钢梁的火灾行为及耐火影响因素研究

朱文博，文波，田欣雨，季子越，康永康

（1.国网陕西省电力公司西安供电公司，陕西 西安 710055；
2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055）

钢结构具有工厂化、标准化、装配化等优点，符合国家电网公司提出的全面推行变电站模块化建设的要求。变电站主厂房采用装配式钢结构已有较多的工程实践，但是钢结构的耐火性能较差，一旦发生火灾，就可能引起钢结构建筑物的局部破坏或整体倒塌。钢材本身并不是可燃物，但其导热性极好，当温度达到一定的程度时，其材性会在高温条件下急剧降低，造成钢构件的损坏及整体结构发生破坏。因此，有必要研究钢构件的耐火性能及其影响因素。

钢梁作为钢结构中重要的钢构件之一，其耐火性能已有较多的研究，以往的研究大多是将钢梁作为两端简支的独立构件来考虑，但在实际工程中，钢梁并不等同于独立构件，需考虑其受到相邻梁柱的约束作用。工程中对于钢结构及其构件的防火措施普遍采用防火涂料，将火源产生的热辐射和热传导以及空气中的热对流通过防火涂料与钢梁隔绝开来，从而提高钢梁的耐火性能。本文基于文献[7]中的钢梁火灾试验，应用有限元软件ABAQUS建立了受火钢梁的模型，研究了钢梁受火后的温度场分布和梁挠度变化，在此基础上，以不同种类和厚度的防火涂料为参数，分析了影响钢梁耐火性能的因素。

2.1 模型概况

文献[7]中钢梁的火灾试验装置见图1。试验中的受火H型钢梁长度为3m，横截面尺寸为209.6mm✕205.8mm✕14.2mm✕9.4mm，钢材规格为Q235，常温下的弹性模量和屈服强度分别为1.98✕10MPa和235MPa。钢梁置于钢筋混凝土支架上，两端受到200kN的拉力，钢梁顶面设有分配钢梁，以使其受到20kN/m的线荷载。

图1 加载装置

试验中的受火钢梁相当于两端受到拉力、上表面受到均布荷载的简支钢梁，其有限元简化模型如图2，为更好地符合实际试验中受火钢梁两端的约束条件，在受火钢梁两端设置弹簧单元，弹簧刚度经过试算确定。有限元模拟中，采用顺序热力耦合对钢梁进行分析，即先对钢梁进行热分析，得到钢梁的温度场分布结果，再将热分析结果作为预定义场，导入钢梁的力学模型中进行力学分析。在对钢梁进行热力耦合分析时，钢材的热工性能、高温下屈服强度与弹性模量折减系数均按EC3给出的参数选取，高温下钢材的应力-应变本构模型如图3，升温曲线与试验中的一致，均为ISO-834标准升温曲线。钢梁三面受火，即其下翼缘、腹板及上翼缘的下表面为受火面，表面热对流系数取值为25W/m，热辐射取值为 0.7W/m，Stefan-Boltzmann常数取值为σ=5.67×10W/（m·k）。

图2 有限元计算模型

图3 高温下钢材的应力-应变本构模型

2.2 结果分析

图4为钢梁不同部位温升曲线，图5为钢梁跨中的挠度-时间曲线。钢梁腹板、下翼缘、上翼缘的温度试验值与有限元计算值误差分别为0.3%，10.6%，11.3%，挠度误差为14%，误差原因是有限元分析本身属于近似计算，且其定义的参数与实际仍有一定差异，网格的划分也会影响计算结果。虽然存在一定的误差，但从图4及图5可以看出，用有限元软件模拟的计算值与试验值总体趋势上吻合度较好，印证了有限元模拟的正确可行性。

图4 钢梁不同部位温升曲线

图5 钢梁挠度-时间曲线

图4中，无论是计算值还是试验值，钢梁受火后的最高温度均出现在梁的腹板中部，其次是钢梁的下翼缘，钢梁的上翼缘相对较低。原因是钢梁的腹板中部虽然与下翼缘同时受热辐射、热对流和热传导的作用，但是钢梁腹板的迎火面面积比下翼缘的迎火面面积更大，而钢梁的上翼缘只有下表面受到火灾作用，其上表面为绝热面，因此钢梁在整个受火过程中的温度大小排序为腹板＞下翼缘＞上翼缘。之后，由于钢梁内部热传递的作用，其腹板与下翼缘的温度差值会随着升温时间的推移不断减小，并不断接近ISO-834标准升温曲线值，钢梁上翼缘亦同。图5中，试验结果和有限元结果都表明钢梁的挠度随着升温时间的增加而增大，其变形特征为由刚开始的缓慢增长到随后的快速增大，再到最后的迅速增长。由图4及图5中的数据得出了钢梁跨中的挠度与温度的关系曲线，如图6。

图6 钢梁挠度-温度曲线

在钢梁的整个升温过程中，钢梁的挠度根据其材料强度的损耗发生了相应的改变，在温度上升初期，钢梁受到的温度响应较低，其材料强度的损耗较少，钢梁的变形主要以微小的受热膨胀为主，挠度的变化并不明显；
随着受火时间的延长，钢梁表面的温度不断升高，沿截面出现温度梯度，钢梁的膨胀受到轴向约束，产生了轴向压力，成为了压弯构件，其材性损失变大，承载力逐步降低，钢梁挠度也随之快速增长；
受火后期，钢梁的材性大幅损失，在外部荷载和两端约束的作用下，钢梁挠度迅速变大，轴向产生了拉力，钢梁由压弯构件变为拉弯构件，出现了“悬链线效应”。受火钢梁的最终变形如图7。

图7 钢梁变形

火灾具有突发性，一旦发生会使火源周边的空气迅速上升到1000℃，空气中的热量会通过热对流和辐射传递给钢结构，而钢结构的内部会通过热传导的方式实现热量传递，普通钢结构在其自身温度达到600℃时便会丧失大部分的强度和刚度，从而丧失其承载能力。因此钢结构的耐火性能是对其安全性评价的重要指标，钢结构的耐火性能主要通过其耐火时间反应，即耐火极限。

目前工程中提高钢结构耐火性能的主要措施为涂刷或喷涂防火涂料。防火涂料是影响钢结构及其构件耐火性能的重要因素。

3.1 防火涂料的种类

表1为防火涂料的类型，钢结构防火涂料的类型划分方法较多，不同种类的防火涂料各有利弊，但不论是何种防火涂料，其作用机理均是将火灾产生的热量和钢结构隔绝开来，即防火涂料通过自身的物理作用或化学反应来减缓或阻挡热量向钢结构进行传递。

防火涂料的类型 表1

防火涂料的材性参数主要有密度、比热容和导热系数，其中的导热系数是影响防火涂料隔热性的主要因素。本文选取了3种不同的防火涂料，在第2小节的基础上，建立了受火钢梁下翼缘下表面涂有防火涂料的有限元模型，分析防火涂料的种类对钢梁耐火性能的影响。钢梁仅在设置有防火涂料的一面受火，与防火涂料通过绑定约束。3种防火涂料的密度与比热容相等，分别为500kg/m和1000 J/（kg·℃）。导热系数如表2。

防火涂料参数 表2

3种防火涂料的厚度均为10mm，图8为涂有不同类型防火涂料的钢梁温升曲线。由图8可以看出，受火钢梁使用防火涂料后，其受火面温度大幅降低。当受火时间为7200s时，未设置防火涂料的钢梁受火面温度为1040℃，涂有1号防火涂料的钢梁受火面温度为639℃，温度降低了38.6%；
涂有2号防火涂料的钢梁受火面温度为560℃，温度降低了46.2%；
涂有3号防火涂料的钢梁受火面温度为453℃，温度降低了56.4%。防火涂料的导热系数对钢梁表面温度的影响较大，导热系数越小的防火涂料，其防火性能越好，使钢梁受火面的温度越低。此外，未采取防火措施的钢梁在受火时，其表面温度上升迅速，而采用了防火涂料的钢梁，其受火面在火场中的温度上升较为平缓，保证了工程人员有一定的时间处置火灾灾害，避免钢结构的损坏。因此，在工程应用中，对有防火需求的钢结构建筑，宜优先采用导热系数较小的防火涂料，提升钢结构的耐火性能。

图8 不同类型防火涂料的钢梁温升曲线

3.2 防火涂料的厚度

防火涂料的厚度也会对钢结构的耐火性能产生较大影响。图9为涂有不同厚度防火涂料的钢梁温升曲线。由图9可以看出，同一种防火涂料，随着其厚度的增加，受火钢梁表面的温度呈不断下降的趋势。涂有10mm，15mm，20mm，25mm，30mm厚度防火涂料的受火钢梁，在受火时间为7200s时其表面温度分别为454℃，347℃，281℃，236℃，204℃，与未涂有防火涂料的钢梁相比，温度分别下降了56.3%，66.6%，73%，77.3%，80.4%，防火涂料的厚度越大，其对钢梁耐火性能的提升作用越明显。但将以上不同厚度防火涂料对应的温度下降率相减，得到其相对的提升值分别为10.3%，6.4%，4.3%，3.1%，可以看出，防火涂料对钢梁耐火性能的提升作用随厚度的增加逐渐变缓，且防火涂料过厚会导致脱落和开裂问题，因此在设计防火涂料的厚度时，应综合考虑其经济性和实用性，必要时可以结合不同类型的防火涂料来提升钢结构的耐火性能。

图9 不同厚度防火涂料的钢梁温升曲线

3.3 其他因素

钢梁的火灾行为是复杂的非线性过程，火灾的发生均是从局部火灾开始，火源对钢梁不同部位的辐射角度和距离有所差异，由于热对流的原因，钢梁周围的空气温度也并非均匀分布，这都使得钢梁内部的温度场存在不均匀分布，进而产生相应的温度应力，对钢梁的耐火性能造成较大影响。

钢梁的约束条件也会对其耐火性能有较大影响，与简支钢梁相比，两端受到约束的钢梁因为约束作用的存在，使其在与简支梁挠度相等的情况下仍具有较高的承载力，因此，受约束钢梁的耐火性能不同于简支钢梁，约束钢梁的耐火性能与其受到约束的大小相关。

由于钢梁的截面形状会影响其温度分布情况，因此不同截面形状的钢梁，其耐火性能又会有所差别，截面形状系数越小，钢梁的温度发展越慢，临界温度越高。

除此之外，钢梁的受火面、初始缺陷、材料属性、载荷组合等都将使其火灾中的受力性能变得复杂，进一步影响到钢梁的耐火性能。

①火灾初期，钢梁内部的温度分布不均匀，随着受火时间的增加，钢梁各部位温度差异逐渐减小，最终接近升温曲线。

②具有轴向约束的钢梁，因受热后轴向力的变化，使其火灾行为更加复杂，在设计时应充分考虑轴向约束的作用。

③防火涂料能够大幅提升钢梁的耐火性能，延缓钢梁的火灾响应过程，保证火灾处置时间。防火涂料的导热系数是其具有耐火功能的主要因素，导热系数越小的防火涂料，对钢梁耐火性能的提升效果越明显。

④防火涂料的厚度对钢梁耐火性能也有较大的影响，但其影响效率随厚度的增大逐渐降低，因此在设计时，应充分考虑经济性与实用性，避免仅通过增加防火涂料厚度的方法来提升钢梁的耐火极限。