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建筑钢结构研究杂志54（2000）345-363
复合超薄地梁的耐火性能
摘要
北欧国家和英国对钢-混凝土复合超薄楼板建筑越来越感兴趣。部分包含在楼板内的超薄地梁在火灾下具有天生的良好性能。目前，芬兰正在开发一种新型的超薄地梁。 本文利用数值分析程序研究了这种新型超薄地梁在火灾下的防热性能和结构性能。在火灾条件下（包括ISO标准火灾和自然火灾），根据Eurocodes 1第2.2部分对承载能力进行了温度分析和计算。研究了这种新型超薄地梁的结构耐火性能，讨论了ISO标准火灾下的耐火时间与荷载比之间的关系。此外，还分析了自然火灾下梁的最小荷载比。还建立了最小荷载比与火灾参数（开口系数和火灾负荷密度）之间的临界关系，适用于结构破坏是由暴露在火中的梁的弯曲能力降低引起的情况。2000Elsevier Science Ltd.版权所有。
关键词：温度分析；耐火性能；超薄地梁
导言
近年来，北欧国家和英国越来越有兴趣开发和设计钢框架建筑的浅层楼板系统。在浅楼板系统中，钢梁包含在预制混凝土楼板或压型钢板复合板的深度内。这样施工
参数
A f 占地面积（m2)
A t 总占地面积（m2)
c 比热量（J/kgK）
d i 质心距离（mm）
e 比体积焓（J/m3)
h 塑性中和轴与楼板顶部的距离（mm）
K int 界面热阻系数（W/m2K）
K0 热传导系数（W/m2K）
K i 热传导系数（W/m2K）
M u 复合材料截面塑性弯矩能力（kNm）
Ms 复合材料梁的正弯矩能力（kNm）
M h 复合材料梁的负弯矩能力（kNm）
M l 简支梁附加弯矩（kNm）
O 开口系数（m1/2)
q 单位面积热输入率（W/m2)
q f 单位楼面面积的火灾负荷密度（MJ/m2)
R 负载率
R cr 临界负荷比
R i 热阻系数（m2K/W）
T 温度（℃）
T g 火灾温度（℃）
Ts 结构构件的表面温度（℃）
围界热特性（J/m2s1/2K）
对流系数（W/m2K）
结果发散系数
混凝土含水率体积比
钢筋直径（mm）
导热系数（W/mK）
材料密度（Kg/m3)
Stephan-Boltzmann常数=5.67*10—8 W/m2 K4
使建筑物达到了最小深度而且对楼板是有益的，因为建筑维修可以在任何条件下开展。在结构上，由于钢截面的部分围护结构的优点，浅层楼板系统具有天生的良好耐火性能。浅楼板的设计可以使用各种形式的钢梁，包括轧制或焊接形式。 北欧国家和英国在这类建筑中使用“超薄楼板”一词。浅楼板梁截面的一些例子如图1.所示。
在斯堪的纳维亚发展起来的最初的超薄楼板概念之一是“雷神梁”（图1a）。由焊接在板上的两个构件组成。
图 1. 不同类型的超薄地梁。
附加角钢焊接在顶部法兰上，以构成剪切连接。British Steel plc和Steel Construction Institute（SCI）开发了一种Slimflor梁（图1c）由焊接在钢板上的通用柱截面组成。最近，在英国和芬兰，人们的兴趣集中在不对称热轧钢梁上（图1）。
在芬兰，一种新的不对称超薄地梁正在开发中。目的是为超薄地梁开发一种新的截面形状，以适用于目前的芬兰复合板。本文研究了新型超薄地梁在ISO标准火灾和自然火灾情况下的耐火性能。
新超薄地梁的断面造型
超薄地梁的截面形状如图2.所示。楼板深度为300mm，压型钢板高度为117mm（兰尼拉120）。钢梁由三块钢板焊接而成。腹板采用埋弧焊方法焊接在底部和顶部法兰上。新的不对称钢梁有一个相对较薄的顶部法兰，厚度为10毫米，腹板厚度为20毫米。底部钢法兰厚18mm，宽400mm。钢梁高度为258mm。新的楼板系统有一个在钢板以上183mm的混凝土层，这是为了符合隔音的要求。该部分给出了一个有效的耐火楼板系统。第4节介绍了这一点。
温度分析
利用计算机程序TACS-FIR（耐火复合材料结构的温度分析）对新型超薄楼板在火灾中的热响应进行了分析，该程序是一种二维有限差分程序，
图 2. 新的超薄地梁的截面形状。
在赫尔辛基理工大学钢结构实验室中开发[1]。可以对混凝土的含水率进行分析，并可以用该程序模拟混凝土与钢之间的传热界面热阻。混凝土和钢的材料性能（热性能和机械性）与温度有关。火灾温度-时间曲线可以根据ISO标准火灾或任何类型的自然火灾来确定。在这个程序中有几个火灾温度-时间模型和温度相关的材料特性的集合。
本文根据Eurocode3 Part 1.2和Eurocode4 Part 1.2[2，3]给出了钢和混凝土的热性能和力学性能，并根据Eurocode1 Part 2.2[4]的附件B给出了自然火灾的火灾温度-时间曲线。
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- 传热模型
给出了基于傅里叶定律的瞬态传热方程：
- T (1)
其中T是温度（℃）,为导热系数矩阵（W/mK），e
=de/dt是体积焓变化速率。中间参数定义为
T
其中x，y和z是笛卡尔坐标。上标T是向量的中间参数。
通过一些中间变换，可以导出上述方程为fol-lows
其中C是体积比热容（J/m3K），是水的体积比热容，是含水量与体积的比值。T i 是此系统中第i个成分的温度（图3）。R i 是热阻系数，可由下式得出
其中K i和K0是热传导系数。K int是界面阻热系数。在[5]中的值K int=50W/m2K求出了钢与混凝土的界面系数K。这也是本研究的价值所在。在完美接触的情况下，K int=infin;是可以推出的。在程序中假设接触面阻力是由水的蒸发引起的[1]。
热输入率q表示为
q=[（Tg 273)4 -（T s 273)4 ] （T g -T s) (5)
其中是Stephan-Boltzmann常数，=5.67*10—8 W/m2 K4；是合成的发散系数。在[6，7]中，底钢法兰采用0.6，复合地板采用0.3。是对流因子，假定暴露侧为25W/m2K，未暴露侧为8W/m2K[8]。
图 3. 内部成分的局部系统
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- 火灾的温度-时间曲线
Eurocodes允许根据ISO标准火灾或指定参数的火灾计算结构。在本文中，分析了新的超薄地梁的温度分布，无论是在ISO标准火灾下，还是在Eurocode 1Part 2.2定义部分参数的自然火灾下。
国际标准化火灾曲线是一条理想化的温度-时间曲线，它只有图4中实线所示的上升阶段。在现实中，火灾的温度-时间曲线可能会有很大的变化。决定火灾温度-时间曲线的两个最重要的因素是火灾负荷和空气可以通过的开口大小。通常，火灾负荷的特点是由单位建筑面积的火灾负荷密度决定，开口的大小由开口因素决定。图4显示了火灾负荷和开口大小如何影响温度-时间曲线，其主要是与火灾的大小和持续时间有关。
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- 温度分布
分析程序得到了两个超薄地梁对SCI、一些复合柱和其他类型的复合梁的测试结果[1]。梁的截面是用矩形网格建模的。将超薄楼板截面划分为若干单元如图5所示。
在ISO标准火灾下，新的超薄地梁在60分钟的温度分布如图6所示。这说明底部法兰受高温（平均约750℃）且在终点与中点之间存在较大的温差，约200℃，这种现象是由于底部钢法兰末端的双向热输入造成的。在腹板内，由于混凝土的包裹，存在极不均匀的温度分布。钢梁距底法兰以上超过四分之一腹板深度处温度低于400℃，而且可以预测出来全部的温度。
图 4. 火灾温度-时间曲线..
图 5. 将截面切割分离后进行温度分析。
图 6. 在ISO火灾下，新的超薄地梁的温度分布（在60分钟时）。 粗体和黑色阴影的数字是钢部件的。 其余为混凝土部位..
在地板上侧，可以保证温度低于50℃而且隔绝热量。
钢截面的温度发展如图7所示。第1点的曲线表示底钢法兰的平均温度升高量。在前40分钟内，气温上升的速度在每分钟12℃到18℃之间。在40到60分钟中，平均温度升高速度约为8℃/min. 第2点的曲线表示腹板深度四分之一处的温度升高量。在ISO火灾持续的60分钟内，加热速度在每分钟3℃到8℃之间，远低于底部法兰。
图8表示在自然火灾作用下钢截面的温度升高量。自然火灾曲线是根据Eurocode 1 Part 2.2附件B计算的（图4.）。
图 7. 在ISO火灾下钢截面的温度升高。
图 8. 在自然火灾下，钢段的温度上升曲线。
开口系数O为0.02m1/2，火灾负荷密度q f是1100MJ/m2。在实际情况下，这条曲线定义为严重火灾场景。结果表明，在上升阶段底钢法兰处的平均升温速率达到20℃/min，在冷却阶段为6℃/min。在2号点，平均加热速率为8℃/min，平均冷却速率为2℃/min。
ISO标准火灾案例的阻热分析
采用弯矩法分析了超薄地梁在高温下的塑性弯矩能力。在该方法中，假定钢与混凝土之间有一个全剪切连接。部位的划分与温度分析案例相同。根据Eurocode3和Eurocode4给出了高温下钢和混凝土的力学性能。弯矩M u 可按下式求得
其中m和n分别是x和y方向上的除数；f ij 为混凝土或钢在坐标（i，j）处的强度；和为位置变量；d i 为（i，j）到塑性中和轴的距离。塑性中和轴的位置（p.n.a，.）可通过下式求得
其中f ij 在拉伸区有一个正值，在压缩区有一个负值。并且忽略了混凝土的抗拉强度。
复合材料截面在火灾下的减小的弯矩用荷载比的概念被定义为：
在Eurocodes的设计理念中，火灾被认为是一种偶然的情况或意外的事件。因此，在火灾设计中采用相关材料性能的特征值，在分析火灾条件下的弯矩时，相应地假定部分安全系数为单位（1.0）。极限弯矩是在20℃时使用Eurocodes 4第1.1部分[10]中提出的部分安全系数计算的。
本节介绍了影响超薄地梁耐火性能的一些因素：
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混凝土类型：普通混凝土和轻型混凝土
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