高强度Q460钢梁抗火性能研究(Ⅱ)——理论验证.pdf

第 36 卷 第 3 期 2014 年 6 月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 Journal of C i vi l A rc h i tec tu ral E nvi ro nm en tal E n gi neeri ng V oL 36 N o 3 J un 2 01 4 d oi 10 118 35 j i ssn 1674 476 4 20 14 0 3 01 2 高强度 Q 4 6 o 钢梁抗火性能研究 王 卫永 周 一 超 于 宝 1 重庆大学 土木工程学院 重庆 400045 2 密歇根 州立大 3 重庆理 工大学 资产管理公 司 林 彭 川 理论验证 学 土木与环境工程 系 美国 密歇根 48824 重庆 400050 摘 要 系列文章的第 1 篇 已经对高强度 Q 460 钢梁 高温下的抗 火性能进行 了理论分析 给 出了高 强度 Q 460 钢 梁的温度 分布 和极 限承 载力 临界 温度 和稳 定 系数 的计 算 方法 该文 采用 有 限元 分析 对高强度 Q 46o 钢梁的温度分布和极限承载力进行 了计算 并将计算结果与理论分析和试验结果进 行了对比 验证 了理论分析的正确性 对高强度 Q 46O 钢梁和普通 Q 235 钢 梁的抗 火性能进行 了对 比 得 到 两者在 抗 火性 能方 面的 区别 提 出 了高 强度 Q 46o 钢 梁抗 火设计 的 简化 方法 并 通过 一 个 算例 演示 了简化 设计 方 法的使 用 关键 词 有 限元 高强钢 抗 火性能 钢 梁 中 图分类 号 T U 392 文献 标志 码 A 文章编 号 1674 4764 2014 03 0072 08 F i re R esi stanc e A n alysi s of H i gh Stren gth Q 4 6 o Steel B eam s P art II T h eo ry V ali d a ti o n W a n g W e i y o n g Z ho u Y i c ha o Y u B a o li n P e ng c h ua n 1 C olleg e o f C i vi l E n gi n eeri n g C ho n gqi n g U n i v ersi ty C ho n gqi ng 4 00 04 5 P R C hi n a 2 D ep artm en t of C i v i l an d E n vi ro nm en tal E n gi neeri ng M i c hi gan S tate U n i versi ty M i c h i ga n 4 88 24 U S A 3 A ssets M an agem en t C o m pan y C ho ng qi ng C h on gq i n g U n i v ersi ty of T ec h no lo gy C h ong q i ng 40 00 50 P R C h i na A bstrac t In th e previ ou s c om p an i on p ap er th e fi re resi stan c e o f h i gh stren gth steel b eam s m ade from Q 460 w as th eo reti c ally studi ed T h e m etho ds to ob tai n tem p eratu re di stri b uti on c ri ti c al m om ent c ri ti c al tem perature an d stab i li ty c oeffi c i en t w ere p resented T h e tem p erature d i stri bu ti o n and load b eari n g c ap ac i ty w as analyzed b y fi ni te elem ent m eth od an d the vali d ati on w as ev aluated b y c om p ari son of results b etw een theoreti c al c om pu tati on and fi ni te elem en t analy si s as w ell a s ex peri m ental results T h e c om pari so n w as m ad e b etw een Q 460 steel b eam an d m i ld Q 2 3 5 steel b eam an d the di fferen c e o n fi re resi stan c e w as ob tai n ed A si m pli fi ed ap pro ac h for fi re resi stan c e of hi g h stren gth Q 460 steel beam s w as p rop osed an d an ex am ple w as gi ven to sh ow th e app li c ati o n and referenc e of th e app roac h K ey w ords fi n i te elem ent hi g h stren gth steel fi re resi stan c e steel beam 系列 文章的第 1 篇 已经对高强度 Q 46o 钢梁 高 温下 的抗火性 能进行 了理论 分析 采 用有 限差 分法 给 出了高强度 Q 46o 钢梁的温度分布函数表达式 并结 合 Q 46o 钢材的高温力学性能参数得到了温度均匀分 布和不均匀 分布 下 的 Q 46o 钢梁 极 限承载 力 临界 温 度和稳定 系数 本文将对理 论结 果进 行有 限元 验证 并将普通 Q 235 钢梁和高强度 Q 46o 钢梁的抗火性能 进行对 比 得 到他们 的区别 最 后提 出 了温 度不 均匀 收稿 日期 2013 06 14 基金项 目 重庆市博 士后特别 资助 渝 xm 201103007 中国博士后科 学基金 20110490811 2012T 50765 作者简介 王卫永 1982 12一 男 副教授 博士 主要从事结构抗火性能研究 Em ai l w yw ang c qu edu c n 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第3 期 王 卫永 等 高强度 Q 46o 铜 梁抗 火性 能研 究 1I 理论 验证 73 分 布的 Q 46O 钢梁简 化设计 方法 l 有 限元验证 系列文章的第 1 篇口 给出了钢梁各个组件温度 的计算方法和临界弯矩的计算理论 为了验证其正 确性 采用有限元软件 A N SY S 对高强度 Q 460 钢梁 进行 了有 限元分 析 包括 热 分析 和结 构 分析 两 部 分 在传 热 分析 中 采 用 有 限 元 分 析 的 结 果 验证 了有 限 差分法得到的钢梁各组件 的温度分 布 并对分析结 果 产生 偏差 的原 因进 行 了分 析 在 结 构分 析 中 采 用 有限元方法计算 了高强度 Q 46o 钢梁 的临界 弯矩 并将有限元分析的结果与等效刚度法计算的结果进 行 了对 比 据此判断该理论的可靠性 1 1 高 强度 Q 460 钢梁 热分 析 钢 梁 的截 面尺 寸为 H N 400 200 8 13 温 度 计算考虑三面受火 的情况 求解该钢梁 的温度场分 布 结构分析中 将热分析得到 的结果作为体荷载 施加到结构上 热分析单元类型选取 SO LID 70 该 单 元可 用 于 三维 稳 态 或 瞬 态 热 分 析 每 个 单 元 有 8 个节点 每个节点仅有温度 自由度 在对钢梁进行 网格划 分 时 为 了适 应 几 何 形 状 比较 复 杂 的 实 体 模 型 该单元可以 自动蜕化为 四面体与棱柱体 进 行 有 限元 热 分析 时 钢 梁 周 围 的空 气 温 度 按 照 ISO 834 标 准 升 温 曲线 确 定 初 始 温 度 设 定 为 2O 钢梁 的传 热 边 界 条 件 根 据 实 际情 况 确 定 即 上翼缘上边界为绝热状态 其他受火 的边界设置对 流和辐射参数 分析中假定结构产生的变形对受热 边 界条 件 没有 影 响 有 限 元热分 析 中用 到 的钢 梁 的 热工性 能 参数 例 如 比热 导热 系数 热 膨 胀 系数 和 密度 等 按 照 E C 3l2 中 的规 定取 值 有限元分析的结果和有限差分法计算结果 的对 比见 图 1 从 图 1 中可 以 看 出 二 者 吻合 较 好 验 证 了采 用 有 限差 分法 计 算 Q 460 钢 梁 各个 部 件温 度 的 正确性 为了进一步对热分析模型进行验证 将文献 3 抗火试 验 中的温度 测量 结 果和该 模 型分 析 的结 果 进 行 了对 比 试 验中在 3 个不 同的截面 1 4 1 B 和 3 4 高度 测试了约束 Q 46o 钢 柱的温度分 布 约束 钢柱截面尺寸为 H 200 1 95 8 8 空气升温为试 验中实测的温度 曲线 分析结果和试验结果的对 比 见 图 2 从图 2 中可以看出 二者吻合较好 最大误 差 控 制在 5O 以内 诖 鲢 赠 觥 k 赠 鹫 80o 700 600 赠 5o0 鋈 2 0 0 lO O O 时 间 m in a 下翼 缘温度对 比 时 间 ra in b 腹板温度对 比 时间 vai n c 一 翼缘 温度对 比 注 一 有限差分法 一A NsYs 图 1 有限差分法与 A N SY S 分析温度结果的比较 赠 藤 时间 ra i n 注 一I 截面平 均温度 一 截 面平均温度 一 截面平均温度 A N SY S计算结果 图 2有 限元分析 和试 验结果的对 比 温度 1 2 结构 分析 钢梁 承受横 向荷 载 作用 时 当荷 载 不大 时 一般 情 况下可保 持 在平 衡 状态 随着 荷 载 的增 大并 达 到 某一临界值时 如果此时在钢梁侧向施加一个微小的 作用力 钢梁的平衡位置被打破 产生较大弯 曲变形 并伴随着扭转 这种现象称为梁 的弯扭屈曲 该弯矩 临界值定义为临界弯矩 采用有限元软件A N sY s对 高强度 Q 460 钢梁的整体稳定承载力进行计算 对构 件进行分析时 采用的单元类型为 SH ELL 181 单元 该单元具有 4 个节点 每个节点有 4 个 自由度 可 以 0 8 7 6 5 4 3 2 1 O O O O O O O O O 砌加 鲫如砌如加 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 74 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第36 卷 分析材 料的 塑性 大 变形 和大 应 变 在 结 构 分析 中 需要设置 材料 参数 主要有 钢 材 高温 屈服 强 度 高 温 弹性模量 泊松比 应力一 应变关系等 其 中高温下 的 强度和弹性模量取值按照系列文章第 1 篇中的式 1 和式 2 计 算得到 应力 应变关 系采 用双线 性 弹塑性 模 型 钢梁 的有 限元模 型和 网格 划分见图 3 a 需要指出的是 当利用壳单元对 H 型钢梁进行 有限元分析时 翼缘或腹板板件在钢 梁发生整体屈 曲之前可能会出现局部屈曲和畸变屈 曲 这样就不 能得到钢梁的弯扭屈曲临界弯矩 为 了避免局部屈 曲和畸 变屈 曲 的出现 在有 限元模 型 中 可 以通过 设 置 特殊 加劲 肋 的 方法 来 实 现 一 般 来 讲 沿 梁 的 跨 度方 向设 置 5 7 道特 殊 加 劲 肋 即 可 避 免 出现 局 部 屈 曲和畸 变屈 曲 特殊加 劲肋 的设 置 方法 是让 加 劲 肋 与钢梁 的腹 板 相 连 而与 翼 缘 的 连 接仅 耦 合 加 劲 肋平 面 内的位 移 通 过 这 种 方 法 可 以保 证 加 劲 肋 支 撑翼 缘和 腹板 不 发 生 屈 曲 同时 也 不增 加 钢 梁 的 抗 扭 刚度和抗 弯 刚度 钢梁 端部 的约 束 条件 为 夹支 铰接 即约束端部截面内节点在平面内的位移 和一 个节点的纵 向位移 加劲肋 设置和约束条件见 图 3 b 采用有 限元 分 析 钢 梁 的 临 界 弯矩 时 分 两个 步 骤 第 1 步 进行 钢 梁 的 静 态 分 析 分 析 时需 要 设 置 激 活 预应力 效应 和设 定 两 个 荷 载步 第 1 个 荷 载 步 中设 置 初始 温 度 和参 考 温 度 设定 为 20 并 将 前 面分析得到的钢梁温度分布数据作为体荷载施加到 钢梁 上 第 2 个 荷载 步施 加作 用在 钢梁 上 的横 向荷 载 考虑均布荷载和集中荷载两种情况 分析求解直 至结 束 第 2 步进 行 结 构 的特 征 值 屈 曲 分 析 首 先 设置屈曲模型和特征值提取方 式 然后求解 求解 完成 后 可 以在后 处 理 中画 出 钢梁 发 生 弯 扭 屈 曲的 屈曲模态 临界弯矩的数值即为施加的荷载和屈 曲 荷载 系数 的乘 积 图 3 c 为钢 梁 的弯扭 屈 曲模 态 a 钢梁单元网格划分 b 钢梁加劲肋和约束 c 钢梁屈 曲模 态图 图 3 钢梁 网格划分和约束情况 根据 可 以查 到 的文 献 尚未 发 现 有 Q 460 钢 梁 的抗 火性 能试 验 为 了验 证 有 限元 模 型 的 正 确性 采 用普通 钢 梁 的抗 火性 能试 验 4 对有 限元 模 型进 行 验 证 试 验 中 钢 梁截 面尺寸 为 H 200 150 6 9 钢 材 为 Q 235B 测量 的屈服 强度 为 330 M Pa 极 限强 度 415 M Pa 荷 载 为 5 分 点 加 载 荷 载 大 小 为 17 5 kN 构 件 按 标 准 升 温 曲线 ISO 834 进 行 升 温 材 料高 温下 的屈 服强 度和应 力应 变关 系 按 照 EC 3l2 中的值 给 出 有 限 元分 析 得 到 的跨 中 挠 度 和试 验 结 果 的对 比见 图 4 从 图 4 可 以看 出 二 者 总体 吻合 较 好 得 到 的临界 温度相 差很小 但 升温 过 程梁 的变形 和达 到临界 温 度后 试 件 的 变 形有 些 差 异 这 主要 是 因为试 验 中随着 挠度 的增 大 荷 载很 难保 持 恒定 通 过手动调节油泵控制千斤顶荷载 其次是试 验测量 1oo 80 60 越 螺 4o 廿 地 20 O 温度 C 注 一A NSYS分析 一试验结果 图 4 有限元分析和试验结果的对 比 挠度 的试 件温 度分 布和有 限元 分析 得 到 的温度 分 布有 差 异 为 了验证 系列 文章 的第 1 篇 中温 度修 正 公式 与 等效刚度法用于分析温度不均匀分布的钢梁受力性 能的可靠性 对截面为 H N 400 200 8 l3 跨度 分别 为 4 6 8 ri 1 的高 强 度 度 Q 460 钢 梁 进 行 了分 析 该梁无侧向支撑 三 面受火 考虑 了温度 的均匀 分布和不均匀分布 采用有限元分析得到的温度分 布作为温度荷载值施 加到结构模 型上 将 A N SY S 得到的结果与理论计算结果进行对 比 如图 5 所示 图 5 中横坐标 温度 值 对 于 温 度 均 匀 分 布 的 钢梁 为 截 面平 均温度 对 于温 度不 均匀 分布 的钢梁 该 数值 是腹板 的温度值 从图中可见 整体吻合较好 通过 等效刚度法计算得到的高强度 q 460 钢梁的高温下 承载 力 其 数 值 略 大 于 A N SY S 分 析 得 到 的 结 果 原 因可能是 由于 温度 修 正 公 式 具 有 一定 误差 以及 采用有限元模型与理想铰接模型具有一定差异等 总体来看 理论分析结果与 A N SY S 分析结果吻合 较好 为了验证系列文章的第 1 篇提 出的等效刚度法 计算 温度 不均 匀 分 布 的 钢梁 的 临界 弯 矩 的可 靠 性 考虑 钢梁 截 面温 度 的 不均 匀 分 布 并 选 取 腹 板 温 度 为 300 和 600 oC 两个温度值 以及 4 6 8 m 3 个跨 度 分别采用等效刚度法和有限元法对 临界弯矩进 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 王卫永 等 高强度 Q 460 钢 梁抗 火性 能研 究 理论 验证 75 搴 磐 鲁 蚕 骱 昧 磐 鲁 蚤 钟 磐 10 0 20 0 300 4 00 5 00 60 O 7 0o 8 0o 截 面温度 a 4m 跨度 截面温度 c 8 m 跨度 注 一 理论结果一 温度均匀分布 一 AN sYs结果一 温度均匀分布 一 理论结果一 温度不均匀分布 一 一 AN sY S结果一 温度不均匀分布 图 5 均布荷载作 用下等效 刚度法和有限元法的 比较 行计 算 计 算 结 果 对 比见 表 1 从 表 1 可 以看 出 A N SY S 分析计算结果与等效刚度法计算结果相差 较小 不超 出 2 5 表 1 稳定承载力结果对 比 此外 还分别采用等效刚度法和有限元分析法 对钢梁的临界温度结 果进行 了计算 和对 比 计算 时 考虑了钢梁截面温度的不均匀分布 选择两个 荷载 比 R 一0 7 和 0 9 以及 4 6 8 i n 3 个跨度 两种方法 计算结果的对 比见表 2 从表 中可 以看 出 等效 刚 度法和 A N sY s 有 限元分析结果 吻合较好 二者 差 异 均在 6 以 内 表 2 临界 温度 结果对 比 从 有 限元分 析 过 程 可 以看 出 对 考 虑不 均 匀 温 度分布的高强度 Q 46o 钢梁进行承载力分析时 相 比理论 计算 方法 有 限元分 析过 程较 复杂 理 论方 法 更便于进行数据计算和分析 从而得 到简化 的设计 方 法 采用 上文 的理 论 分 析方 法 对 Q 46o 钢梁 是 否 考 虑 温度 的不均 匀分 布 的承载力 和 临界 温度 以及 和 普 通 Q 235 钢 梁 的稳 定 承 载 力 和 临 界 温 度 进 行 对 比 从 而 得 到 高 强 度 Q 46o 钢梁 和普 通 钢 梁 抗 火 性 能 的差 异 2 高强度 Q 460 钢梁与普通 Q 235 钢 梁的对 比 以 H 型 高强度 Q 46o 钢梁 和 普 通 Q 235 钢梁 为 例 截面尺寸均为 H N 400 200 8 13 无侧 向支 撑 截 面 面 积 为 85 76 c m 绕 强 轴 的 惯 性 矩 一 24 300 c m 截面模量 W一 1 215 c m 考虑钢梁的 三面受火 即上翼缘上表面绝热 假设常温下钢梁的 整体稳定系数为 钢梁上的荷载 比为 R 考虑两 种 荷载 类型 梁 上翼 缘 作 用 有 沿 弱轴 方 向 的均 布 荷 载 Q 和集 中荷载 P 2 1分 析假 定 系列 文章第 1 篇 中式 10 的温 度修正 根据 建筑 钢 结 构 防 火 技 术 规 范 CEC S 200 2006 l5 的 式 4 10 得 到 为 了便 于对 比 在 对 比温 度 均匀 分 布 的 钢梁和温度不均匀分布的钢梁时 钢梁的腹板温度保 持相同 当考虑上翼缘和下翼缘的温度与腹板温度不 同时 才能得到钢梁温度的不均匀分布对其稳定承载 力 的影响 所 以算 例 中涉及 的温度 数值 对 温度 均匀 分布的钢梁指的是截面温度 也是平均温度 对温度 不 均匀分布 的钢梁 指的是钢梁 的腹 板温度 2 2 稳定承 载 力的 b匕 较 2 2 1 高强度 Q 46O 钢 梁是 否 考 虑 温度 不 均 匀分 布的比较钢梁跨度选择 了 4 6 8 m 共 3 种 荷载 类型为均布荷载和集中荷载 在是否考虑温度不均 匀分布的前提下 计算每种跨度每个作用荷载类 型 钢梁 的临界弯矩随腹板温度的变化趋势 根据系列 伽瑚姗瑚姗m 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 36卷 文章第 1 篇的计算方法 即采用等效 刚度法得到不 同温度不同跨度 的两种荷载类型的临界弯矩 如 图 6 所示 由图 6 可 以看 出 对 于 温 度 均 匀 分 布 和 不 均匀分布的高强度 Q 460 钢梁 临界弯矩 的大小都 随温度 的升 高而逐 渐 降低 这是 由于钢 梁 的弯扭 屈 曲稳定 承载 力 主要 由钢 材 的强 度 和 刚度 决 定 而 在 高 温下 二者 皆受 温度 的影 响 随着温 度 的升 高 而 降 低 从 图 6 还可 以看 出 当腹 板 温度 相 同时 对 于温 度 均 匀分 布 的高 强 Q 46O 钢 梁和 温度 不 均匀 分 布 的 钢 梁 临界 弯矩 随温度 升高 的变化 具 有差 异 表 现在 温度不 均匀 分布 时 腹 板温 度相 同 的条 件下 临 界弯 矩 高 于温度 均 匀 分 布 的钢 梁 并 且 腹 板 温度 越 高 时 这 种差 异越 明显 当腹 板 温度 达 到 650 左 右 时 差值达到最大值 随着腹板 温度 的继续增加 二 者 的差异 开始 降低 发生 这种 现象 的原 因是 高 温 下 截面 的温度 差 不 同 在温 度较低 时温 差 小 从而 钢 梁 的临界弯矩差异较小 但随着温度 的升高 对于温 度不 均匀 分布 的钢梁 上 下翼缘 的温度 差增 大 临 界 弯矩提高效应开始变得 明显 造成与温度均匀分布 的钢梁相 比临界弯矩差值又逐渐增大 而 当温度较 高 时 虽然 温差 仍然 存在 但钢 梁 的材料 力 学性 能 下 降严重 造成临界弯矩的差异又逐渐降低 丕 钟 昧 磐 百 互 骱 嗦 錾 10o 20 0 3Oo 4 oo 5o o 6 OO 70 0 80 o 截 面温度 C a 均布荷载作用 2 2 2 高强 度 Q 460 钢 梁 与普 通 Q 235 钢 梁 的 比 较为 了对 比高 强度 Q 460 钢梁 与 普通 Q 235 钢梁 抗 火性 能 的差 异 采用 系列 文 章 的第 1 篇 中提 出 的 等效刚度法 分别对高强 Q 46O 钢梁和普通 Q 235 钢 梁在高温下的临界弯矩进行 了计算 结果对 比见图 7 从 图 7 可 以看 出 对 于温 度 不 均 匀 分 布 的 钢 梁 Q 460 钢梁 比 Q 235 钢梁 在 温 度分 布 相 同 的条 件 下 前 者 的临界 弯矩 大于后 者 在 400 之 前 差 异不 是 很 明显 随着温度的升高 两者的临界弯矩都急剧降 低 Q 460 钢梁下降 的幅度 明显低 于 Q 235 钢梁 温 度 越 高二者 的差 异 越 明显 原 因是 高强 度 Q 460 钢 材的高温力学性能优于普通钢 尤其是弹性模量数 值 在 同样 的温度 下 比普通 钢 高很 多l6 对 不 同跨 度 的钢梁 考虑 温度 的不均 匀分 布 时 随 着跨 度 的增 大 腹 板温 度相 同的高 强 度 Q 460 钢梁 或 普 通 Q 235 钢梁 临界弯矩均降低 这是因为临界弯矩的大小和 自由支撑的长度有关 该长度越大 钢梁越易于发生 侧向弯扭屈 曲 从 图 7 中还可以看出 承受集中荷 载作 用钢 梁 的临界 弯矩要 大 于承受 均 布荷 载作 用 的 钢 梁 这 是 因为 钢梁 的临 界 弯矩 除 了 和最 大 弯 矩 有 关 还与 弯矩 的分布 有关 均布 荷载 下 比集 中荷 载 下 分 布更加 饱满 善 补 堕 冒 互 JI5If 磐 10 0 200 3 00 40 o 50o 6 0o 7o o 800 截面温 度 a 均布荷载作 用 2 3 临界 温度 的 比较 2 3 1 考 虑 温 度 不 均 匀分 布 的 高 强 度 Q 460 钢 梁 的临界 温度依据系列文章的第 1 篇中临界温度的 计算 方 法得 到不 同稳定 系 数下 高 强 Q 460 钢梁 的 临 界温 度 随荷载 比 的变 化情 况 如 图 8 a 所 示 从该 图中可以看 出 对于相 同的稳 定系数 随温度 的升 删 姗 渤瑚啪 o 渤 姗珊瑚 蚰 伽枷 姗拗姗啪啪 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第3 期 王卫永 等 高强度 Q 460 钢梁抗火性能研 究 II 理论验证 77 高 Q 460 钢梁的临界温度逐渐 降低 荷载 比越大 临界温度降低得越多 在 相同的荷 载 比下 随着稳 定系数的增加 临界温度逐渐 升高 稳定系数对临 界温 度 的影 响仅 当荷 载 比较 大 时 R 0 9 才 比较 明显 当荷载 比达到 0 95 时 稳定系数为 0 5 和 1 0 的钢 梁相 比 临界 温度 的差 值 已达 120 2 3 2 高强度 Q 460 钢 梁是否考虑 温度 不均 匀分 布对 临界 温度 的 影响 为 r 得 到温 度不 均 匀 分布 对 高强 度 Q 460 钢 梁 临界 温 度 的影 响 考 虑 两 个 稳 定 系数 0 6 和 0 9 采用系列文章第 1 篇 中给 出的临 界温 度 计 算 方 法 计 算 高 强 度 Q 460 钢 梁 的 临 界 温 度 随 荷载 比变 化 的规律 如 图 8 b 所 示 从 该 图 中 可 以看 出 对 于 温度 不 均 匀 分 布 和 温 度 均 匀 分 布 的 Q 460 钢梁 随着钢梁上荷 钱比的增 大 其临界温度 均不 同程 度 下 降 对 温 度 均 匀 分 布 的 Q 46O 钢 梁 临界温度的下降较为平缓 但是对于温度不均匀分 布的 Q 460 钢梁 临界温度下 降则 相对较快 对于 相 同的稳定系数 温度不均匀分布的 Q 460 钢梁临 界温 度要 高 于温 度 均 匀 分 布 的 临 界 温度 并 且 临 界 温度的差值随荷载比的升高逐渐降低 主要是因为 考 虑 钢梁 的温 度 不 均 匀 分 布之 后 当 钢梁 的 腹 板 温 度保持相同的条件下 钢梁的上下翼缘温温度较低 尤 其 是对 于上 翼 缘 温 度 更 低 从 而造 成 钢 梁 上 下 翼 缘 的弹性 模 量稍 大 因而 临界弯 矩 较 高 相 应 的临 界 温 度就 稍高 在相 同 的荷 载 比下 温 度 均 匀 分 布 的 Q 460 钢 梁 的临界温度 随稳定 系数 的增 加 而降 低 而 温 度 不 均 匀 分 布 的钢 Q 46O 梁 的 临 界 温 度 随 稳定系数的提高而略微增加 2 3 3 温度 不 均 匀分 布 的 高 强 度 Q 460 钢 梁 与 普 通 Q 235 钢 梁的 比较钢材 种 类 可 能会 对钢 梁 的抗 火性 能产 生影 响 为 了对 比 高强 度 Q 460 钢 梁 和 普 通 Q 235 钢 梁抗 火 性 能 的 差 异 根 据 提 出 的等 效 刚 度法 对 两种 钢梁 的抗 火性 能进 行 了对 比 对 比结果 见 图 8 c 从 图 中可 以看 出 对两 种钢 梁 稳 定 系数 对 临界 温度 的影 响 不 大 普 通 Q 235 钢 梁 的 临界 温 度随荷载比的提高而降低 荷载比小 于 0 8 时近似 线性 相关 而 对 于 Q 460 钢 梁 临 界 温 度 随 着 荷 载 比的变化表现出折线性变化 而且其 临界温度数值 明显高于同等条件下 的普通 Q 235 钢梁 因而 高 强度 Q 460 钢梁 的抗火性能与普通钢梁相 比具有较 大的 差异 8o o 7O O 芝 6o 0 赠 哝50 0 甚 40 0 建 磐 0 65 0 7 0 0 7 5 0 80 0 8 5 0 90 0 9 5 穑载比R 注 一 h 0 5 一 q 6 一 7 一 8 一 0 9 一 0 a Q46o钢梁的临界温度 衙载比R 注 一 温度均布p 6 一温度均布 9 温度梯度p n6 一 温度梯度p 0 9 b 温度均匀与非均匀的对比 荷载比R 注 一 Q460 0 6 一 Q 46 tb 0 9 一 Q 235 b 0 6 一 Q 235 0 9 c 酱通钢 高强钢 梁的对比 图 8 临界温度的对比 3 简化设计方法 为了简化计算过程并方便设计人员使用 根据 前 面推 导 的原 理 和 方 法 采 用 等效 刚度 法 对 多 个 不 同截面的钢梁 考虑温度的不均匀分布后 计算 了其 稳定 承载 力和 临 界 温度 计 算 结 果 以表 格 的 形式 给 出 从 而 可 以直 接查 找使 用 3 1 稳定 系数 由系列文章 的第 1 篇 的理论推导易知 考虑温 度不均匀分布的高强度 Q 460 钢梁的整体稳定系数 爵受钢梁上作用的荷载类型 钢梁的横截面尺寸等 参数的影响 表 3 给出了按 Q 460 高强钢梁的 自由 长度 荷载情况和截面类型计算得到的 群 以直接 查 用 由于篇 幅有 限 仅 给 出 了 部 分数 据 对 于其 他 荷载情况和截面类型以及其他温度下的整体稳定系 数 可见 参考 文献 7 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 78 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 36 卷 表 4 上翼缘作用均布荷载下 Q 460 钢梁 的临界温度 3 2 临界 温 度 对温度不均匀分 布的高强度 Q 46o 钢梁 采用 数值计算方法 并考虑了荷载种类 均布荷载或集 中 荷载 与荷载作用点位置 上翼缘或下翼缘 计算得 到 多 个截 面尺 寸 的 H型 钢 在 多个 荷 载 比及 自由长 度 下 的临界 温度 T 见 表 4 对 于表 中未 给 出的其 他截面和荷载比下的临界温度 可见参考文献C7 4 算 例 为了清楚 的说明该理论 的使用过程 设计 了一 个算例 对其进行抗火性能验算 该算例中 钢梁为 Q 46O 焊接 H 形简支梁 截 面尺寸为 H 350 175 7 11 跨度 为 5 m 没 有 侧 向支 撑 按 照 三 面 受 火 确 定 钢梁各个板件的温度 并考 虑温度不均匀分布的影 响 已知 常 温 下 该 梁 的 整 体 稳 定 系 数 为 一 0 401 梁上作用有均 布荷载 q 一25 kN m 作用位 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 3 期 王卫永 等 高强度 Q 46O 钢 梁抗 火性能研 究 理 论验证 79 置 在 上翼 缘 耐火极 限为 2 m i n 验 算该 梁是 否满 足 抗 火 要求 4 1 临 界温 度法 1 计算钢梁的临界温度 T 钢 梁 的 荷 R一 吉 1 一 吉 0 h w 7 O h yy O 0 4 0 1 7 8 2 10 5 0 3 5 4 5 则 根据 表 4 可得 构件 的 临界 温度 一 787 oC 2 计算 钢梁 受火 20 m i n 时 刻 的腹板 温度 丁 三面受火下截面形状系数 F V 一 190 23 1TI 由系 列 文 章 第 1 篇 中 式 3 得 到 钢 梁 受 火 20 m i n时刻的温度 一721 9 再 由系列文章第 1 篇中式 10 得此时刻腹板温 度 T b 一742 7 故 有 T M 因此 钢梁满 足抗 火要 求 5 结 论 采 用 有 限元 分 析 对 高强 度 Q 460 钢