部分约束的部分复合地板梁的结构耐火性，II：建模外文翻译资料

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建筑钢研究杂志

2020，167.105946

部分约束的部分复合地板梁的结构耐火性，II：建模

Michael M. Drury , Amy N. Kordosky , Spencer E. Quiel

摘要：

本文是由两部分组成的研究的第二部分，该研究分为两部分，第一部分是局部复合的单向跨钢地板梁组件的结构耐火性，该组件具有通过连接到支撑框架的剪力凸片提供的部分平移和旋转端部约束。 先前的论文（第1部分）描述了对结构相同的复合地板样本（一个受保护的和另一个未受保护的）通过大型模块化炉着火的一对实验测试。 在本文中，这些实验结果被用于验证数值模型，该数值模型保守地捕获了标本组件着火的热机械响应。 开发模型是为了最大程度地简化在实践中实现这些组件的基于性能的设计。 使用多重集总质量方法对钢进行热分析，这可以通过电子表格或简单的非迭代编程解决方案来实现。 通过简单的一维热流模型对板坯进行热分析，并与更详细的计算解决方案进行比较。 进行了两种类型的结构有限元分析：一种由壳单元组成（较复杂），另一种由纤维束单元组成（较简单）。 所有模型的结果均与实验数据显示出保守的一致性。 这些模型用于分析测试的组件的施加载荷和防火厚度的变化，以证明ASTM E119标准防火测试作为基于性能的结构防火工程评估的验证基准的实用性。

关键词：

耐火性，复合钢梁，被动防火，基于性能的设计

1.引言

在当前的实践中，钢结构建筑的防火设计通常是根据所谓的“规定性”要求进行的，根据建筑规范中的规定选择主动和被动防火措施 [1]。 主动式防火系统主要由洒水装置和其他灭火系统组成，被动式防火系统通常由应用于结构元件的外壳或涂料组成。 对于美国大多数的复合地板系统，被动防火系统由喷涂的防火材料（SFRM）组成，该材料作为近似轮廓的层现场施加到地板梁上。 根据建筑物的大小，占用率和功能，2018年国际建筑规范（IBC）[1]要求根据称为“标准”的实验测试结果，对结构构件采用每小时被动防火等级 防火测试，例如ASTM E119 [2]和ISO 834 [3]。 复合地板组件的小时额定值，例如UL产品规格目录[4]中记录的额定值，可以通过限制钢构件中的温度升高和/或载荷引起的变形的速率/幅度来确定。 几乎钢结构建筑中的所有复合地板组件（大多数由支撑复合钢筋混凝土楼板的宽翼缘钢梁组成）与通过标准耐火测试评估的组件都不完全匹配。 诸如ASCE 29-05 [5]和AISC Design Guide 19 [6]之类的参考文献中提供了将SFRM要求从测试的组件转换为实际结构的转换方程式。 具体而言，通过将横梁的横截面积与着火周长的比值（W / D）与被测截面的比值进行比较，可以计算出特定梁截面达到规定的小时额定值所需的SFRM厚度。

对于许多常规的钢结构设计而言，规定性方法可以提供一种有效且相对节省成本的方法，以提供最低水平的被动耐火性。 但是，将小时额定值从标准耐火试样转换为实际复合地板系统存在歧义。 先前的研究表明，通过ASCE 29–05转换获得的具有SFRM厚度的受火复合梁的结构性能会根据载荷水平，跨度，钢截面尺寸，板坯尺寸，边界条件和着火强度而变化 [7]。 在某些情况下，几乎没有被动防火的复合梁当遭受包括衰减到倦怠阶段的真实火灾时，也可以证明其耐火性[8,9]。

在北美的实践中，对钢结构建筑楼板系统的规定性防火要求是基于对热膨胀无限制或受限制的分类。ASTM E119 [2]和2018 IBC [1]都规定必须进行工程判断，以确定周围结构或支撑结构是否足以抑制热膨胀–目前，尚无标准化的方法来建立足够的约束水平。 与标准耐火测试结果相关的实际结构。 无论是实验[8,10,11]还是数值研究[9,12,13]都普遍支持以下期望：与无约束的组件相比，在火灾下复合地板系统中的热诱导膨胀和挠度的至少一些约束将增强其抵抗力（ 这代表了一个保守的下限，这在实际构造中是无法实现的。 然而，这些研究中的一些研究还表明，增加约束力实际上可以使某些着火的复合地板梁更快地发生塑性行为[12]，并且在部分约束力（即小于完全约束力）下可以获得最佳的耐火性[ 7,14]。 钢制梁地板系统的热约束已被确定为几次高层火灾中严重损坏的原因[7]，其中钢地板构件的屈服和屈曲引起的挠曲导致分隔损失以及连接和板的局部失效。

基于性能的结构-火灾分析方法可以超越当前对SFRM厚度的简单换算，以检查当结构构件受热时需求和承载力的变化，并考虑跨度长度、边界条件、板特性和施加荷载的影响。根据2018年IBC第703.4.4节，工程分析可用于证明耐火性相当于规定要求[1]。十多年来，基于性能的钢结构火灾行为计算方法一直是欧洲规范的一部分[15]，现在北美的实践中越来越多地采用了基于性能的规定，如AISC 360-16[16]中的附录4、ASCE 7-16[17]中的附录E和ASCE的《实施手册138：结构防火工程》[18]。这些参考文献规定，钢结构对火灾的力学响应分析必须考虑由于温度升高以及热膨胀和大挠度的影响而导致的材料强度和刚度的退化。

本项目通过两个新的大型试验和相关的数值模拟，为组合钢梁楼盖体系的耐火设计提供了一个基于性能的框架。这项研究的第一部分[19]介绍了两个大型火灾试验的结果，这两个试验是在北美典型的建筑实践中结构相同的复合地板组件上进行的，并部分抑制了热膨胀。一个试件的宽边梁被喷涂防火材料(SFRM)的应用厚度保护，该厚度对应于2-h ASTM E119耐火等级(使用基于W/D比[5，6]的电流换算计算)，而另一个试件没有被动防火(即无保护)。结果表明，根据ASTM E119热极限标准[2]，受保护的组合梁达到了近90min的耐火性能。根据挠度极限标准，受保护的梁还表现出近130分钟的结构耐火性，所施加的弯曲荷载相当于最大使用条件的60%。在相同的荷载水平下，未保护的试件在达到失控破坏之前达到了近30分钟的结构耐火性，并且表现出与保护的试件非常相似的挠度随梁温度的变化。

本文以第一部分的试验数据作为验证，采用不同复杂程度的热分析和结构分析方法，捕捉火灾作用下组合楼板梁试件的受弯响应和破坏情况。这项建模工作的目标是以较低的计算成本开发对火灾诱导力学和极限状态的准确、保守的预测，从而增加这些方法对实践工程师的可及性。根据标准耐火试验结果进行验证的基于性能的模型可以作为一种改进的工具，用于将基于这些试验的耐火等级转换为现实钢结构建筑中的复合楼板系统。在本文中，将研究施加荷载和SFRM厚度的变化，以评估结构响应与ASTM E119热极限准则之间的关系，以供试验的复合材料楼板梁试件使用。

2.背景

以前的几项研究已经使用剪力连接支承的组合钢楼板梁的火灾试验数据成功地验证了各种数值模拟方法。这些研究采用壳和实体有限元相结合的方法[20，21]，不仅对梁进行了深入的研究，而且对单向跨复合材料组件受到热致弱化和热膨胀约束时的剪切连接也进行了深入的研究。这些努力对复合楼板的损伤有了宝贵的了解，但它们的计算成本很高，可能不利于设计实践。此外，这些研究主要集中在不同热暴露的无保护组件的响应上，而不一定集中在应用被动防火的组件上。为了满足设计基础工具的需求，基于纤维的复合地板性能的分析性预测已经开发出来[22，23]，并与展示塑性弯曲行为的实验测试进行了验证。这些测试显示，由于样本的大小或约束程度，几乎没有显示出局部或全局的不稳定性。这项研究将建立在这些先前贡献的基础上，以考虑潜在的不稳定性，并在标准火灾试验的背景下为受保护和未受保护的样品提供直接验证。对于实际实施，简单而保守的模型是有利的，因此本研究的目的是验证结构工程从业者将越来越容易获得的模型。

有几项研究已经超越了单向跨度假设，将复合楼板系统建模为三维系统的一部分，用于模型验证[24，25]或具有规则[26]或不规则[9]框架布局的原型复合楼板系统的参数研究。这些研究通常将壳单元用于板，将纤维梁单元用于钢梁，以最大限度地提高计算效率，并展示板的双向作用对组件抗火性能的贡献。大多数这些研究的目的都是证明楼板的膜反应可能会增强耐火性，达到可以减少或消除二级楼板梁的被动防火的程度。因此，深入研究了板的膜贡献机理[27，28]，并提出了几种简化的计算方法来解释板的双向贡献[13，29]。卡丁顿的钢框架建筑的全尺寸火灾测试[8，30]证明了双向楼板行为能够增强无保护复合楼板梁对包括烧毁的衰变阶段在内的真实火灾场景的抵抗力。虽然双向板响应提供了提高结构效率和价值工程以减少被动防火的潜力，但实验和数值研究都注意到了双向板贡献的局限性以及未来研究的需要。这些要求包括支撑次梁的框架需要显著的刚度(在大多数火灾情况下，支撑框架也是加热的)，需要组合楼板开间的正方形或接近正方形的纵横比，楼板细节以抵御较大挠度时增加的薄膜应力，以及次梁末端的连接细节以承受较大的反力和旋转。随着双向板对复合楼板体系贡献的研究不断深入，将复合楼板体系作为单向跨越单元进行评估仍然是将基于性能的结构-火灾分析集成到当前钢结构建筑复合楼板设计环境中的一种适当保守的方法[33]。

对复合楼板组件进行建模的一个关键方面是梁-板界面的适当表示，该界面通常由预制头部剪力钉组成。Wang等人[23]提供了对具有仅在组合百分比上不同的平板[34]的组合梁的一对实验测试的数值验证。该模型考虑了材料特性与温度的关系，并考虑了剪力连接件的剪切滑移行为。模拟结果与试验数据吻合较好，证实了50%复合材料试件的火灾失效时间与全复合材料试件相似。从本质上讲，试件变得越来越复合材料，因为钢梁经历了比板或剪力钉更快的温度上升。Fischer和Varma[21]还表明，在几种火灾情况下，假设完全复合作用会导致保守的跨中挠度预测。Mirza和Uy[35]的建模表明，实心扁板结构的组合梁在栓钉连接件中经历了更多的剪切需求和变形，而在凹槽甲板上采用异形板的组合梁能够充分发挥混凝土的抗压能力，并表现出更大的结构抗火能力，对低复合作用的短跨度试件[31]和高复合作用的大跨度试件[36]的进一步试验也没有显示出明显的剪力钉损伤。总体而言，这些先前的研究表明，带凹槽甲板的复合材料组合的设计基础模型(这是典型的北美建筑)可以通过简化的板和梁之间剪切界面的“非常刚性”假设来适当地捕捉它们的火灾反应。这一假设的正确性将在本文提出的分析中得到验证。

3.试验试件

如本研究第1部分所讨论的那样[19]，将两个单向跨度组合梁试件加载以利用其环境因素公称弯矩承载力的35%，并使用模块化结构试验炉进行ASTM E119标准火灾曲线[2]，直到出现弯曲失控破坏。样本设计、实验设置和测试结果的全部细节在第1部分的配套论文中提供，但这里提供了一个简短的总结。两个结构相同的组合楼板梁试件采用W12times;26热轧钢梁(7850 kg/m3[490PCF])，屈服强度为345 MPa(50KSI)，跨度为3.34米(10英尺)。11半英寸)。梁支撑142厘米(56英寸)。宽轻质混凝土(LWC)板，测试密度为1938 kg/m3(121个PCF)和82.6毫米(3.25英寸)。50.8毫米(2英寸)顶部的厚度。金属凹槽甲板。板的设计抗压强度为27.6 MPa(4KSI)(每个试验日断裂的圆柱体仅比额定强度增加~5%)，并用6times;6 4GA焊丝钢筋(WWR)加固19.05 mm(3/4英寸)。楼板顶面下方。组合梁设计为使用十根19.05毫米(3/4英寸)的部分复合材料。直径，101.6毫米(4英寸)。间距为304.8毫米(1英尺)的长剪力钉。甲板上每个笛子(在薄弱位置)内的间隔。根据AISC规范[16]，根据混凝土板、钢梁和剪力钉的标称性能(这些计算在[37]中提供)，计算出在环境温度下试件的复合率为23.6%。梁在两端通过三个19.05 mm(3/4 in)的剪切片连接垂直连接到C15times;40通道的腹板(为板提供横向重力支撑)。ASTM A325螺栓，标称剪切强度为372 MPa(54 Ksi)[16]。每条槽钢腹板的外表面用螺栓固定在W10times;26柱的内翼面上，起到竖向支撑和部分抑制热膨胀的作用。柱子通过顶部和底部的夹头销连接到一个沉重的自作用框架上，顶部夹头允许垂直滑动，以避免由于热膨胀而在柱子中产生不必要的轴向力积累。

其中一个标本没有受到保护（即没有被动防火保护），而另一个标本则根据2014 UL Design No. D902 [38]的SFRM保护，该设计通常在当前的钢结构建筑中使用。 CAFCO 300 [39]的平均厚度为22.2毫米（7/8英寸），可实现约束组件和无约束梁的2小时耐火等级。 根据D902设计，没有将SFRM应用于槽纹甲板的下侧。 多层陶瓷棉毯被用来包裹横向通道和W10times;26支撑柱，以减轻其在燃烧测试中的温度升高。 在保护和未保护的测试中，由于测试持续时间相差100分钟，柱中的平均钢温分别达到〜600°C和〜250°C [19]。 还将一层陶瓷羊毛毯包裹在剪切片的连接区域，并从梁的末端延伸大约355毫米（14英寸）。 根据2018年国际建筑规范[1]，即使复合楼板的额定值通常低于支撑梁，其终接端的被动防火小时数也要与支撑梁相同。 梁。 在连接区域上应用单层的陶瓷棉毯子可模拟该要求，同时仍然允许连接温度有所提高，就像用SFRM喷涂（在将样品安装到测试夹具之前施加）一样。

试件在第三点进行四点弯曲加载，采用反向安装在自反应框架大集梁上的长冲程单作用液压缸，在钢架加载树上施加158kN(35.5Kips)的恒定载荷，将载荷平均分配到两个加载点。再加上试件自重(3.27kN/m[224PLF])，施加的荷载利用了复合材料截面因数名义弯矩承载力的35%(计算公式为ϕMn=266.1 kN-m[196.3 kip-ft]，其中ϕ=0.9[16，40])。

1. 热分析

组合试件中的梁和板的热分

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