摘要：鋼結構具有重量輕、強度高、施工快等優點，廣泛應用于建筑工程、市政工程和水利工程。但鋼材本身不耐火，隨著鋼結構建筑的迅猛發展，火災條件下鋼結構的抗火性能研究變得越來越重要。以受火災的鋼梁為研究對象，采用ABAQUS有限元模擬分析了鋼梁結構在火災條件下的狀態和抗火性能。深入分析了有防火措施和無防火措施條件下鋼梁在線性火、標準火和參數火不同條件下的應力應變、溫度和撓度及其影響因素，進一步提出了提升鋼梁防火效果的建議。研究成果可為鋼梁防火設計提供參考。

　　關鍵詞：鋼梁;ABAQUS;火災;應力應變;溫度;撓度

　　鋼結構廣泛使用于建筑工程、市政工程和水利工程中。鋼的延性行為允許塑性變形(如屈服)而不會造成脆性破壞。在鋼筋混凝土結構中，鋼筋通過承受拉力來幫助增強鋼筋混凝土結構的強度。盡管鋼材有重量輕、強度高、施工快等優點，但鋼材本身不耐火，易受火災影響。對于未受保護的鋼梁，在火災條件下可能會遇到溫度高于550℃導致結構強度失效以及溫度高于620℃產生結構過度形變等問題。有關研究表明，火災引起的高溫會導致鋼材的強度和剛度降低，鋼材過度變形從而導致結構失效。另外，鋼梁受熱可以等效為增加了附加溫度荷載，隨著荷載的增大，撓度基本上按荷載增大的比例而線性增大。曹元元指出，高溫下鋼梁承載力較常溫有顯著降低，當溫度超過700℃時，鋼材基本喪失承載能力。

　　結構防火安全是高層建筑設計中最重要的考慮因素之一，其中鋼通常是結構構件的首選材料，如果建筑采用無防火保護措施的鋼結構，那么一旦發生火災，結構會在短時間內遭到破壞，甚至倒塌，從而造成難以估量的損失。

　　目前，主要通過物理試驗和數值仿真來對鋼材的抗火性能進行研究。叢術平等對采用軋制H型鋼的簡支梁在不同荷載水平作用下的抗火性能進行了試驗研究，試驗中采用水平燃油爐對試件進行升溫。由于物理試驗耗時間、成本高，且需要進行大量重復試驗，而數值分析可以減少測試次數并縮小單個構件的結果與較大結構構件的結果之間的差距。因此，許多研究工作旨在開發數值模型，通過較便利的計算機模擬來預測遭受火災的鋼梁結構的實際行為。近年來，許多文獻介紹了用有限元分析法分析梁的受力成果。如郝聰龍等以ABAQUS為平臺，提出了模擬鋼-混凝土組合梁在火災作用下的溫度場仿真模型，為后續熱力耦合分析，將溫度荷載施加到結構分析中打下了基礎。李娟等以ANSYS為平臺，研究了火災條件下不同溫升速率對簡支梁耐火時間的影響。

　　本文采用ABAQUS有限元程序研究了火災條件下鋼梁的抗火性能，使用發泡型防火涂料作為鋼梁受保護條件，針對不受保護和受保護條件，對線性火、標準(ISO)火和參數火3種火災工況下鋼梁的應力應變、溫度和撓度進行了探討，對火災中鋼梁失效的影響因素進行了深入分析，在此基礎上提出了提升鋼梁防火效果的建議。

　　1分析方法

　　1.1鋼梁與火災條件設定

　　本文采用ABAQUS有限元程序對鋼結構建筑中的一根鋼梁進行結構分析。鋼框架結構為30m×30m，梁跨度7.5m，作用在鋼梁上的永久載荷Gk=2.9kN/m2，可變荷載Qk=2.5kN/m2，分項安全系數分別為1.35和1.5，鋼梁規格為UB457×191×74，鋼材型號為S275，經規范計算的最大允許撓度為37.5mm，受保護鋼梁使用的發泡型防火涂料厚度dp=15mm，密度ρp=430kg/m3，定壓熱容cp=1200J/(kg·K)，熱導率λp=0.17W/(m·K)。鋼梁橫截面參數見圖1。

　　室內火災溫升曲線主要有馬忠誠模型、ASCE模型、歐洲規范模型、瑞典模型和標準溫升曲線模型。以往研究通常基于標準溫升曲線分析鋼梁的火災響應特性，只有少數研究采用更接近實際火災場景的BFD自然溫升曲線。為了更全面地分析鋼梁在火災中的性態，本文考慮了線性火、標準火和參數火3種不同火災條件：線性火指使用每分鐘10℃的線性加熱速率來分析火災對鋼梁的影響;標準火是最常用的火，其通過預定義某些任意溫度一時間關系來表示火災，大多數真實的火災測試都使用標準火。通常分析標準火條件下的撓度、彎矩和軸向力;參數火是一種現實的火，它允許燃料負荷，通風口和墻襯材料的組合產生時間-溫度關系。

　　1.2ABAQUS建模

　　為了研究鋼梁在不同火災情況下的行為，使用C3D8R元件類型在ABAQUS中建立了三維實體模型，見圖2。工字型鋼梁由下翼緣(底部凸緣)、腹板和上翼緣(頂部凸緣)組成，鋼梁為簡單支撐(承)。當鋼梁受到板的約束時，鋼梁在兩端的腹板和整個頂部凸緣處沿x方向受到約束。假設鋼梁在線性火、標準火和參數火條件下被均勻加熱。

　　2火災中鋼梁結構分析

　　從鋼梁的應力應變、溫度和撓度3個方面對火災中的鋼梁結構行為進行分析。

　　2.1應力應變分析

　　(1)線性火條件。圖3展示了線性火條件下未受保護鋼梁的米塞斯(mises)應力，不同的顏色表示不同的米塞斯應力的大小，其中紅色代表高米塞斯應力區域，藍色代表低米塞斯應力區域。在高溫和中跨荷載的共同作用下，鋼梁最終會發生相當大的形變。隨著溫度線性增加，鋼梁強烈變形，紅色區域主要集中在鋼梁中部，表明米塞斯應力在鋼梁中部非常大。

　　(2)標準火條件。圖4和圖5分別展示了受發泡型防火涂料保護和未受保護的鋼梁在標準火條件下的米塞斯應力。類似于線性火，標準火可以加熱鋼梁至失效，但標準火的溫度是在前50min內非常快速地增加，然后緩慢增加。從圖4可以看出，受保護條件下藍色區域較大，紅色區域很小，甚至基本沒有，表明受保護鋼梁的米塞斯應力較低且均勻分布在鋼梁上。受保護的鋼梁在高溫和中跨荷載的共同作用下發生形變，并且將梁中的力傳遞到其末端，再通過連接傳遞到支撐結構上。

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