire-insulation thickness on fire resistance time
3.2.4 翼缘宽bs

钢梁翼缘宽度对耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的影响计算参数组合如表 4所示.耐火极限随翼缘宽度的变化如图 19所示.从图 19中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 增加钢梁翼缘宽度, 耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限基本呈线性增加.

表 4 钢梁翼缘宽度对耐火极限的影响计算参数组合 Table 4 Parameter combinations
图 19 翼缘宽度的影响 Fig. 19 Effect of flange width of steel beam on fire resistance time
3.2.5 翼缘厚tf

钢梁翼缘厚度对耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的影响计算参数组合如表 5所示.耐火极限随翼缘厚度的变化如图 20所示.从图 20中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 增加钢梁翼缘厚度, 耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限呈线性增加, 且增加幅度较大.

表 5 钢梁翼缘厚度对耐火极限的影响计算参数组合 Table 5 Parameter combinations
图 20 翼缘厚度的影响 Fig. 20 Effect of flange thickness of steel beam on fire resistance time
3.2.6 钢梁高度hs

钢梁高度对耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的影响计算参数组合如表 6所示.耐火极限随钢梁高度的变化如图 21所示.从图 21中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 增加钢梁翼缘厚度, 耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限基本不变.

表 6 钢梁截面高度对耐火极限的影响计算参数组合 Table 6 Parameter combinations
图 21 腹板高度的影响 Fig. 21 Effect of web height of steel beam on fire resistance time
3.2.7 腹板厚度tw

腹板厚度对耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的影响计算参数组合如表 7所示.耐火极限随钢梁腹板厚度的变化如图 22所示.从图 22中可以看出, 在其他条件一定的情况下, 耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限随钢梁腹板厚度基本呈线性增加.

表 7 钢梁腹板厚度对耐火极限的影响计算参数组合 Table 7 Parameter combinations
图 22 腹板厚度的影响 Fig. 22 Effect of web thickness of steel beam on fire resistance time
3.3 耐火极限实用计算方法

根据计算结果, 取如下参数范围:

hc=80~150 mm、hs=300~600 mm

fcu=20~40 MPa、fy=235~420 MPa

twtf=8~20 mm和λi/di=3~10

对耐火极限tr的有限元计算结果进行分析, 拟合公式如下:

${t_{\rm{r}}} = a\mu + b,\quad \quad 0.3{\rm{ }} \le \mu \le 0.8;$ (6)

式中:

$\begin{array}{l} a = - 0.48{h_{\rm{c}}} - 0.326{h_{\rm{s}}} - 0.089{b_{\rm{s}}} - \\ \quad \;10.54{t_{\rm{w}}} - 4.06{t_{\rm{f}}} + 52 \times {({\lambda _{\rm{i}}}/{d_{\rm{i}}})^{0.588}}\\ b = 0.317{h_{\rm{c}}} + 0.237{h_{\rm{s}}} + 0.155{b_{\rm{s}}} + 9.01{t_{\rm{w}}} + \\ \quad \;5.17{t_{\rm{f}}} - 64.85 \times {({\lambda _{\rm{i}}}/{d_{\rm{i}}})^{0.588}} + 107 \end{array}$

拟合公式(6) 与有限元计算结果的对比如图 23所示.从图中可以看出, 两者误差基本在10%以内, 吻合较好, 可供耐火钢-混凝土组合梁的工程抗火设计参考.同样, 式(6) 也可以用来计算一定荷载比下达到目标耐火极限时组合梁防火涂料的厚度.

图 23 拟合公式与有限元计算结果对比 Fig. 23 Comparison between regression value and FEM calculated value
4 和规范方法的对比 4.1 和规范承载力方法的比较

《建筑钢结构防火技术规范CECS200: 2006》(以下简称规范)给出我国组合梁抗火设计的详细规定, 分为承载力方法和简化的临界温度方法2种.按照规范的承载力法, 计算标准升温条件下耐火钢-混凝土组合梁高温下的承载力和耐火极限, 并和有限元计算结果对比分析.

耐火钢-混凝土组合梁承载力规范计算结果和有限元的对比如图 24所示.从图 24中可以看出随着受火时间增加, 规范承载力法计算的承载力偏保守且幅度越来越大, 尤其是高温承载力低于常温时的0.5时, 偏小10%以上.

图 24 承载力规范计算值和有限元值对比 Fig. 24 Comparison of the bending bearing capacity between the code method and the FEM

规范方法计算得到的耐火极限与有限元结果对比如图 25所示.从图 25中可以看出随着荷载比的增大, 规范承载力方法计算得到的耐火极限从偏保守到不安全.这是由于有限元计算时取跨中挠度达到跨度的1/30为耐火极限状态, 当荷载比较小时, 耐火时间长, 组合梁达到耐火极限时温度高(超过600 ℃), 此时耐火钢的屈服强度(弹性模量)降到常温时的2/3(3/4) 以下, 且下降速率很快, 变形发展和承载力下降速度都很快.而荷载比大时, 耐火时间短, 此时耐火钢强度下降幅度小, 但由于荷载很大以及钢材弹性模量的降低导致截面抗弯刚度的降低, 组合梁跨中挠度增长较快, 所以按规范承载力法计算的耐火极限偏大.而由上述承载力计算结果可知, 荷载比较高时规范计算的承载力比有限元是偏保守的, 所以整体上有限元计算时按跨中挠度变形所得的耐火极限偏小.这也表明一定荷载比内(0.3~0.6) 取跨中挠度达到跨度的1/30作为组合梁的耐火极限状态是可行的, 但荷载比超过0.7, 计算的耐火极限可能偏小.

图 25 耐火极限规范计算值和有限元值对比 Fig. 25 Comparison of fire resistance time between code method and FEM
4.2 规范承载力方法的修正

4.1节对比结果表明, 按规范的承载力法计算的耐火钢-混凝土组合梁承载力, 所得结果偏于保守且程度较大, 这样会低估耐火钢-混凝土组合梁的抗火性能, 不利于耐火钢高温性能优势的发挥.故拟对规范计算耐火钢混凝土组合梁的承载力方法进行一定修正.

进行组合梁抗火计算时中国规范和欧洲规范[29]中承载力法在构件温度和承载力的计算上都基于相同的理论, 而某些参数的取值不同, 比如钢梁温度的计算, 欧洲规范建议钢梁腹板和下翼缘的温度分开计算, 而我国规范却将腹板和下翼缘组成的⊥型构件按照四面受火考虑.当腹板厚度和翼缘厚度相同时, 计算所得的腹板和下翼缘温度结果差别不大, 而翼缘较厚时, 一体计算的下翼缘温度则比分开计算时偏高.故尝试分开计算腹板和下翼缘的温度, 然后计算组合梁高温下的承载力, 所得结果和有限元计算结果对比如图 26所示.

图 26 承载力修正规范计算值和有限元值对比 Fig. 26 Comparison of bending bearing capacitybetween improved code method and FEM

图 26中可以看出, 钢梁腹板和下翼缘的温度分开计算后计算的承载力和有限元结果符合较好.对耐火钢-混凝土组合梁的抗火计算, 分开计算腹板和下翼缘的温度更为合理.

同时, 按修正后的规范承载力法计算的耐火极限和有限元的对比如图 27所示.从图 27中可以看出, 一定荷载比(0.3~0.6) 范围内, 修正后计算得到的耐火极限和按挠度判别标准(l/30) 的有限元计算结果符合较好.

图 27 耐火极限修正规范计算值和有限元值对比 Fig. 27 Comparison of fire resistance time between the improved code method and the FEM
5 结论

本文以舞钢耐火钢Q345-FR钢板为研究对象, 运用有限元软件通过高温稳态和高温瞬态分析, 计算完全抗剪的耐火钢-混凝土组合梁在标准升温下的承载力和耐火极限, 并对相关影响因素进行参数计算.得到以下结论:

(1) 涂料厚度、受火时间是影响耐火钢-混凝土组合梁承载力的最主要因素, 当楼板厚度、钢梁腹板厚度、翼缘厚度和翼缘宽度等增加时, 组合梁的瞬时承载力系数增大, 腹板高度增大时, 承载力系数减小.

(2) 荷载比、涂料厚度是影响耐火钢-混凝土组合梁耐火极限的重要因素, 钢梁腹板厚度、翼缘厚度和翼缘宽度对耐火极限影响较大, 楼板厚度、钢梁腹板高度对耐火极限影响不大.

(3) 对比普通钢-混凝土组合梁, 在一定火灾时间内, 耐火钢-混凝土组合梁承载力和耐火极限明显提高.在荷载比为0.4~0.7范围内, 耐火极限为1.5 h时, 可减小防火涂层厚度25%~33%.

(4) 受火时间越长, 按规范计算的承载力越加保守.当承载力系数为0.3~0.5时, 耐火钢-混凝土组合梁按规范计算的承载力偏于保守10%~30%, 承载力系数小于0.2时, 偏保守50%以上.因此本文建议:使用规范承载力法计算耐火钢-混凝土组合梁承载力时需分开计算钢梁腹板和下翼缘的温度.这样得到的承载力系数与有限元分析结果最为接近.

(5) 本文研究表明, 荷载比小于0.6时, 取跨中挠度达到跨度的1/30的时间作为简支耐火钢-混凝土组合梁的耐火极限是可行的.

(6) 根据分析结果, 提出耐火钢-混凝土组合梁截面抗弯承载力和耐火极限的实用计算公式, 与有限元计算结果吻合很好, 公式形式简单, 可供相关工程的抗火设计参考.

参考文献
[1] 李国强. 钢结构及钢-混凝土组合结构抗火设计[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2006: 3-8.
[2] DING Jun, LI Guo-qiang, Sakumoto Y. Parametric studies on fire resistance of fire-resistant steel members[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2004, 60(7): 1007–1027. DOI:10.1016/j.jcsr.2003.09.007
[3] 完卫国, 吴结才. 耐火钢的开发与应用综述[J]. 建筑材料学报, 2006, 9(2): 183–189.
WAN Wei-guo, WU Jie-cai. Review of research and applications of fire-resistant steel[J]. Journal of Building Materials, 2006, 9(2): 183–189.
[4] GARCÍA H, BIEZMA M V, CUADRADO J, et al. Study of historical developments in the use of fire resistant steels[J]. Materials at High Temperatures, 2013, 30(4): 313–319. DOI:10.3184/096034013X13809016785943
[5] WAN Rong-chun, SUN Feng, ZHANG Lan-ting, et al. Effects of Mo on high-temperature strength of fire-resistant steel[J]. Materials & Design, 2012, 35(Complete): 335–341.
[6] SAKUMOTO Y, SAITO H. Fire-safe design of modern steel buildings in Japan[J]. Journal of Constructional Steel Research, 1995, 33(1): 101–123.
[7] 蒋首超, 陆立新, 李国强, 等. 马钢耐火钢高温下材料性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2006, 39(8): 72–75.
JIANG Shou-chao, LU Li-xin, LI Guo-qiang, et al. An experimental study on high-temperature properties of fire-resistant steel made by Masteel[J]. China Civil Engineering Journal, 2006, 39(8): 72–75.
[8] CHUNG H Y, LEE C H, SU W J, et al. Application of fire-resistant steel to beam-to-column moment connections at elevated temperatures[J]. Journal of Constructional Steel Research, 2010, 66(2): 289–303. DOI:10.1016/j.jcsr.2009.09.009
[9] KWON In-Kyu. Experimental study on making databases for fire resistant steel at high temperature[J]. 2013, 27(5):1-7.
[10] 刘逸祥, 童根树, 张磊. 耐火钢圆钢管混凝土柱耐火极限和承载力[J]. 浙江大学学报:工学版, 2015, 49(2): 208–217.
LIU Yi-xiang, TONG Gen-shu, ZHANG Lei. Fire resistance and load-bearing capacity of concrete filled fire-resistant steel tubular columns with circular cross-section[J]. Journal of Zhejiang University:Engineering Science, 2015, 49(2): 208–217.
[11] 刘逸祥, 童根树, 张磊. 耐火钢-钢管混凝土柱的防火保护层厚度[J]. 浙江大学学报:工学版, 2015, 49(12): 2387–2396.
LIU Yi-xiang, TONG Gen-shu, ZHANG Lei. Fire protection thickness of concrete filled fire resistant steel tubular columns[J]. Journal of Zhejiang University:Engineering Science, 2015, 49(12): 2387–2396.
[12] WANG Y C. Performance of steel-concrete composite structures in fire[J]. Progress in Structural Engineering & Materials, 2005, 7(2): 86–102.
[13] 宋天诣, 韩林海. 组合结构耐火性能研究的部分新进展[J]. 工程力学, 2008, 25(增刊Ⅱ): 230–253.
SONG Tian-yi, HAN Lin-hai. Some new developments of the fire performance research on composite structures[J]. Engineering Mechanics, 2008, 25(suppl 2): 230–253.
[14] 余志武, 丁发兴. 钢-混凝土组合结构抗火性能研究与应用[J]. 建筑结构学报, 2010, 31(6): 96–109.
YU Zhi-wu, DING Fa-xing. Fire performance research and application on steel-concrete composite structures[J]. Journal of Building Structures, 2010, 31(6): 96–109.
[15] 王卫永, 李国强. 钢-混凝土组合梁抗火性能研究综述[J]. 建筑钢结构进展, 2014, 16(5): 1–8.
WANG Wei-yong, LI Guo-qiang. A state-of-the-art review on fire resistance of steel-concrete composite beams[J]. Progress in Steel Building Structures, 2014, 16(5): 1–8.
[16] 毛小勇, 肖岩. 标准升温下轻钢-混凝土组合梁的抗火性能研究[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2005, 32(2): 64–70.
MAO Xiao-yong, XIAO Yan. Behavior of light weight steel-concrete composite beams subjected to standard fire[J]. Journal of Hunan University:Natural Science, 2005, 32(4): 64–70.
[17] 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.
LI Guo-qiang, ZHOU Hong-yu. Experimental study on the fire-resistance of steel-concrete composite beams[J]. China Civil Engineering Journal, 2007, 40(10): 19–26. DOI:10.3321/j.issn:1000-131x.2007.10.004
[18] 王银志, 李国强. 考虑结构整体性的组合梁抗火性能研究[J]. 自然灾害学报, 2008, 17(3): 96–105.
WANG Yin-zhi, LI Guo-qiang. Research on fire-resistance capacity of composite beams with considering structural integrity[J]. Journal of Natural Disasters, 2008, 17(3): 96–105.
[19] 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.
DONG Yu-li, WANG De-jun. Experimental study on behavior of frame composite steel beams in fire[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2008, 40(2): 178–182.
[20] 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.
LV Jun-li, DONG Yu-li, YANG Zhi-nian. Deformation investigation of single-span composite beam subjected to fire[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2011, 43(8): 16–20. DOI:10.11918/j.issn.0367-6234.2011.08.004
[21] 高轩能, 黄文欢, 朱皓明. 冷弯薄壁槽钢-混凝土组合梁受火试验研究[J]. 建筑结构学报, 2012, 33(5): 141–149.
GAO Xuan-neng, HUANG Wen-huan, ZHU Hao-ming. Experimental research on cold-formed thin-walled channel steel concrete beam exposed to fire[J]. Journal of Building Structures, 2012, 33(5): 141–149.
[22] 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
[23] WANG A J. Numerical studies on shear connectors in push-out tests under elevated temperatures[J]. Structural Engineering & Mechanics, 2011, 39(3): 317–338.
[24] CECS200. 2006建筑钢结构防火技术规范[S]. 北京: 中国计划出版社, 2006.
CECS200. 2006 Technical Code for fire safety of steel structure in buildings[S]. Beijing:China Planning Press, 2006.
[25] BS 5950. The structural use of steelwork in buildings, part 8:code of practice for fire resistant design[S]. London:British Standards Institution (BSI) 1990.
[26] 蒋翔, 童根树, 张磊. 耐火钢-混凝土组合梁抗火性能非线性有限元分析[J]. 钢结构, 2016, 31(3): 29–34.
JIANG Xiang, TONG Gen-shu, ZHANG Lei. Nonlinear FEM modeling of fire-resistance of fire-resistant steel-concrete composite beams[J]. Steel Construction, 2016, 31(3): 29–34.
[27] 蒋翔, 童根树, 张磊. 耐火钢-混凝土组合梁抗火性能试验[J]. 浙江大学学报:工学版, 2016, 50(8): 1463–1470.
JIANG Xiang, TONG Gen-shu, ZHANG Lei. Experimental study on the fire-resistance of fire-resistant steel-concrete composite beams[J]. Journal of Zhejiang University:Engineering Science, 2016, 50(8): 1463–1470.
[28] 周宏宇, 李国强, 王银志. 简支组合梁抗火性能参数研究[J]. 钢结构, 2005, 20(06): 92–96.
ZHOU Hong-yu, LI Guo-qiang, WANG Yin-zhi. Parametric studies on fire-resistance of simply-supported steel-concrete composite beams[J]. Steel Construction, 2005, 20(6): 92–96.
[29] EN 1994-1-2. Design of composite steel and concrete structures-part1-2:general rules-structural fire design[S]. Brussels:European committee for standardization, 2005.