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摘 要：钢框架结构的耐火性差是该结构的致命缺点。文章以ANSYS有限元分析软件为研究手段，对三层三跨的钢框架结构在高温下的温度分布、变形、耐火极限进行计算，为研究钢框架结构的抗火设计方法提供参考。
关键词：有限元；失效；耐火极限
中图分类号：TU398.2 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）06－0116－03
随着我国钢铁事业的蓬勃发展，钢框架结构在社会生产、生活中的应用范围也相应得到提高。然而，在现代社会，火灾频发，给人类带来了巨大的身心伤害以及经济上的损失。钢框架结构虽然在高温下不会自身燃烧，却极易出现塑性变形、强度降低，直至坍塌的严重后果。所以，通过对钢框架结构的构件在高温下进行有限元分析，进一步探讨钢框架结构的临界温度和耐火极限，从而来指导钢结构的抗火设计，以尽量降低火灾对钢框架结构的损害，是很有现实意义的。
1 高温下结构非线性有限元分析理论
当钢结构在局部处于高温状态下，一方面，由于高温下材料加载历史、环境状况、加载的时间总量等因素影响到材料的应力－应变性质，在高温下材料的塑性形变决定了在分析中必须考虑材料非线性的影响；另一方面由于高温下结构刚度的降低及热膨胀约束变形等因素造成的几何非线性的影响较常温更加严重。所以在用进行局部火灾条件下结构的失效分析时，必须在同时考虑材料非线性及几何非线性的基础上进行。
2 钢框架在高温下的结构破坏原理
钢框架在局部房间发生火灾时，其破坏首先是由于起火房间的梁、柱在内部高温作用下，由于承载能力下降，使局部梁柱失效，接着引起结构的内力重分布，最后导致结构的破坏。
3 利用ANSYS分析软件对高温下钢框架结构的失效分析
3.1 钢框架分析模型
本文主要分析在房间发生火灾时，其梁柱在相同的应力比条件下，局部结构在高温下失效，从而引起整体的失效分析，并且采用欧洲规范建议的高温下钢材的力学性能。所选用的分析模型为三层三跨，跨度为5.5 m，高度为3 m。其他具体参数如下：
截面：梁为H 300×160×8×10 mm，柱为H 200×200×8×12 mm；
均布荷载：梁顶q＝25.4 kN/m；
集中荷载：外侧柱顶Q＝75.5 kN，内侧柱顶Q＝75.5 kN；
温度荷载：选取加温过程中构件翼缘与腹板的平均温度。温度变化范围见表1、表2。
3.2 高温下钢框架结构的失效分析
本文对钢框架高温下失效分析属于静立分析中的几何非线性分析和材料非线性综合的双重非线性问题进行了分析。笔者将防火间分别设在了平面钢框架的一层和三层，对两种不同情况分别建立了分析模型。具体见图1、图2。
在非线性菜单的设置中，通过激活大应变控制效应（NLGEOM，ON），并打开二分法（AUTOTS，ON），在Newton－Raphson选项中选择program chosen，进而综合考虑几何非线性和材料非线性进行求解。
3.2.1 防火间在一层模型的分析结果
本文所采用的破坏准则为：①柱破坏或梁整体失稳；②梁的跨中挠度超过跨度的1/30（即为183.33 mm），结合表3、图1、图4的分析数据可得到以下结果：
（1）结构整体变形情况。在0～15 min内，随着温度的升高，梁柱表面都在发生变形，同时节点位移在X、Y、Z三个方向同时增大，但都是小范围的变化。
到16 min时，防火间的柱表面发生严重破坏；节点位移急剧增大，节点10甚至发生破坏；框架突然发生平面外整体失稳。
（2）梁跨中变形情况。在0～15 min内，梁的跨中挠度都在增大，但都没有超过183.33 mm，到16 min时，梁10－11的跨中挠度猛增到334.63 mm，超过了破坏极限。
（3）防火间在一层模型的耐火极限。从以上梁、柱的变形过程可知，在0～15 min之间，虽然梁、柱有些部位变形过大，但还没有破坏，到第16 min，柱子发生破坏，框架突然发生平面外整体失稳，导致结构整体破坏，所以该模型的耐火极限是15 min。
3.2.2 防火间在三层模型的分析结果
结合表7、图2、图4的分析的可得出：
（1）结构整体变形情况。在0～19 min内，随着温度的升高，梁柱表面都在发生变形，同时节点位移在X、Y、Z三个方向同时增大，但都是小范围的变化。
到20 min时，梁1－2发生严重扭曲，5－6发生严重破坏；节点位移急剧增大，节点5和6发生破坏；框架突然发生平面外整体失稳。
（2）梁跨中变形情况。在0～19 min内，梁的跨中挠度都在增大，但都没有超过183.33 mm，到20 min时，梁1－2和5－6都大大超过了破坏极限。
（3）防火间在三层模型的耐火极限。从以上梁、柱的变形过程可知，在0～19 min之间，虽然梁、柱有些部位变形过大，但还没有破坏，到第20 min，梁发生破坏，框架突然发生平面外整体失稳，导致结构整体破坏，所以该模型的耐火极限是19 min。
4 结束语
本文根据有限元基本理论，利用ANSYS的非线性分析模块，采用欧洲规范建议的高温下钢材的力学性能，综合考虑几何非线性和材料非线性的影响，分析出两个钢框架模型在不同时刻的变形情况，再根据本文采用的高温下框架破坏准则可知：
（1）防火间在一层的模型该模型的耐火极限是15 min；防火间在3层的模型的耐火极限是19 min；较一层相比耐火极限稍长。所以在钢框架结构中低层防火间的防火设计、防火措施上需要加强。
（2）梁柱节点处是构件中最易塑性变形的部位，处于高温作用下的构件，梁柱节点最易达到屈服状态，所以该部位属于结构抗火中设计人员最应加强的薄弱点。
（3）未进行抗火设计的钢框架结构的失效时间远小于一般结构耐火极限的要求，所以必须按照规范对钢结构进行严谨的抗火设计。
综上所述，钢框架的耐火极限通常在14～20 min之间，可见钢框架结构发生火灾时，给消防员灭火、救灾的时间非常有限，所以在钢结构的防火设计中，如何尽可能地延长钢结构达到临界温度的时间，如何尽可能地避免发生整体坍塌，是钢结构设计人员们值得不断探讨研究的课题。
参考文献：
［1］宋勇，艾宴清，梁波等.精通ANSYS7.0有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.
［2］Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1.2：General rules/ Structural fire design. ENV1993－1－2.October 2001.
［3］李国强，金福安.火灾时钢框架结构的极限状态分析［J］.土木工程学报，1994（1）.
（编辑：李敏）
Finite Element Analysis of Steel Frame Structure’s
Losing Efficacy under the High Temperature
Wang Kun
Abstract: The weak fire resistance of steel frame structure is the fatal shortcoming of structure. Taking ANSYS finite element analysis software as research means, the article calculates the temperature distribution, deformation and fire resistance limit of three－layer and three－span steel frame structure under high temperatures, to provide reference for fire resistant design method of steel frame structure.
Key words: finite element; fire resistance limit
关键词：有限元；失效；耐火极限
中图分类号：TU398.2 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）06－0116－03
随着我国钢铁事业的蓬勃发展，钢框架结构在社会生产、生活中的应用范围也相应得到提高。然而，在现代社会，火灾频发，给人类带来了巨大的身心伤害以及经济上的损失。钢框架结构虽然在高温下不会自身燃烧，却极易出现塑性变形、强度降低，直至坍塌的严重后果。所以，通过对钢框架结构的构件在高温下进行有限元分析，进一步探讨钢框架结构的临界温度和耐火极限，从而来指导钢结构的抗火设计，以尽量降低火灾对钢框架结构的损害，是很有现实意义的。
1 高温下结构非线性有限元分析理论
当钢结构在局部处于高温状态下，一方面，由于高温下材料加载历史、环境状况、加载的时间总量等因素影响到材料的应力－应变性质，在高温下材料的塑性形变决定了在分析中必须考虑材料非线性的影响；另一方面由于高温下结构刚度的降低及热膨胀约束变形等因素造成的几何非线性的影响较常温更加严重。所以在用进行局部火灾条件下结构的失效分析时，必须在同时考虑材料非线性及几何非线性的基础上进行。
2 钢框架在高温下的结构破坏原理
钢框架在局部房间发生火灾时，其破坏首先是由于起火房间的梁、柱在内部高温作用下，由于承载能力下降，使局部梁柱失效，接着引起结构的内力重分布，最后导致结构的破坏。
3 利用ANSYS分析软件对高温下钢框架结构的失效分析
3.1 钢框架分析模型
本文主要分析在房间发生火灾时，其梁柱在相同的应力比条件下，局部结构在高温下失效，从而引起整体的失效分析，并且采用欧洲规范建议的高温下钢材的力学性能。所选用的分析模型为三层三跨，跨度为5.5 m，高度为3 m。其他具体参数如下：
截面：梁为H 300×160×8×10 mm，柱为H 200×200×8×12 mm；
均布荷载：梁顶q＝25.4 kN/m；
集中荷载：外侧柱顶Q＝75.5 kN，内侧柱顶Q＝75.5 kN；
温度荷载：选取加温过程中构件翼缘与腹板的平均温度。温度变化范围见表1、表2。
3.2 高温下钢框架结构的失效分析
本文对钢框架高温下失效分析属于静立分析中的几何非线性分析和材料非线性综合的双重非线性问题进行了分析。笔者将防火间分别设在了平面钢框架的一层和三层，对两种不同情况分别建立了分析模型。具体见图1、图2。
在非线性菜单的设置中，通过激活大应变控制效应（NLGEOM，ON），并打开二分法（AUTOTS，ON），在Newton－Raphson选项中选择program chosen，进而综合考虑几何非线性和材料非线性进行求解。
3.2.1 防火间在一层模型的分析结果
本文所采用的破坏准则为：①柱破坏或梁整体失稳；②梁的跨中挠度超过跨度的1/30（即为183.33 mm），结合表3、图1、图4的分析数据可得到以下结果：
（1）结构整体变形情况。在0～15 min内，随着温度的升高，梁柱表面都在发生变形，同时节点位移在X、Y、Z三个方向同时增大，但都是小范围的变化。
到16 min时，防火间的柱表面发生严重破坏；节点位移急剧增大，节点10甚至发生破坏；框架突然发生平面外整体失稳。
（2）梁跨中变形情况。在0～15 min内，梁的跨中挠度都在增大，但都没有超过183.33 mm，到16 min时，梁10－11的跨中挠度猛增到334.63 mm，超过了破坏极限。
（3）防火间在一层模型的耐火极限。从以上梁、柱的变形过程可知，在0～15 min之间，虽然梁、柱有些部位变形过大，但还没有破坏，到第16 min，柱子发生破坏，框架突然发生平面外整体失稳，导致结构整体破坏，所以该模型的耐火极限是15 min。
3.2.2 防火间在三层模型的分析结果
结合表7、图2、图4的分析的可得出：
（1）结构整体变形情况。在0～19 min内，随着温度的升高，梁柱表面都在发生变形，同时节点位移在X、Y、Z三个方向同时增大，但都是小范围的变化。
到20 min时，梁1－2发生严重扭曲，5－6发生严重破坏；节点位移急剧增大，节点5和6发生破坏；框架突然发生平面外整体失稳。
（2）梁跨中变形情况。在0～19 min内，梁的跨中挠度都在增大，但都没有超过183.33 mm，到20 min时，梁1－2和5－6都大大超过了破坏极限。
（3）防火间在三层模型的耐火极限。从以上梁、柱的变形过程可知，在0～19 min之间，虽然梁、柱有些部位变形过大，但还没有破坏，到第20 min，梁发生破坏，框架突然发生平面外整体失稳，导致结构整体破坏，所以该模型的耐火极限是19 min。
4 结束语
本文根据有限元基本理论，利用ANSYS的非线性分析模块，采用欧洲规范建议的高温下钢材的力学性能，综合考虑几何非线性和材料非线性的影响，分析出两个钢框架模型在不同时刻的变形情况，再根据本文采用的高温下框架破坏准则可知：
（1）防火间在一层的模型该模型的耐火极限是15 min；防火间在3层的模型的耐火极限是19 min；较一层相比耐火极限稍长。所以在钢框架结构中低层防火间的防火设计、防火措施上需要加强。
（2）梁柱节点处是构件中最易塑性变形的部位，处于高温作用下的构件，梁柱节点最易达到屈服状态，所以该部位属于结构抗火中设计人员最应加强的薄弱点。
（3）未进行抗火设计的钢框架结构的失效时间远小于一般结构耐火极限的要求，所以必须按照规范对钢结构进行严谨的抗火设计。
综上所述，钢框架的耐火极限通常在14～20 min之间，可见钢框架结构发生火灾时，给消防员灭火、救灾的时间非常有限，所以在钢结构的防火设计中，如何尽可能地延长钢结构达到临界温度的时间，如何尽可能地避免发生整体坍塌，是钢结构设计人员们值得不断探讨研究的课题。
参考文献：
［1］宋勇，艾宴清，梁波等.精通ANSYS7.0有限元分析［M］.北京：清华大学出版社，2004.
［2］Eurocode 3. Design of steel structures. Part 1.2：General rules/ Structural fire design. ENV1993－1－2.October 2001.
［3］李国强，金福安.火灾时钢框架结构的极限状态分析［J］.土木工程学报，1994（1）.
（编辑：李敏）
Finite Element Analysis of Steel Frame Structure’s
Losing Efficacy under the High Temperature
Wang Kun
Abstract: The weak fire resistance of steel frame structure is the fatal shortcoming of structure. Taking ANSYS finite element analysis software as research means, the article calculates the temperature distribution, deformation and fire resistance limit of three－layer and three－span steel frame structure under high temperatures, to provide reference for fire resistant design method of steel frame structure.
Key words: finite element; fire resistance limit