简支组合梁抗火设计简化方法

第40卷第6期建 筑 结 构2010年6月

简支组合梁抗火设计简化方法

李国强1

, 王卫永2

, 周宏宇

3

(1同济大学土木工程防灾国家实验室,上海200092;2重庆大学土木工程学院,重庆400045;

3上海江欢成建筑设计有限公司,上海200002)

[摘要] 根据现行 建筑钢结构防火技术规范 (CECS200:2006)中简支组合梁抗火承载力验算方法,提出了简支组合梁抗火设计的临界温度法,给出了临界温度的计算方法。对影响简支组合梁临界温度的参数分析研究发现:在确定的荷载比下简支组合梁的钢梁截面、材料强度、有效宽度等对简支组合梁的临界温度的影响较小,而耐火极限和楼板厚度对简支组合梁临界温度影响较大。给出了一般简支组合梁在不同楼板厚度、不同耐火极限下,不同荷载比对应的临界温度,可供工程设计使用。

[关键词] 简支组合梁;荷载比;临界温度;耐火极限

Simplified approach for fire resistance design of simple supported composite beams

Li Guoqiang 1

,Wang Weiyong 2

,Zhou Hongyu

3

(1School of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2School of Civil Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China;3JIANG S Architects &Engineers,Shanghai 200041,China)Abstract :Based on the fire resistance validation method in current Technical Code on Fire sa fety o f Steel Structure ,critical temperature method for fire resistance design of composite beams is proposed.The calculation method of critical temperature is presented.Parameters affecti ng the critical temperature are analysed.The results show that at a defini te load level,section shape of s teel beams,material properties and effective width have little influence on the critical temperature of simple supported composite beams .However,the fi re duration and depth of slabs have si gni ficant influence on the critical temperature.The critical temperature of normal simple supported composite beams,at various slab dep th and fire duration,is given to provide a reference for engineering.

Keywords :simple supported composite beams;load level;critical temperature;fire duration

作者简介:李国强(1963 ),教授,博导,Email:gqli@https://www.360docs.net/doc/f417920781.html, 。

0 前言

组合梁与钢梁相比,可大大改善梁的抗火性能。

1995年之后,位于英国Cardington 的BRE 火灾研究实验室进行了举世瞩目的六个足尺组合结构的火灾试验,重点研究了组合钢框架在实际结构中的耐火性能,其中包括火灾下组合梁的性能研究。Cardington 试验中有关组合梁的研究首先是由Wang [2]

二维平面模型开

始的,此后Wang [3]通过进一步的理论分析阐述了薄膜拉应力在维持组合楼板刚度和稳定性中的重要作用。之后,Rose 等[4,5]采用三维梁柱有限元法对Cardington 试验中平面框架[6]中的组合梁进行了数值模拟。采用有限元法对组合梁抗火性能分析研究的结果[7 10]有:

(1)不同类型压型钢板对组合梁抗火承载力影响不大,四种典型边界条件的组合梁可简化为简支和固支两种边界条件组合梁进行抗火计算。

(2)在荷载比一定的情况下,混凝土楼板的厚度、栓钉数量、钢梁截面尺寸等因素对组合梁的抗火承载力影响较大。在荷载比一定以及工程常用范围内,混

凝土强度、混凝土翼板的宽度、型钢的强度、楼板中钢筋的直径和强度等因素对组合梁抗火性能的影响并不明显。荷载比和钢梁防火保护层阻热系数(或厚度)是影响组合梁抗火性能的两个重要参数。

(3)由于混凝土的吸热作用,钢梁的温度明显低于无混凝土时的裸钢构件;影响全过程曲线和抗力折减系数的主要参数是梁高和钢梁厚度,而其他参数影响较小。

现行的 建筑钢结构防火技术规范 [11](以下简称 规范 )结合相关的研究成果给出了简支组合梁的抗火验算方法,该方法是基于火灾下简支梁的极限承载力要求,概念明晰、技术先进,可考虑荷载大小、梁的截面形式与尺寸及防火保护层对简支组合梁抗火性能的

影响,且应用较为简便。然而,在火灾下承载力验算时,需要重新计算火灾下简支组合梁的极限承载力,不能参照已知的常温下极限承载力数值。基于此缺点,提出了次梁型简支组合梁(即压型钢板的肋垂直于钢

梁)承载力验算的临界温度法,可根据常温下简支组合梁的荷载比、耐火极限要求和楼板厚度直接得出钢梁的临界温度,然后确定是否采用防火保护和采用多少厚度的防火保护。

1 温度和材料参数确定

火灾下简支组合梁中混凝土楼板内的平均温度可按 规范中给出的表格8 3 1确定,为便于程序计算,给出了表中数据的拟合公式,混凝土楼板的平均温度T c也可以用下面的拟合公式计算:

T c=(113 75-0 05h u)+(16 06-0 1047h u)t -(0 05694-4 444!10-4h u)t2(1)式中:h

u

为混凝土顶板厚度,即指压型钢板肋高以上混凝土板厚度;t为受火时间,即为简支组合梁的耐火极限。

高温下普通混凝土的强度可按照 规范中给出的表格4 2 3确定,表中数据也可拟合成公式,即:

f c T=f c [1+e(T c-569) 157](2)式中,f c为常温下混凝土强度,f c T为温度T c下混凝土强度。

高温下钢材屈服强度可按 规范4 1 3确定。 规范中建议钢梁的温度分成两部分计算,下翼缘和腹板的温度按照四面受火考虑,上翼缘按照三面受火考虑。对于无防火保护的钢构件在标准升温下的升温和构件的形状系数(单位体积的受火面积)有关,采用 规范中6 3给出的钢构件升温计算公式计算了不同形状系数下构件的温度,采用数据拟合的方法得到如下不同形状系数的构件在标准升温下的温度计算公式:

T=A2+

A1-A2

1+(t x0)p

(40?F V?350)(3)

式中:

A1=39 10505-0 07612x-8 8!10-4x2+1 7494!10-6x3

A2=1020 91642+0 07024x+263 36464!0 97077x

x0=8 82743+21 00331exp[(37 9159-x) 62 58403]

p=2 16242-0 0031x-3 1221!10-6x2+1 2749!10-8x3参数t为受火时间;x为构件形状系数 m-1,x=F V; F为构件单位长度的受火面积 m;V为构件单位长度的体积 m2。

2 简支组合梁抗火验算方法

简支组合梁抗火承载力应按下式验算[11]:

M?M+R(4)式中:M为相应荷载产生的跨中最大弯矩设计值,对于承受均布荷载的梁,M=ql2 8;M+R为高温下简支组合梁在正弯矩作用时的抵抗弯矩值,按照 规范8 3 4条计算。3 临界温度计算

根据简支组合梁的截面参数和常温下材料性能,可确定常温下简支组合梁的极限承载力,根据作用在

简支组合梁上的荷载可确定梁的荷载比,即

R=M M u(5) 根据简支组合梁的耐火极限要求,确定混凝土楼板的温度T c,然后给定一个初始受火时间,根据式(3)计算钢梁下翼缘和腹板的初始温度T s1,钢梁上翼缘的初始温度T

s2

,根据各个组件部分的温度可求得相应温度下的强度,然后按照 规范8 3 4计算高温下简支组合

梁的极限承载力M

uT

,若M u T>M,增加受火时间,继续

计算极限承载力,当第一次满足M

uT

?M时,此时的温

度T

s1

即为钢梁的临界温度。图1

为临界温度计算流程。

图1 简支组合梁临界

温度计算流程图

4 影响参数分析

根据计算流程和极限

承载力计算方法,编制了计

算临界温度的程序,用来确

定各种情况下的简支组合

梁临界温度。为了得出简

支组合梁临界温度的变化

规律,对不同荷载比下简支

组合梁的截面参数进行了

研究和分析,包括:钢梁截

面形状,楼板的有效宽度和

厚度,混凝土和钢梁的强度

参数,以及耐火极限。

实际工程中简支组合

梁截面形式千变万化,不可

能计算出各种截面的临界

温度,这里仅对工程中常用的简支组合梁进行了研究。工程中简支组合梁多为次梁型组合梁,常用的钢梁截面形状为H200!100!5 5!8,H250!125!6!9,H300 !175!6 5!9,H350!175!7!11,H400!200!8! 13,H500!200!10!16共6种。压型钢板的肋高约为75mm,肋板以上混凝土的厚度一般为50~100mm,简支组合梁的有效宽度一般为1200~1800mm。耐火极限要求为30,60,90或120min。混凝土强度等级一般为C30~C40,钢材强度为Q235或Q345。

4 1梁的截面尺寸

取耐火极限60min,楼板厚度为80mm,有效宽度为1500mm,钢材Q235,混凝土强度等级为C35,分别对上述6种截面形状的简支组合梁的临界温度进行了计算,结果见图2。从中可以看出,钢梁截面形状对临界温度的影响不大。故计算一般简支组合梁的临界温度时可以取一种典型截面计算。

4 2材料强度

对耐火极限60min,楼板厚度为80mm,有效宽度为1500mm,截面形状为H350!175!7!11,混凝土强度分别为C30和C40,钢材强度为Q235或Q345的简支组合梁临界温度进行了分析,结果见图3和图4

。

图2 钢梁截面形状对临界温度的影响

图3 混凝土强度对临界温度的影响

从图中可以看出,钢材的强度和混凝土的强度对临界温度的影响也不大。可取C35和Q235情况进行一般简支组合梁临界温度计算。4 3楼板厚度

对耐火极限60min,有效宽度为1500mm,截面形状为H350!175!7!11,混凝土强度为C35,钢材强度为Q235,楼板厚度分别为50~100mm 的简支组合梁临界温度进行了分析,结果列于图5中。从中容易看出,楼板厚度对临界温度的影响比较大,厚度越小,临界温度越低。原因是楼板厚度和楼板的温度有关,厚度越小,温度越高,确定荷载比下钢梁的临界温度就越低。故计算一般简支组合梁的临界温度时需要按照楼板厚度

分别进行计算。

图4 钢材强度对临界温度的影响

图5 混凝土板厚度对临界温度的影响

4 4组合梁有效宽度

对耐火极限60min,楼板厚度为80mm,截面形状为H350!175!7!11,混凝土强度为C35,钢材强度为Q235,楼板有效宽度分别为1200,1500,1800mm 的简支组合梁临界温度进行了分析,结果见图6。从中可以看出,简支组合梁有效宽度对临界温度的影响不大,只有当荷载比较大时才有影响,可取常见有效宽度的平均值1500mm 来计算一般简支组合梁的临界温度。

4 5耐火极限

对楼板厚度为80mm,有效宽度为1500mm,截面形状为H350!175!7!11,混凝土强度为C35,钢材强度为Q235,耐火极限分别为30,60,90和120min 的简支组合梁临界温度进行了分析,结果见图7。

从图中容易看出,耐火极限高于60min 时,对临界温度的影响较大,耐火极限越长,临界温度越低。原因是耐火极限大的简支组合梁混凝土楼板的温度高,在确定的荷载比下钢梁的临界温度就越低。在计算一般简支组合梁的临界温度时需要按照不同的耐火极限要

求分别计算。

图6 组合梁有效宽度对临界温度的影响

图7 耐火极限对临界温度的影响

5 简化设计方法

5 1无防火保护简支组合梁临界温度

根据前面的参数分析可以看出,截面形状、材料强

度、有效宽度对临界温度影响不大,而楼板的厚度和耐火极限对临界温度的影响较大,对一般简支组合梁按照不同的耐火极限要求和楼板的不同厚度进行临界温度计算,结果见表1。表中横线处表示在该荷载比、耐火极限和楼板厚度下简支组合梁的抗火承载力低于荷载效应,即考虑抗火设计时在此耐火极限和楼板厚度下荷载比不能达到该值。

简支组合梁临界温度表 #

表1

耐火时间 min 6090120板厚 m m

507010050701005070110荷载比

0 36906967026286887006066416980 356546726795976566775766066720 46206496565666206545395736490 455916286365355856314975396260 55596066155015536094415056030 555285825914555205883394635790 6497559569393485566?4135560 65463531549?441542??5280 7422497524?393516??5010 75367459501??489??4720 8

?

417

472

?

?

459

?

?

427

工程设计中,可根据简支组合梁的荷载比、楼板厚度和耐火极限的要求查表得出简支组合梁临界温度,

然后计算在规定的耐火极限和标准升温条件下钢梁的温度,若钢梁温度低于临界温度,则该简支组合梁不需要防火保护,反之则需要采用防火保护。

5 2防火保护厚度的确定

采用 规范的方法计算了不同防火厚度和截面形状系数的构件在标准升温下的温度,通过数据分析拟合了有防火保护的构件,在标准升温条件下构件的温度和单位长度综合传热系数B的关系,即:

T s=t(40 7-39 8!0 99985B)+T0

(50?B?8000)(6)式中:B为单位长度综合传热系数,B=( i d i)!(F V); i为防火保护材料的导热系数 W (m#);d i为防火保护的厚度 m;T

为构件初始温度,可取20#。

根据式(6),将钢构件的温度T s换成钢梁下翼缘

和腹板的临界温度T

c r

,导出防护保护厚度的算式:

d i=

225!10-5 i

55 3-15ln[40 7-(T c r-T0) t]

F

V

(7)

当需要采用防火保护时,可根据钢梁的临界温度和形状系数按式(7)确定防火保护的厚度。

6 算例和比较

6 1组合梁基本信息

混凝土顶板厚度100mm,有效宽度1500mm,压型钢板为HG 344,波高76mm,混凝土强度等级C30,H型钢梁截面为350!150!8!12,Q235钢材,梁跨度4m,两端简支,荷载设计值为90kN m。耐火极限为90min。防火保护导热系数为0 1W m#。

6 2 规范方法

首先计算作用在简支组合梁上的荷载产生的跨中最大弯矩:

M=ql2 8=90!42 8=180kN%m

假定没有防火保护,根据 规范表8 3 1查得楼板的温度为510#,计算得钢梁下翼缘和腹板的形状系数为216,上翼缘的形状系数为97,根据形状系数查 规程附表F 1得钢梁下翼缘和腹板的温度为1004#,上翼缘的温度为1001#,此种情况下极限承载力M uT=0,显然小于荷载效应M。故需要采用防火保护。

假定防火涂料厚度为19mm,根据 规范6 3、附表F 2,查得90min时下翼缘和腹板临界温度为648#,上翼缘的温度为385#,根据楼板上下翼缘和腹板的上述温度,按照 规范8 3 4计算出简支组合梁的极限承载力为196kN%m。满足极限承载力要求,故防火保护厚度可取为19mm。

6 3本文的方法

首先计算作用在简支组合梁上的荷载产生的跨中最大弯矩M=180kN%m。计算该简支组合梁常温下的极限承载力为462kN%m,求出荷载比R=180 462= 0 39,根据耐火极限,楼板厚度和荷载比查表1得钢梁临界温度为654#,根据临界温度,钢梁的形状系数按照式(7)求得防火保护约19 2mm。

6 4结果比较

根据上两节的计算结果可知: 规范方法求得的钢梁临界温度约为648#,本文求得的临界温度为654#,非常接近。 规范方法求得的防火保护厚度为19mm,本文求得的防火保护厚度为19 2mm,基本相同。可见本文的简化方法十分准确。

7 结语

对影响简支组合梁临界温度的参数分析认为:一定荷载比下简支组合梁中钢梁截面、材料强度、有效宽度等对临界温度的影响不大,而耐火极限和楼板的厚度对简支组合梁临界温度影响较大。

在参数分析的基础上,提出了简支组合梁抗火验算与设计的临界温度法,给出了简支组合梁不同荷载比下临界温度表格,当需要采用防火保护时,根据临界温度可直接求得防火保护的厚度,通过算例验证了方法用于简支组合梁抗火设计和验算的可靠性。

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