火下钢梁局部失稳对其性能的影响外文翻译资料

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火下钢梁局部失稳对其性能的影响

V.K.R.⁎M.Z.Naser,Kodur

土木与环境工程系，密歇根州立大学，美国密歇根州东兰辛

文章信息

文章历史

收到2014年11月21日

接受了2015年3月30

关键词:

局部屈曲，耐火性，钢梁，剪切，有限元分析

摘要

本文通过考虑温度引起的截面不稳定展示了火的行为对钢梁作用的数值研究的结果。一个三维有限元方法被开发去评估在弯曲和剪切的影响下钢梁对火的反应。这种模型被应用于调查火对细长截面钢梁在局部稳定和能力削弱上的影响。从有限元分析的结果来评估在不同极限状态下包括弯曲，剪切，截面不稳定和挠度标准下梁的失稳。这些结果表明在一定的加载场景和截面配置下，钢梁的抗剪能力会比极限弯矩下降的速率更快。此外，从数值分析结果推断室温分类基于钢梁的局部稳定性，会因火的曝光时间而改变；在高温的影响下紧凑部分的环境条件可以改变非紧/纤细的部分。这可以导致温度诱致的钢的局部屈曲和在弯曲屈服和/或剪切极限状态下导致失败前于成功。

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1引言

对结构构件，当暴露于火下的时候，会由于温度引起的强度和组成材料的模量性能退化经历刚度和能力的损失。当梁横截面的承载能力因为加载下降到低于正常使用状态时故障就发生了。到达这个故障的时间点被称为耐火性。相比于周围环境温度的设计理念，在梁的设计一般满足抗弯极限状态，然后是检查抗剪强度、火灾条件下导致弯曲极限状态下梁的失稳[ 1 ]。事实上，现行防火设计标准规范在评估钢梁的失稳的时候忽略剪力的作用和局部失稳。虽然基于梁弯曲极限状态下钢梁的失稳是最常见的情况，这种假设不能代表一些特定的情况如剪切和不稳定更能受火的影响[ 1 ]。当集中力作用于梁端支撑的时候剪切和不稳定的影响更能影响梁；在连接偏移柱梁的情况下，交易梁，因袭梁（缺口两端），深梁和板梁2–[ 4 ]。

钢梁在大多数实际应用中往往是W型截面，它的腹板比翼缘更细更深。此外，在这些结构中，较大的部分的腹板表面区（相比于翼缘）暴露在火下。由于这些原因，在W型钢中相比于翼缘，腹板经历着更快的温度上升[ 5 ]。这样快的温度上升的速度导致更加迅速的抗剪承载力的衰退（由于温度造成的承载力的损失）相比于钢梁瞬时承载力的衰减。这加速退化的剪切能力，当伴着高剪切载荷，可以引发火灾条件下的截面失稳。

当内部应力集中接近于极限屈服强度的时候，温度会引起的钢梁的局部失稳。在这一点上，钢的刚度性能和强度开始变形从而造成截面不稳定（局部屈曲）。在梁中，局部屈曲会发生在翼缘或腹板，并且出现局部屈曲会减少有效面积,进而减少房间或火灾条件下的弯曲和/或剪切能力。在受高剪切力的梁，加速火灾引起的强度退化和温度引起的不稳定的组合腹板局部失稳可引起梁的预成熟破坏，通过剪切极限状态。

文献回顾表明，大多数以前的研究了在暴露于火灾条件的梁对其受弯性能的影响[ 6-9 ]。例如，纽曼在卡丁顿设施上进行了全面的梁抗火性试验[ 6 ]。这些测试数据被各方面的研究者用来作为电脑模型来追踪测试钢框架结构在火灾下的反应。然而，占主导地位的剪切载荷或截面的稳定性（局部屈曲）在钢梁暴露在火灾下的表现没有考虑。一个最近的由Dwaikat a和 Kodur实施的研究发现了一种有效的用来评估钢梁耐火性的方法[7]。这种方法在评估约束条件下的钢梁在耐火性能上考虑了关键因素的影响，包括火灾场景，终端的约束，热梯度，负载水平，和故障标准。这个作者推断，在轴向约束下的钢梁，由于拉力连锁反应的发展，翼缘局部屈曲对火灾反应的影响是微不足道的。然而，在评价钢梁的火灾反应中，剪切荷载的影响，腹板的局部屈曲和钢梁在提高的温度下的稳定性是不用考虑的[6-9]。

在最近的研究中，Kodur和Naser应用一个三维有限元模型来研究钢梁在火下的剪切反应[1]。不同加载方法的影响对承受高强剪切荷载的钢梁的防火性能和长细比变化进行了研究。基于这些研究,作者表明,在某些场景中,剪切能力会比受弯承载能力以更高的速率下降,从而造成剪切失稳。

在高温条件下钢梁发生局部屈曲已被一些研究人员研究了10–[ 13 ]。UY和Bradford 和heidarpour和Bradford应用有限条法来研究遭受高温下冷弯型钢结构构件局部屈曲的影响。从这些研究结果表明,高弯曲和剪切加载可以显著影响腹板局部屈曲的发生。Zhao和Kruppa进行防火试验去研究暴露在火下的复合钢梁的抗弯性能[ 12 ]。作者报告这些组合梁会在内部支撑形成局部屈曲。然而，没有进一步的建议进行了讨论，可能是因为试验梁进行到重要时刻，因此剪切和火灾诱导不稳定的影响不能被忽视。最近，Wang et al，[ 13 ]进行了一个实验调查，关于遭受高温的翼缘和腹板的薄弱截面部位发生的局部屈曲现象。从这些试验数据表明，短柱的抗弯性能随着温度的升高而降低并且Eurocode 3规定预测柱上的弯曲荷载比在火灾试验中观察到的更高。

正如上面所讨论的，回顾文献清楚地表明，大多数以前的研究主要集中在钢在火行为下的造成的弯曲[ 6，12 ]。剪切和局部屈曲这些影响因素在火灾条件下对钢梁的影响没有解决。为了评估火的行为对钢梁局部屈曲的影响，一个采用三维非线性有限元模型的数值研究被实施。这个先进模型可以追踪热轧型W型钢梁遭受显著的弯矩和剪力。该模型应用于检查细长截面对暴露在火下钢梁局部不稳定和能力衰退的影响。

2 弯曲和剪切能力对局部失稳的影响

钢梁的反应是受发生在翼缘或腹板的临界截面的局部屈曲的高度影响的。这其实是在规范和标准中公认，并且可以被用来考虑在室温下评估弯矩和剪力[14,15]的。例如，鞍钢设计手册，将横截面形状分为结构紧凑型，非紧性型和基于翼缘和腹板细长截面（宽厚比（lambda;））的细薄[ 14 ]。这长细比通常用来对两上限进行比较；紧凑型（lambda;P）和非紧凑型的（lambda;R）。如果截面宽厚比是小于紧凑型的限值，然后该截面被认为是紧凑的。然而，如果lambda;在于紧凑和非紧凑限值之间，这该部分被认为是非紧凑型的。最后，苗条部分，lambda;是超过非紧型的极限。

表1

用来评估W型钢弯矩和剪力的长细比限值.

bf 是翼缘宽度; tf 是翼缘厚度; h 是截面高度 and tw 是腹板厚度.

kv 表示 lambda; le; 260的非加强筋腹板的值是5.

a 塑性腹板失稳限值.

b 弹性腹板失稳限值.

表1为室温下W型钢在抗弯和抗剪极限状态下的宽厚比限值。由于腹板尺寸决定截面模数（或弯曲计算）和腹板（用于剪切计算），所以很明显细长的腹板可以影响抗弯和抗剪能力。因此，腹板的长细比和腹板温度上升的速度，可以显著影响弯曲和剪切钢梁的反应。

此外，它也可以看出，长细比限值是钢梁的一个刚度和强度的属性。对暴露在火下的钢梁，温度升高会导致钢的强度和刚性的损失（见图1）。钢的强度和模量开始分别下降约400和150°C，并且这些性能已不同的速率下降。由于在设计规范中规定不建议对火灾条件下的钢梁进行分类，如果室温分类限值被应用于评估火灾工况下的局部屈曲，根据钢强度和弹性模量的净损失，这些限值可以被改变（减少）。由于刚度特性先于强度性能之前衰减（并且以很快的速度），甚至可以在钢的温度到达150°C时就出现局部失稳。这可以引起弯曲和/或剪切能力开始减少，当在较低温度时由于翼缘/腹板屈曲的发生。这种能力的损失是除温度减少外钢强度的减少。

图2所示为50级钢（345兆帕）宽厚比限值随温度变化的曲线图。如图2a所示，翼缘随温度的升高其紧凑型和非紧凑型的限值只有轻微的变化。然而,我们在图2a中可以看到用于弯曲和剪切能力评估的腹板长细比限值随温度的升高而发生显著的变化。我们也可以从图2 b中看到，剪力对腹板长细比限值的评估（59le;lambda;le;77）比弯矩对腹板长细比限值（90le;lambda;le;137）有着更小的范围。因此，腹板局部失稳（火灾条件下）预计对剪力更敏感。

Fig. 1. Degradation of strength and stiffness properties of steel at elevated temperatures.

图1.随温度的提高，钢的强度和刚度的下降。

Fig. 2. Variation of slenderness limits adopted in flexural and shear design at elevated temperatures.

图2在升高的温度下长细比随弯矩和剪力的变化

翼缘和腹板（部分）长细比与长细比限值相比较（表1中给出的）来对不同环境下的钢梁进行分类。截面宽厚比（lambda;）只取决于截面几何特征（尺寸）。因此，这些比率（lambda;腹板和lambda;翼缘）在火灾高温下保持不变。如上所述，紧凑型和非紧型在火中高温下会降低，因此，截面长细比（lambda;腹板和lambda;翼缘）在一个给定的温度下可以（有时）超过限值。例如，对于一个暴露在火灾下的紧凑型钢梁，一旦lambda;腹板和/或lambda;翼缘超过温度依赖的紧性的限制，这种钢截面的分类可以从观察到的室温而改变。

因此，翼缘宽厚比不超过的翼缘宽厚比限值，因此本节翼缘即使在500°C温度下依然保持紧密，实际上，这种梁的翼缘在整个在20到800的温度范围内保持紧密。上述说明表明，温度引起的在钢梁的剪切能力的损失，可以导致强度退化，以及发生腹板的局部屈曲，当美国证券交易委员会从结构紧凑到非紧。在一个times;W16 31钢梁的情况下，减少剪切由于强度退化量22%（抗剪承载力降低583.5O 455.1 kN）。当局部屈曲的影响考虑在内，减少受剪承载力提高到37%（抗剪能力进一步降低从455.1到368千牛）在500°C.然而，还原回去只有从钢的强度退化NT在这段结果的能力（无局部屈曲效应）和减少22%（305至238千牛·M）在500°这推断局部屈曲的影响可以显著降低钢梁抗剪承载力。

上述阐述表明，当截面从一个紧凑型转变成非紧凑型时在钢梁中温度引起的剪力的损失可以造成承载能力的下降和腹板局部失稳的出现。对一个W16times;31的刚梁，由于承载力的下降造成的剪力的下降可以到达22％（剪力从583.5kN减少到455.1kN）。在500 °C时当局部屈曲的影响考虑在内，减少的剪力可以提高到37%（抗剪能力进一步降低从455.1kN到368kN）。然而，在500°C下，该截面瞬时能力的减少只会造成钢的承载力的减少（无局部屈曲效应）并且只减少22%（305至238千牛·M）。这可以推断

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