火灾高温对钢框架结构有比较大的影响， 其中构件的承载力随温度的升高不断下降、变形随温度升高不断增大。通过Ansys有限元方法进行模拟分析建立钢框架的有限元分析模型，影响钢框架结构整体稳定性的因素：材料非线性、几何非线性和温度内力，考虑到这些因素的影响，通过对钢框架梁柱的屈曲反应分析，可以得到在火灾高温的作用下极限强度的变化趋势。
1. 钢框架在火灾高温作用下的抗火计算
1案例：某两层双跨钢架结构，其跨距为8m，层高10m，均布荷载q=30kN/m（其如图1），材料为Q235钢，外部采用厚度为B=2cm的防火涂料作作为保护层，防火涂料的导热系数λi=0.10W/（m？℃），常温下钢材的弹性模量为ET=20℃=2.1×105MPa。梁截面基本参数为：A=128cm2绕强轴截面模量Wx=2538cm3、惯性矩Ix=48240cm4；柱截面的基本参数A=128cm2、绕强轴截面模量Wx=13969cm3、惯性矩Ix=586700cm4，现进行温度内力计算，计算简图、截面图如图1、2。
利用Ansys建立梁柱工字型截面实体单元，单元类型为Solid70，仅梁柱内侧受到高温温度荷载作用，构件受高温荷载后构建的受高温面的温度近似于空气气流温度，荷载通过热对流的形式施加于结构物表面，在钢框架结构梁柱内部是通过热传导的形式传播，从而可以计算出温度应力，结构模型如图4。
2钢框架结构温度分布云图
柱脚及节点为刚接，设置燃烧时间范围，通过温度分析得到所需温度云图，图5为60min 时钢框架梁柱的温度分布云图。
3 钢框架结构的温度分析
（1）.由不同时间点的温度分布曲线图可知，火灾高温下，各截面的升温曲线陡然升高点是在钢材与保护层交接处，由于防火涂层在钢材表面，因此防火保护涂层温度上升较快。防火保护层的作用是阻止温度在构件中的蔓延，这对于钢框架结构构建起着重要的保护作用。
（2）.梁柱截面平均温度的变化图如图6
（3）.通过梁柱截面平均温度分布云图可以看出，梁的上翼缘与部分腹板在没有受到高温作用时，温度上升较慢。当高温作用时间达到60min 时，有部分钢材仍然处于接近常温状态，这是因为虽然钢框架结构的导热性能比较好，然而高温区域的保护层隔绝热量的作用可以大大的降低了高温作用下构件截面的升温，从而导致截面有较大的温度差。
2钢框架结构梁柱的整体稳定性屈曲分析
在Ansys分析中将Solid45 结构单元替换模型单元 Solid70，将钢框架结构梁柱节点及底层柱底节点设置为固定端。梁节点外不设置侧向支撑，梁上作用27.5kN/m竖向均布荷载。
1） 钢结构整体变形分析
在热膨胀作用和构件轴向力两者的作用下，钢结构框架柱端产生了侧向位移，在顶层梁的下翼缘产生了严重的扭转变形。图7显示最大载荷步时的变形图，黑色的部分是还没有发生变形时的结构形态，为了便于清晰查看将该图的变形值扩大了两倍。
2） 框架结构的屈曲状态分析
从图8可以可出钢框架构件的挠度变形与温度成正比。从图中不难发现底层梁在 3300s 左右的时候它的挠度达到了最大值 3.25cm，随后进入了塑性阶段。
图9为钢框架框架柱的侧向位移变形图，柱侧向位移变形量对于框架结构的整体稳定性不起控制作用。
3） 应力分析
在不同的时间段和时间节点各钢框架结构的构件由温度内力产生的应力计算数值，随着燃烧产生高温的时间而逐渐的增加，同时温度应力也逐渐的增加如图10。
钢框架结构的框架柱屈曲荷载远小于它所对应的极限荷载，这是因为钢框架结构的框架梁在高温条件下产生的水平温度内力，致使柱的顶端产生了侧向位移，从而影响了钢框架结构的整体稳定性如表1。
3结语
1）在高温度的条件下，截面升温曲线陡然升高发生在钢材与保护层交接处，防火涂层温度上升的比较快。防火保护层是阻止温度在构件中蔓延的有效方法之一，对于钢结构构件起着重要的作用。
2）钢框架结构的导热性能比较好，但是受高温度区域的保护层隔绝热量的作用降低了高温下构件截面的升温，致使整个截面温度保持较大的温度梯度。
3）钢框架两端框架柱对其有比较大约束作用，致使钢框架结构的热膨胀作用受到束缚，挠度增加。柱侧移量对于框架整体稳定不起控制作用。
参考文献
[1]李国强，金福安.钢框架结构火灾反应分析[J].土木工程学报，Vol.27，No.1，1994（2）.
[2]李国强.现代钢结构抗火设计方法[J].消防科学与技术， 2002， （1）： 8-11.
[3]李亮文，赵金城.不同应力-温度路径下平面钢框架火灾反应的非线性分析[J].防灾减灾工程学报， 2005， 25（2）： 117-123.
[4]张玉锁.钢框架梁抗火分析有限元模型的建立[J]. 山西建筑， 2003， 29（5）： 27.
相关热词搜索： 临界 火灾 框架结构 高温 模拟上一篇：基于矩阵LU分解的并行处理