火灾暴露钢及组合梁的抗剪承载力评估方法外文翻译资料

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建筑钢材研究杂志

火灾暴露钢及组合梁的抗剪承载力评估方法

论文信息：

摘要

提供一种评估火灾暴露钢及组合梁抗剪承载力减弱的简便方法。这种方法综合考虑了温度引起的强度退化，截面失稳效应以及梁板界面的复合作用程度。这种方法的有效性通过与有限元分析和火灾试验所得到的结果的对比，得以验证。数值研究和算例分析的结果表明，该方法能较好地评价火灾暴露钢和组合梁在大范围荷载作用下的抗剪能力的弱化。

关键词：

剪力，耐火

钢与组合梁

设计方法

失稳效应

复合作用

介绍：

由于钢结构的高导热性以及低比热容的性质，钢结构在火灾条件下温度会剧烈上升。温度的升高会导致钢材的强度和弹性模量迅速下降。因此，在典型的暴露在火灾中的条件下，钢结构在20-25分钟内会丧失承载能力。因此在建筑实际应用当中，钢结构必须有防火保护措施以保持1-3小时的耐火性。

在大多数建筑的实际应用中，钢梁就地用混凝土板建造。通过焊接剪切连接器连接，从而形成组合梁板结构。在这样的布置中，钢梁被设计成用于抗拉，混凝土板被设计成抗压，两者之间协同作用形成一个单元。由于混凝土比钢材具有更好的耐火性能，比如说更低的导热系数，较高的比热容，强度系数损失较慢，因此在大多数的火灾情况下，组合梁的耐火性能远高于独立的钢梁。因此如果适当考虑混凝土板的作用，那么在某些情况下不加额外防火材料的梁板构件就考研达到所需的防火性能。

钢和组合梁的防火性能已经被大量的实验和数据所研究。在大多数研究中，钢梁的破坏被假定发生在跨中挠度超过一定限制条件或者弯矩能力低于弯矩水平的情况下。然而最近的研究表明，剪切极限状态可以决定梁的破坏，尤其是在一定的荷载和火灾条件下。基于耐火性的分析研究表明热轧钢梁构件可能发生显著的温度变化引起的承载力下降以及不稳定性。由于温度的上升以及梁在剪切受力前的偏转（偏转因剪切而变小）或者弯曲极限状态（由于发生温度引起的不稳定以及剪切承载力急剧降低）。尽管存在这些现象，火灾情况下的剪切极限状态仍然没有被纳入许多现行的火灾设计准则当中，而在这些准则当中，挠曲极限状态仍然是主要的控制失效标准。

更准确的说，目前的钢结构防火设计要求例如AISC，Eurocode3、4以及AS 2327.1提到对室温下的钢结构构件，设计师们设计时要遵循具体要求。而这些条例在具体特定荷载条件下例如强剪力以及火灾条件下并不具有代表性。这些标准并没有明确的检测火灾情况下的剪切破坏方式。此外，温度引起的钢梁局部抗压作用也没有纳入进考虑范围，假定钢梁在火灾条件下也能保持室温下的温定。最近的研究也表明，在火灾情况下截面配置上这样的猜想是不太保守的

现在的火灾设计要求也要求组合梁设计中剪切力由腹板承受，于是忽略了混凝土板对剪切承载力的贡献。不仅如此，这种设计方法违背了挠曲设计的标准，在这个标准中考虑了混凝土板对弯矩承载力的贡献。最近研究的实验结果表明在室温和火灾条件下混凝土板可以加强复合梁的抗剪承载能力10-40%左右。因此，目前的设计规范标准不能对钢梁及复合梁进行贴合实际的分析评估，尤其是在强剪力和火灾荷载条件下。

为了克服上述的一些限制，本文提供一种评估钢和组合梁在火灾条件下的性能评估方法。这种方法综合考虑了材料的基于温度的强度降低，温度引起的截面失稳以及钢梁与复合梁之间相互作用的发展状况。这方法建立在数值计算的基础之上，同时也验证了在设计情况下的适用性。

2.限制火灾条件下的失效状态

直到20世纪80年代，对钢梁的耐火性评估评估都是通过列表做数据以及经验方法来进行评估。这些表格与经验方法来自于标准火灾场景实验，在实验中当达到钢的强度损失为50%对应的临界温度时，暴露于火灾中的钢材就会破坏。然而，在最近的30年里，人们逐渐意识到目前的方法存在很多的缺点，包括适用范围具有局限性，并且这些方法没有考虑到关键的设计参数，比如实际的暴露于火中、荷载等级、限制条件以及所有可能的承载极限状态。

因此将强度极限状态引入到钢与复合材料的失效推算当中。结果表明，火灾暴露钢以及复合梁的破坏是发生在暴露在火灾中时，减弱的抗弯能力弱于施加的弯矩，并切没有考虑到抗剪能力的减弱。这与环境温度设计时先满足抗弯强度再检查抗剪强度相反。基于弯曲极限状态的火灾暴露梁的失效虽然适用于大多数常见情况，但在某些剪力主导的或剪切承载力随暴露在火灾中的时间迅速减弱的情况下可能不具有代表性。

在某些荷载作用下，例如作用在梁上高度集中荷载（点荷载），再如传递梁中剪力可能占主导地位。同样，剪切效应在短梁，端部连接梁和腹板细长梁、深梁和板梁上也很显著。另外，深梁和板梁腹板通常会比翼缘更细长（更薄）。这些腹板由于两面都暴露在火场中（有更大的接触面积）因此温度会急剧升高。因此，腹板中的钢的强度性能比翼缘中的钢的强度性能退化得更快。这种情况下，剪切破坏会是控制极限状态，需要进行考虑。

3.室温和火灾条件下抗剪承载力的计算方法

通过以上结论，我们可以清楚的看到，现行的基于弯曲极限状态的钢梁和组合梁耐火性能评估的规定在某些情况下可能不具有代表性。为了考虑剪切极限状态，本文提供一种计算钢梁和组合梁受火时抗剪能力减弱的方法。这种方法考虑了温度引起的性能减弱，，截面不稳定性影响，以及梁板界面的相互作用水平

3.1室温条件下钢梁的抗剪承载能力

根据冯·米塞斯屈服准则（Huber-von Mises-hencky）推导出室温下钢梁的抗剪能力。在该理论中，单轴屈服应力为：

(1)

其中，、和是作用在三个相互垂直的零剪切面上的三个主方向上的拉应力和压应力。是要与单轴屈服应力比较的屈服应力。

胡贝尔指出，在典型的土木工程应用中，三个主应力中的一个要么为0 要么小到可以忽略不计，因此公式（1）可以写成：

(2)

由于纯剪发生在45^。平面上即时，则对应的剪切承载力等于主应力（）将代入公式（2）可得：

(3)

这表明单独作用的剪切应力屈服状态是：

(4)

因此，腹板面积为A_w（A_w=dtimes;t_w）的钢梁在室温下的抗剪承载能力（V_n）可以近似计算为：

(5)

式中，是钢腹板的抗剪屈服强度（=0.6），是腹板厚度，d为热轧梁总厚度，是腹板剪切系数，考虑腹板的不稳定效应，并取决于腹板的长细比。

由于剪切应力为（由公式4），故取剪切承载力为AISC设计指南中公式G2-1

(6)

可见，钢梁的抗剪承载力是钢的抗剪强度和腹板面积的函数，腹板面积由腹板深度和厚度决定。这两个参数（d和t_w）也用于根据长细比对腹板的细长度进行分类。

腹板长细比对钢梁抗剪能力的影响如图1a所示，其中抗剪能力随着腹板长细比的增大而减小。从图中可以看出，随自变量改变存在三个不同的区域。分别是：剪切屈服（塑性），非弹性屈服以及弹性屈服。塑性区域对应于腹板不受任何局部屈曲影响的情况，这种情况代表一种“密实”的截面现象。换句话说当腹板的长细比比非弹性长细比极限小的时候（d/t_wlt;1.10）能达到其剪切极限状态。

另一方面，非弹性屈服区域对应于长细比在1.10到1.37的腹板。在这个范围内，腹板的屈屈服会先于局部的由于压应力和残余应力引起的屈曲发生。处在这一区域的板会由于非弹性屈服的发展失去部分抗剪强度。

最后，弹性屈服区对应的腹板截面长细比大于1.37，这种情况下,腹板被认为是细长状的，这时腹板的破坏可以提前发生（以弹性的方式）

3.2火灾条件下钢梁的抗剪能力

如果考虑温度对钢的屈服强度的影响，以及腹板的长细比影响，那么上述原则也可以用来评估火灾条件下的剪切能力。钢的屈服强度退化可以通过现行规范和标准中规定的与温度有关的强度退化系数来解释。

腹板长细比是一种几何特性，与材料强度（等级）、加载边界条件类型无关。即使在火灾条件下也保持不变。在室温条件下，腹板长细比可以与长细比极限进行比较，来将腹板分类为紧凑型（第1、2类），非紧凑型（第三类），或者细长型（第四类）。在火灾条件下，这些极限会由于温度引起的弹性模量和强度特性的减弱而变化（弱化）。于是，图1a所示在室温条件下的三个不同区域可以根据钢的性能的净损失而发生改变。从图1b可以看出这种变化是腹板长细比在腹板温度为25、200、400和600℃不同的情况下的函数从图中可以看出，腹板稳定性不仅受到其长细比的影响，还受到其温度的影响。

一般而言，由于钢的弹性模量的退化速度快于屈服强度的退化，腹板温度的升高在一定程度上降低了腹板的刚度（即腹板更容易发生侧移或屈曲）。例如从图2 可以看出，当腹板温度超过200℃的时候，在室温下长细比为57的“致密”腹板可以转变为“非致密”腹板，由于温度引起的不稳定效应，这种转变会导致抗剪能力降低10-20%，其机制与随温度变化的强度退化不同。因此，总剪切能力的损失有两部分原因即强度退化和失稳效应。

为了考虑这种温度引起的腹板不稳定，本文提供一种迭代的方法来评估腹板的长细比作为火灾暴露的参数。这个迭代过程可以在腹板暴露在火场中时跟踪其“稳定性”状态来考虑温度引起的退化效应。在这个过程中，温度相关的长细比极限（1.10到1.37）被关联为100、200、300、hellip;800温度时图2中对应的区域。在每个温度下，将腹板长细比与温度相关的长细比极限进行比较。如果（在给定的目标温度下）腹板长细比不超过极限，就认为腹板仍然属于该分类。举个例子，长细比为46的致密腹板在25-800的温度范围内，保持致密状态，并且不会发生温度引起的失稳。另一方面，如果腹板长细比超过了密实或不密实限度，应适当降低抗剪能力，以考虑腹板的屈曲。从温度相关的腹板剪切系数（）进行折减。这种系数可以根据腹板长细比极限分为三类：

when

,when

, when

其中，是剪切屈曲系数（对未加横向加劲的腹板，如标准热轧截面，）

一旦的数值确定，钢梁在火灾条件下的剪切承载能力（）可以用下式计算：

（7）

其中是钢材在温度T时的屈服强度

为了控制腹板变形以及相应的抗剪承载力降低，提出了腹板变形的上限。这一边界条件通过一个长细比参数（beta;）确定，这一参数被定义为一个紧密（或非紧密）腹板转变为细长板的临界长细比。因此，采用该参数可以对火灾条件下的抗剪承载力进行保守估计。

为了进一步说明长细比参数（beta;）在跟踪钢腹板发生由温度引起的失稳中的作用，图2中标注了典型钢的密实和非密实长细比极限。在图2中可以看到，致密（非致密）的腹板转化为细长板的最小长细比是57 。例如，在室温条件下，长细比为67的腹板被划分为“致密”的，而当温度达到了700℃，其长细比超过了长细比极限（）转变成了细长腹板。在这种情况下长细比参数beta;等于57。

将这个长细比参数引入到公式（7）中以得到一个新的推导公式（8）：

另外由于那么就有

将式代入可得：

(8)

该公式适用于钢梁温度在25-800℃范围内的情况，这也是钢梁在火灾条件下能力退化最为关键的范围。由于刚的屈服强度和弹性模量在25-150℃时不发生退化，所以直到150℃才发生温度不稳定。因此，在这个温度范围内，钢梁的抗剪能力可以从AISC设计规定/出版的规范中活得。而当钢梁温度超过150℃时，可以通过本文所提供的方法来评估其抗剪承载能力。将抗剪承载能力与施加荷载所引起的剪力（）进行比较。这样一旦抗剪承载能力（）减弱至所加荷载引起的剪力()以下就会发生破坏

图3给出了一个流程图，其中列出了钢梁考虑温度引起腹板失稳效应下的抗剪承载能力的评估几项步骤。这些计算步骤可以生成为一个数据表格，来在目标温度（或时间步长）下执行。值得注意的是，为了对给定梁的破坏进行综合分析，还需要检查其他的破坏极限状态，如弯曲和挠曲极限。

3.3常温条件下组合梁的抗剪承载能力

钢与混凝土板之间的复合作用有很多优点，其中都被考虑在了室温和火灾条件下的挠曲计算中。例如许多研究中充分研究了混凝土板对抗弯能力的贡献并且其影响已经在现行设计规范中给出的强度方程中得到了解释。值得一提的是，尽管许多最近的研究指出，复合梁板交界面处逐渐发展的复合作用可以提高复合梁板能达到的最大抗剪承载能力极限（常温和火灾条件下），这点在如今的设计中仍然被忽视。

在各种实验研究中都很好的证明了混凝土板对抗剪承载能力的贡献。例如：Vasdravellis和Uy，Nie等人.和Liang等人他们测试了大量受弯剪共同作用的组合梁。实验结果表明。组合梁的抗剪承载能力约为（10-40%）远高于独立的钢梁/此外，这些研究人员也表示，梁的总剪切能力等于钢与混凝土的抗剪承载能力的代数和。尽管有这些发现，目前的设计规范在考虑抗剪能力时仍较少考虑混凝土板的作用，复合梁中仅考虑独立钢梁的承载能力。

3.4.火灾条件下组合梁的抗剪承载能力

在火灾条件下，由于混凝土的搞比热容和低导热性，混凝土板起到了散热器的作用，这种效应会从钢梁端部吸收大量热量，从而抑制钢的升温。因此钢梁

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