预应力钢梁在高温（火灾）环境下的力学特性分析

刘冬骏，周丽君，田 伟

（安徽建筑大学 土木学院，安徽 合肥 230601）

预应力钢梁在高温（火灾）环境下的力学特性分析

刘冬骏，周丽君，田 伟

（安徽建筑大学 土木学院，安徽 合肥 230601）

随着预应力钢结构的广泛应用其抗火性能的研究越发迫切，本文分析了高温下钢梁的预应力损失类型和大小，同时采用有限元分析软件研究预应力钢梁在高温条件下一定时间内构件的温度分布及其随时间发展规律，并且在热分析的基础上对构件热力效应分析，从而进一步探索预应力钢梁在高温条件下损伤机理.

预应力钢梁；有限元分析；挠度；热力效应

随着工程技术进步和人们对工作及生活环境要求的提高，预应力钢结构技术近年来得到了快速发展，它不但节省材料而且受力合理，故被广泛应用于各类大跨度空间结构工程中，其中预应力钢梁便是预应力钢结构体系中一种最典型的构件形式[1～3].但众所周知钢材耐火性能差，高温环境下其物理和力学性能会发生显著改变，且预应力钢结构多属 无 粘 结 预 应 力 体 系[4]，钢 索 得 不 到 充 分 保 护 ，故 正 常 工 作时蕴含庞大内部能量的预应力钢粱一旦受到火灾作用，很可 能 因 材 性 变 化 或 内 力 发 生 重 新 分 布 而 破 坏[5～7]，因 此 本 文对一种常用的预应力钢梁进行了高温下的数值模拟计算，希望为今后的结构设计提供一定参考

1 预应力钢梁模型热分析

本文模型选取拉索预应力钢梁跨长 l=18m，A=212.4cm2（截面如图 1，工况如图 2 所示）,全粱按均布荷载分布，永久荷载为 qd=32kN/m，可变荷载为 q1=22kN/m，钢材采用 Q235，采用 90 5 高强钢丝，A3=17.64m2，f3=770MPa，E1=E2=2.07× 105MPa，实际预张力 xk=935kN，拉索中心到截面重心的距离e=81cm，锚具压实总量 △a=2mm，不考虑超欠载系数，即 γT取 1.0，支承形式为一端固定一端铰支.

受火工况：考虑在真实火灾中，粱的上翼缘往往有楼板的覆盖保护，通常情况下梁为三面受火，即底部翼缘和两侧腹板受到火作用，基于 ISO834 标准升温曲线，受火时间为720S.进行热力分析，可得到截面不同时刻温度变化云图，如图3.

图1 构件截面尺寸示意图

图2 构件工况示意图

图3 构件热效应下节点温度应力云图

图4 荷载作用下Y方向的位移云图

2 预应力钢梁模型的热力耦合分析

2.1 建模过程中对预应力拉索的处理

对比拉索预应力钢梁与非预应力钢梁，前者优势之处就在与通过拉索产生的预应力使结构发生了反向挠曲，更提高了构件的刚度以及对材料强度的利用率，本文在建模过程中对拉索采取等效荷载法处理，用一对等效荷载代替预应力拉索的作用，即预应力用理论推导得出的一对实际张拉控制力代替，采用此法的好处是在热力效应分析阶段对单元选取没有制约，划分网格也较为方便，更不用考虑拉索所处的详细位置[8～9].

本例中等效力应为构件中实际作用的张拉张拉控制力，即

式中:N—实际张拉控制力；Xk—为实际张拉的控制内力；Xl—构件的预应力损失；xmT—考虑高温影响的张拉过程中因锚具压实而产生的损失；xsT—考虑高温影响的张拉锚固后由于索长继续增加导致松弛产生的损失；l—拉索长度；A1—拉索的截面面积；△a—锚具压实总量；E1T—考虑温度影响的拉索材料的弹性模量；fptk—拉索材料抗拉强度标准值.

2.2 构件热力耦合分析计算结果

针对模型进行力学分析，可以得到随时间变化各温度荷载下 Y 方向的位移云图如图 4 所示. 当火场作用 120S时，预应力钢梁达到的挠度最大值为 5.7×10-3m；到了 240S时刻，构件挠度所达到最大值为 11.5×10-3m，当构件在火场中受到 360S 的作用时，构件的横向最大位移为 17.3× 10-3m；在 480S 时刻构件挠度最大可达 23.2×10-3m；600S 时预应力拉索钢梁横向位移可达 29.2×10-3m；当时间为 720S时，构件挠度最大值最终达到极限位移 35.2×10-3m，而构件允许挠度为 L/250=7.2×10-3m，即当火场作用到 2～4 分钟之间某个时点时，构件已不再满足正常使用极限状态.

表2 受火构件不同位置处随时间变化的挠度值（挠度，m）

下面分别选取距离铰支座分别为 3m，4.5m，6m，7.5m，9m 处的各点，从后处理导出的 LIS 文件中可以得到受火构件不同位置处随时间变化的挠度值如表2所示.

2.3 预应力钢梁热力耦合作用下的挠度分析

本文通过有限元程序对承受均布荷载并且一端固定一端铰支的拉索预应力钢梁在高温下的挠度计算，得到不同时刻的构件挠度值，表 2已将高温（火灾）条件下预应力钢梁分别距离铰支座为 3m，4.5m，6m，7.5m，9m 处不同时间的挠度值列表给出，从表中可以看到在选取的若干位置中靠近支座位置的横向位移最小，而横向位移最大的位置并不是跨中即 9m 处，而是出现在 7.5m 处，这是由于构件两端布置的不同支座对构件变形的约束不同导致，即挠度最大位置离铰支座较近，而离固定支座较远，同时我们可以发现随着火场作用时间的发展，不同位置处的横向位移差值也是逐渐增大的，例如当火场作用了 240S 时，构件跨中处的横向位移比距铰支座 3m 处的横向位移大将近 0.28m, 而 480s时，两不同位置处的横向位移差值达到约为 0.55m，由此可见越靠近最大挠度位置，预应力钢梁在该点的横向位移随温度的变化率越大，即变化速率 7.5m＞9m＞6m＞4.5m＞3m.

3 小结

由以上分析可以得到如下结论和建议：

（1）预应力拉索钢梁在高温环境下的预应力损失是随温度升高迅速增大的，但升温各阶段预应力损失程度不同，因此预应力钢结构更应做好相应防火保护工作；

（2）随着温度增长拉索预应力钢梁弯稳定承载能力降低，构件挠度也进一步加大，力学特性变化与高温下结构钢强度变化趋势相似，可推定高温引起材料强度下降是影响构件力学特性的主要因素；

（3）通过提高张拉控制力大小，可一定程度上达到提高承载力和减小构件挠度的作用，但在相同温度条件下构件的张拉控制力越大，对应的预应力损失也相应越大，故实际工程中不可盲目提高构件设计张拉控制力；

〔1〕 陆 赐 麟 .预 应 力 钢 结 构 发 展 50 年 (1)[J].钢 结 构 ,2002(4)：32-36.

〔2〕贺晗.钢结构的抗火研究概述[J].钢结构,2009,24(126)：80-83.

〔3〕余锋波.环向预应力钢屋盖火灾响应温度的数值分析[J].钢结构,2010(s)：282-286.

〔4〕G.LENOI.Vibration of beams prestressed by internal frictionlesscables,JournalofSound and Vibration, 1999,222(1),1-18.

〔5〕H.NORIAKY.Excitation of arch and suspension bridges by subwires，Shock and Vibration,1993,1(3)：59-64.

〔6〕L.CHUNG.Experimentson active controlofsimic structures,American Society of Civil Engineers Journal of Engineering Mechanics 1988,114(5)：241-256.

〔7〕M.SAIIDI.Prestress force effect on vibration frequency of concrete bridges American Society of Civil Engineers Journal of Structural Engineering,1995,120(5)：2233-2241.

〔8〕G.LENOI.Numerical analysis of thin walled beams with internal unbonded cables by the Ritz method,International Journal of Solids and Structures,1997,35(6)：51-67.

〔9〕陆赐 麟.预应力钢 结 构基本理 论 及方 法[J].钢 结构 ，1998（2）：52-59.

TU311

：A

：1673-260X（2016）02-0034-02

2015 年 11 月 23 日

国家重点基础研究发展计划项目（2012CB719703），安徽高校省级自然科学研究重大项目（KJ2014ZD06），安徽省自然科学基金（1408085QE96）