新型冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖耐火性能数值模拟研究.docx

新型冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖耐火性能数值模拟研究 王卫永　马杰　周绪红　石宇　马全涛摘 要：冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖主要由上部压型钢板混凝土组合楼板和下部冷弯薄壁型钢拼合梁组成，当楼盖下侧发生火灾时，冷弯薄壁型钢梁和压型钢板会直接受火为提升组合楼盖的耐火性能，在型钢梁的下翼缘固定防火板材，形成防火保护层，从而提出一种新型冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖然而，加入防火保护层后，楼盖的温度分布、变形和耐火极限均发生改变，新型楼盖的耐火性能有待研究建立简化的三维楼盖有限元模型，分析了混凝土板厚、梁高、荷载比和防火保护类型对新型楼盖耐火性能的影响，发现压型钢板板肋方向与钢梁垂直的楼盖钢梁同一高度处的温度沿跨度方向基本一致，仅沿高度方向不均匀;适当增加混凝土板厚对耐火极限提升较小得到了不同截面尺寸的楼盖在0.2～0.5荷载比下的受火侧翼缘临界温度以及不同防火保护类型楼盖的受火侧翼缘时间温度曲线，用于估算该类楼盖的耐火极限关键词：冷弯薄壁型钢;组合楼盖;耐火性能;有限元模拟：TU392 文献标志码：A ：2096-6717（2021）02-0084-10Abstract： Cold-formed thin-walled steel concrete composite floor is fabricated with profiled steel sheet-concrete composite slab at the top and cold formed steel built-up beam at the bottom.When fire occurs on the lower side of the floor， the cold-formed thin-walled steel beams and profiled steel sheets will be directly exposed to fire. In order to improve the fire resistance of the floor， a new type cold-formed thin-walled steel concrete composite floor is proposed by fixing fireproof board on the lower flange of cold-formed steel beams to form a fire protection layer. However， the temperature distribution， deflection and fire resistance time of the new floor will change after adding fire protection， so fire resistance performance of the new floor needs to be studied. A simplified three-dimensional finite element model is established to analyze the influence of concrete slab thickness， beam height， load ratio， fire protection on the fire resistance of the new floor. It is found that the temperature at the same height of the steel beam is basically similar along the span direction but not uniform along the height direction when the direction of the profiled steel sheet is vertical to the steel beam.Increasing the thickness of concrete slab appropriately has little effect on fire resistance.In addition，the critical temperature of the hot flange with different cross-section sizes under the load ratio of 0.2～0.5 and the time-temperature curves of the hot flange with different fire protection are obtained， which can be used to estimate the fire-resistance time of the new floor.Keywords：cold-formed thin-walled steel; composite floor; fire resistance; finite element simulation在施工現场，冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖通常采用自攻螺钉将压型钢板和下侧冷弯薄壁型钢梁固定，再在压型钢板上侧浇筑混凝土而成，楼盖结构轻巧，装配化水平高且施工便捷。

学者们[1-5]已对此类楼盖体系的受弯性能、连接性能和舒适度进行多项研究，表明其具备良好的应用价值周绪红等[6]、贾子文等[7-8]对冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖的构造进行了详细阐述，同时结合试验和模拟提出楼盖的实用计算公式组合楼盖的耐火性能也备受关注，Sharma等[9]考虑楼盖受火时混凝土与钢板脱离而产生的隔热效应，建立钢板与混凝土之间的界面单元模型来实现传热过程的模拟和参数分析，最后提出了预测混凝土温度的经验公式芦强[10]推导了高温下组合楼盖变形计算公式，理论计算结果与有限元模拟吻合良好任鹏飞等[11]对受火90 min后的组合楼盖开展静载性能试验，发现虽然混凝土开裂严重，钢梁变形明显，但组合楼板仍具有较高剩余承载力目前，组合楼盖下侧通常无防火保护层，Bedn等[12]指出，常规冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖的托梁等直接暴露在火灾中，对楼盖耐火性能很不利为避免楼盖梁直接受火，在楼盖梁下侧固定防火板形成保护层的新型楼盖构造如图1所示防火保护层构造简单，施工方便，能大幅延缓型钢的升温过程，楼盖耐火性能明显提升为研究新型楼盖的耐火性能，采用ABAQUS分别建立楼盖的简化传热和热力耦合模型，分析下侧受火时截面尺寸、荷载比和防火保护类型对新型楼盖耐火性能的影响。

1 构件概况设计一个新型冷弯薄壁型钢混凝土组合楼盖试件，整体尺寸2 400 mm4 500 mm，压型钢板规格为YX18-78-920，板厚0.8 mm，导轨采用U型钢，截面规格为U202501.2;楼盖梁由C型钢双肢拼合而成，其中单肢的规格为C20040151.2，通过腹板双排间距300 mm的4816型自攻螺钉固定形成拼合梁，钢材等级为Q345楼盖梁与导轨连接处加设C型支座加劲件，其腹板和一侧翼缘分别与楼盖梁腹板和导轨腹板用自攻螺钉连接，避免楼盖梁在支座区域局部承压破坏压型钢板板肋走向与楼盖梁垂直，在其上方浇筑32 mm厚混凝土层（压型钢板板肋以上的混凝土层厚32 mm），强度等级为C30C型钢、U型钢和压型钢板之间均采用自攻螺钉连接，为便于下侧防火保护层的固定，楼盖梁间距取600 mm楼盖梁上翼缘与压型钢板连接，螺钉间距为300 mm，下翼缘固定两层12 mm的防火石膏板作为防火保护层，螺钉间距为300 mm由于楼盖梁跨度较大，因此，在梁跨度方向两侧各1/3位置设置刚性支撑件，各型钢尺寸和试件构造分别见表1和图22 有限元模型及验证2.1 有限元模型用ABAQUS软件建立楼盖试件的有限元模型（图3）。

由于楼盖梁垂直于跨度方向等间距布置，不妨取楼盖梁左右各300 mm范围内的楼盖部分，将楼盖体系简化为组合梁进行分析对于楼盖梁，压型钢板等冷弯薄壁型钢构件，传热模型和热力耦合模型中单元类型分别为DS4和S4R，混凝土层和石膏板采用實体单元，传热模型和热力耦合模型中单元类型分别为DC3D8和C3D8R混凝土和钢材的高温力学性能和热工参数分别参考表2、表3、表4、表5，混凝土采用塑性损伤模型受限于石膏板的尺寸，板材沿跨度方向必然存在接缝，无法连续传力，另外，楼盖梁为双肢拼合截面，且沿跨度方向两道支撑件具有一定约束侧移的作用，所以，楼盖梁下翼缘本身侧移较小，石膏板限制侧移的作用有限，因此，在热力耦合模型中忽略其结构作用，仅在传热模拟时考虑其隔热作用，导热系数、比热容和相对密度参考文献[13]传热模型考虑楼盖下侧受火的场景，在石膏板外表面以辐射和对流形式施加ISO-834标准升温条件，参考EN 1991-1-2[14]，受火侧和背火侧辐射系数分别取1.0和0.8，对流系数分别取25、9 W/m2℃将石膏板、楼盖梁、压型钢板和混凝土接触区域分别绑定，以实现热量传导，内部空腔两侧建立空腔辐射，辐射率取0.7，温度测点布置见图4。

热力耦合模型中，在混凝土和压型钢板接触区域建立硬接触，高温下混凝土与压型钢板接触面切向摩擦系数取0.2[15]，如图5（a）;压型钢板仅在凸肋位置和楼盖梁上翼缘接触，所以，在凸肋对应接触区域法向建立硬接触，切向摩擦系数取0.3，如图5（b）采用Fasteners模拟螺钉连接，连接位置包括楼盖梁腹板拼合处和压型钢板与楼盖梁连接处，具体位置参考图2在组合截面端部形心处建立参考点，将型钢梁端部的位移和转角分别于形心参考点耦合，参考点处施加简支约束，其中一侧参考点约束x、y、z方向平动自由度，即Ux= Uy= Uz=0;另一侧参考点约束x、y方向自由度，即Ux= Uy=0;混凝土板上表面作用均布荷载参考已有的楼盖静力试验[6]和耐火试验[16]，发现型钢之间螺钉连接多数未失效，所以，将连接属性设为刚性MPC约束，对比均布荷载作用下按《组合结构设计规范》[17]和有限元方法得到的简化组合梁受弯承载力30.12、28.8 kNm，该建模方法可靠混凝土板上表面施加均布荷载共16.06 kN（荷载比0.3），加载完成后导入传热分析的温度结果，进行热力耦合分析2.2 模型验证选取文献[16]的一片冷弯薄壁型钢组合楼板耐火试验数据，建立三维简化传热和热力耦合模型来验证不均匀传热的楼板耐火性能建模方法的正确性。

文献[16]的楼板构造见图6，主要由4根托梁，2根导轨，1层胶合板和2层石膏板构成型钢骨架上侧和下侧分别用自攻螺钉固定1层19 mm胶合板和2层16 mm防火石膏板（受火侧），其中，胶合板与托梁的螺钉连接间距为300 mm，石膏板与托梁的螺钉连接间距为200 mm托梁采用C型钢（C18040151.15），导轨用U型钢（U182501.15），钢材强度等级为G500，实测屈服强度为612 MPa按图6构造取跨中托梁左右各300 mm范围的楼板部分，建立传热模型（图7（a）），其中，石膏板和胶合板按实体单元建模，单元类型为DC3D8，托梁用壳单元，单元类型为DS4;在受火侧最外层石膏板外表面以辐射和对流形式施加ISO-834标准升温条件，受火侧和背火侧辐射系数、对流系数与2.1节一致，空腔辐射的辐射率取0.7时，温度模拟效果较好将楼板各层相应的接触区域绑定，保证热量传导钢材和石膏板热工参数与2.1节一致，胶合板热工参数参考EN 1995-1-2[23]，温度测点分布和各层的命名见图6（b），温度模拟结果见图8（a）热力耦合模型中钢材和胶合板高温力学性能参考文献[13]，胶合板采用实体单元C3D8R，托梁和导轨采用壳单元S4。